人基因中密码子前后碱基使用与蛋白质结构

对６２个人基因中编码蛋白质各类二级结构（α－螺旋、β－折叠片、无规卷曲和回折）的密码子前后碱基的使用情况进行统计分析和比较,发现多数密码子前后碱基的使用有一定偏向,而且这些偏向与蛋白质的二级结构有关联。这同时亦提示,同义密码子的选用与蛋白质的二级结构有一些关联。结果对于蛋白质结构预测算法以及基因工程的研究有辅助作用。     

大肠杆菌基因中密码子前后碱基的使用与蛋白质结构

对一组E.coli基因中编码蛋白质各类二级结构（α-螺旋、β－折叠片、无规卷曲和回折）的密码子前后碱基的使用情况进行统计分析和比较,发现一些密码子前后碱基的使用有偏向,而且这些偏向与蛋白质的二级结构有关联,这同时亦表明,E.coli基因中同义密码子的选用与蛋白质的二级结构有一些关联。模型对于蛋白质结构预测算法的改进以及基因工程的研究有辅助作用。     

同义密码子的反常蛋白质二级结构偏好性

统计分析了 119种人蛋白质和 92种大肠杆菌蛋白质的mRNA序列和蛋白质二级结构的关系 .从二肽频数出发 ,研究了同义密码子使用对蛋白质二级结构的影响 ,证明其影响在 10 %到 2 0 %的量级 .对于人和大肠杆菌 ,在 90 %置信水平上 ,4 0 0对二肽中分别有 79对和 6 0对 ,在 95 %置信水平上 ,分别有 4 5对和 36对二肽的相应密码子二联体具有不同于氨基酸的反常二级结构偏好性 ,并且这种反常不能归因于随机涨落     

枯草芽孢杆菌同义密码子使用偏性对蛋白质折叠速率的影响

目前,有关同义密码子使用偏性对蛋白质折叠的影响研究中,样本蛋白均来源于不同的物种。考虑到同义密码子使用偏性的物种差异性,选取枯草杆菌的核蛋白为研究对象。首先,将每条核蛋白按二级结构截取为α螺旋片段、β折叠片段和无规卷曲（α-β混合）片段,并计算其蛋白质折叠速率。然后,整理每个片段相应的核酸序列信息,计算其同义密码子使用度。在此基础上,分析枯草芽孢杆菌核蛋白的同义密码子使用偏性与蛋白质折叠速率的相关性。发现对于不同二级结构的肽链片段,都有部分密码子的使用偏性与其对应的肽链折叠速率显著相关。进一步分析发现,与肽链片段折叠速率显著相关的密码子绝大部分为枯草杆菌全序列或核蛋白序列的每一组同义密码子中使用度最高的密码子。结果表明,在蛋白质的折叠过程中,枯草芽孢杆菌的同义密码子使用偏性起着重要作用。     

同义密码子用语与蛋白质结构的关系

对大肠杆菌的５４种三维结构已知的蛋白质及其对应的ｍＲＮＡ序列的集合的分析结果表明,绝大部分密码子与其编码的氨基酸在蛋白质α螺旋、β折叠和卷曲等三种二级结构中的偏好性没有显著的统计性差异。同时,又对Ａｄｚｈｕｂｅｉ提供的相应哺乳类数据集作了同样的偏好性检验,表明９种氨基酸的同义密码子携带蛋白质二级结构信息,与他们的结论一致。推测,这种差异可能由翻译机制的进化趋异造成的。这些结果对于真核基因在原核生物中实现高表达可能有重要的实际意义。     

翻译速率与蛋白质二级结构的关系

统计分析了人的 119种蛋白质和大肠杆菌的 92种蛋白质密码子翻译速率和蛋白质二级结构的关系。据m 密码子片段在不同二级结构中的频数分布 ,我们发现人和大肠杆菌中翻译速率与蛋白质二级结构之间有一定关系 :高翻译速率时倾向编码α螺旋、不倾向编码线团 (coil) ;低翻译速率时倾向编码线团、不倾向编码α螺旋 ;β折叠结构则随翻译速率表现出明显的振荡。同时 ,密码子的使用在不同片段内一般也是不均匀的 :在α螺旋片段内 ,结构尾部偏向使用高翻译速率密码子 ;中部倾向使用中翻译速率密码子 ;而头部使用的密码子翻译速率偏低。这样的倾向性不大可能归结为随机起伏的影响。     

mRNA的序列、结构以及翻译速率与蛋白质结构的关系

mRNA所包含的核苷酸序列通过三联体密码子决定了蛋白质的氨基酸序列。但是, 由于对氨基酸同义密码使用频率上的差异, 密码子与反密码子相互作用效率上的不同, 以及密码子上下文关系和mRNA 不同区域二级结构上的差异, 造成了核糖体对mRNA 不同区域翻译速度上的差异, 加之共翻译折叠的作用, 使得mRNA 的序列和结构影响着蛋白质空间结构的形成。     

mRNA的序列,结构以及翻译速率与蛋白质结构的关系

ｍＲＮＡ所包含的核苷酸序列通过三联体密码子决定了蛋白质的氨基酸序列,但是,由于对氨基酸同义密码使用频率上的差异,密码子与反密码子相互作用效率上的不同,以及密码子上下文关系和ｍＲＮＡ不同区域二级结构上的差异,造成了核糖体对ｍＲＮＡ不同区域翻译速度上的差异,加之共翻译折叠的作用,使得ｍＲＮＡ的序列和结构影响着蛋白质空间结构的形成。     

人β神经生长因子基因稀有密码子及mRNA二级结构对其在大肠杆菌中表达的影响

目的:研究人β神经生长因子(β-NGF)基因中稀有密码子及其mRNA二级结构对其在大肠杆菌中表达量的影响。方法:根据对人β-ngf中稀有密码子及其mRNA二级结构的研究,同义突变人β-ngf基因,通过PCR得到人β-ngf的5’端同义突变基因rh-β-ngfp32和全同义突变基因rh-β-ngfmu,将这2个序列克隆入载体pET3a中,得到重组质粒pET3a-ngfp32和pET3a-ngfmu,分别转化大肠杆菌BL21(DE3)感受态,IPTG诱导表达,收集菌体,SDS-PAGE检测其表达量的改变。结果:构建的pET3a-ngfp32和pET3a-ngfmu表达载体酶切和测序结果正确,SDS-PAGE结果显示,与在重组菌pET3a-NGF总蛋白中的表达量相比,目的蛋白rh-β-NGF在重组菌pET3a-NGFP32和pET3a-NGFmu中的表达量均明显增高,并且在重组菌pET3a-NGFmu中的表达量高于重组菌pET3a-NGFP32。结论:目的蛋白rh-β-NGF在重组菌pET3a-NGFP32和pET3a-NGFmu中表达量的增高,说明人β-ngf基因中稀有密码子和mRNA的二级结构对其在大肠杆菌中的表达有较为明显的影响,结果为构建rh-β-NGF的大肠杆菌工程菌株奠定了基础。     

A型流感病毒同义密码子的使用偏性对RNA二级结构的影响

以A型流感病毒为研究样本,分析了同义密码子使用偏性对RNA二级结构的影响,为进一步研究同义密码子存在的意义及A型流感病毒RNA特征提供一些理论依据。收集整理了NCBI中收录的全部A型流感病毒的核酸序列信息,计算了每一条核酸序列的RNA二级结构,计算出RNA环结构含量和茎结构含量及折叠自由能。在此基础上,计算了RNA二级结构的柔性。同时,计算了每一条核酸序列的相对同义密码子使用值。由此,建立了A型流感病毒RNA二级结构数据库。分析每条核酸序列的相对同义密码子使用值与RNA的环结构、茎结构及柔性之间的关系。分析结果表明,50%的氨基酸的相对同义密码子使用值与RNA茎结构含量和环结构含量显著相关;60%的氨基酸的相对同义密码子使用值与单位平均折叠自由能显著相关;50%的氨基酸的相对同义密码子使用值与RNA柔性显著相关。进一步分析发现,与茎结构含量和环结构含量都显著相关的密码子,它们的相对同义密码子使用值与两种结构含量的相关性截然相反,而且发现,在所选的参量中,RNA柔性与相对同义密码子使用值显示出更好的相关性。结果证实,对于A型流感病毒,同义密码子的使用偏性对RNA二级结构存在很大的影响。     

三联体密码子在mRNA二级结构中的分布

对编码成熟肽的ｍＲＮＡ二级结构的分析显示,每个密码子在ｍＲＮＡ二级结构中的位置有一定的倾向性,这种倾向性似乎与相应氨基酸的构象性质相一致。大多数编码疏水氨基酸的密码子位于ｍＲＮＡ二级结构中较稳定的茎区;反之,大多数编码亲水氨基酸的密码子位于柔性的环区。这个结果支持了最近得到的关于ｍＲＮＡ与蛋白质之间存在丰三维结构信息传递的结论。     

密码子优化提高多粘类芽孢杆菌β-葡萄糖苷酶异源表达量

多粘类芽孢杆菌BN1株β-葡萄糖苷酶A的基因中含有很多大肠杆菌的稀有密码子,这限制了其在大肠杆菌中的表达。本研究选择部分稀有密码子同义替换为大肠杆菌的偏爱密码子,结果得到了表达量显著提高的基因型。经过对β-葡萄糖苷酶A基因各密码子使用频率的分析,选出2种密码子:大肠杆菌使用频率极低的密码子(Ⅰ型)、大肠杆菌使用频率一般但酶基因中频繁出现的密码子(Ⅱ型)。通过定点突变,这些密码子均被替换为宿主细胞使用频率最高的同义密码子。研究结果表明,I型单密码子替换可以使酶的表达量提高3~6倍,II型单密码子替换可以使酶的表达量提高3~4倍。最终,通过组合对提高该酶表达量贡献较大的突变,得到一个表达量提高13倍的基因型(WT-13)。本研究显著提高了β-葡萄糖苷酶A在大肠杆菌宿主中的异源表达水平,为酶的工业化应用奠定了基础。本研究将Escherichia coli BL21(DE3)本源表达的β-半乳糖苷酶选为内参蛋白质,提出相对表达量指数的概念,为同类酶在E.coli BL21(DE3)表达水平的表征提供了参考。     

同义密码子使用模式对蛋白产物表达及构象形成的影响*

鉴于遗传密码子的简并性能够将基因遗传信息的容量提升,同义密码子使用偏嗜性得以在生物体的基因组中广泛存在。虽然同义密码子之间碱基的变化并不能导致氨基酸种类的改变,在研究mRNA半衰期、编码多肽翻译效率及肽链空间构象正确折叠的准确性和翻译等这一系列过程中发现,同义密码子使用的偏嗜性在某种程度上通过精微调控翻译机制体现其遗传学功能。同义密码子指导tRNA在翻译过程中识别核糖体的速率变化是由氨基酸的特定顺序决定,并且在新生多肽链合成时,蛋白质共翻译转运机制同时调节其空间构象的正确折叠从而保证蛋白的正常生物学功能。某些同义密码子使用偏嗜性与特定蛋白结构的形成具有显著相关性,密码子使用偏嗜性一旦改变将可能导致新生多肽空间构象出现错误折叠。结合近些年来国内外在此领域的研究成果,阐述同义密码子使用偏嗜性如何发挥精微调控翻译的生物学功能与作用。     

基于密码子偏性的置换模型估计正向选择

由于遗传密码子的简并性特征,大多氨基酸由多于一种密码子编码.在蛋白质编码过程中,同义密码子间的使用有着较显著的偏差,即同义密码于使用频率不等.应用CUSP软件对数据集H3N2和MHC进行同义密码子使用偏性的分析,然后基于同义密码子的使用偏性建立新的密码子置换模型,并在此模型的基础上分析物种的正向选择性.分析结果表明新的密码子置换模型能更好地拟合数据,由此可得到更加可靠的参数估计值.     

密码子中的密码:密码子偏好性与基因表达的精细调控

同义突变由于不改变编码蛋白质的氨基酸序列,常被认为是"沉默"突变.实际上,同义密码子的选择在进化尺度上是受到限制的,从而致使同义密码子的使用频率存在差异,称为密码子偏好性.密码子偏好性在转录、转录后加工、mRNA稳定性、翻译起始、延伸、蛋白折叠等方面都起着精细调节的作用.因此,同义突变在很多情况下可导致癌症等各类疾病的发生.本综述在分子机制层面简述了近年来关于密码子偏好性对翻译和转录过程调节作用的进展,以及对于基础研究及医学方面的意义.     

基于同义密码子使用的原核生物基因组大、小染色体及质粒进化特征分析

基于同义密码子偏好分析,对54个原核基因组大、小染色体及质粒中蛋白质编码基因的序列特征进行了对比分析。结果表明,大、小染色体中蛋白质编码基因的GC含量分布相近,质粒中蛋白质编码基因的GC含量分布与所在物种全基因组的GC含量差别较大。进一步的分析表明,大、小染色体共同偏好的密码子最多,且具有相近的起始密码子和终止密码子使用特征。基于对应分析的同义密码子使用模式分析表明,大、小染色体具有相近的序列特征,且大、小染色体及质粒之间具有不尽相同的影响因素。这些结果可为今后原核生物基因组进化研究提供可靠的方法和理论依据。     

简并密码子增强人甲状旁腺激素(1-34)在大肠杆菌中的表达

利用氨基酸密码子的简并性及大肠杆菌中高表达真核基因时,转录起始区的结构特点:①在起始密码子ATG后使用富含嘌呤的密码子延长其mRNA同tRNA反密码子loop的互补;②通过应用富含A/U的密码子,避免mR-NA形成稳定的二级结构;③减少潜在的第二个Shine-Dalgarno序列。通过聚合酶链式反     

大肠杆菌mRNA编码区长度、形成二级结构倾向与密码子偏好性的关系

从GenBank获得大肠杆菌K-12MG1655株的全基因组序列,计算了与基因密码子偏好性相关的多个参数(Nc、CAI、GC、GC3s),对其mRNA编码区长度、形成二级结构倾向与密码子偏好性之间的关系进行了统计学分析,发现虽然翻译效率(包括翻译速度和翻译精度)是制约大肠杆菌高表达基因的密码子偏好性的主要因素,同时,mRNA编码区长度及其形成二级结构的倾向也是形成这种偏好性的不可忽略的原因,而且对偏好性有一定程度的削弱。另外对mRNA编码区形成二级结构倾向的生物学意义进行了讨论分析。     

基于同义密码子使用的原核生物基因组大、小染色体及质粒进化特征分析北大核心CSCD

基于同义密码子偏好分析,对54个原核基因组大、小染色体及质粒中蛋白质编码基因的序列特征进行了对比分析。结果表明,大、小染色体中蛋白质编码基因的GC含量分布相近,质粒中蛋白质编码基因的GC含量分布与所在物种全基因组的GC含量差别较大。进一步的分析表明,大、小染色体共同偏好的密码子最多,且具有相近的起始密码子和终止密码子使用特征。基于对应分析的同义密码子使用模式分析表明,大、小染色体具有相近的序列特征,且大、小染色体及质粒之间具有不尽相同的影响因素。这些结果可为今后原核生物基因组进化研究提供可靠的方法和理论依据。     

改善大肠杆菌胞内氨基酰tRNA池提高外源基因表达水平

大肠杆菌是研究和高效表达异源蛋白的常用宿主细胞。由于大肠杆菌和真核生物及大部分古细菌在同义密码子上的使用有很大的差异,来源于真核或古细菌的外源基因在大肠杆菌中表达时,常常由于其带有稀有密码子而带来翻译方面的问题,如产生移码突变和表达量下降等,从而改变异源蛋白的表达质量和表达水平。在研究常见嗜热菌tRNA结构和组成的基础上,以古细菌α淀粉酶基因为例,采用增加有argU、ileY和leuWtRNA基因的大肠杆菌DE3为表达宿主,改善了胞内氨基酰tRNA池的大肠杆菌表达异源蛋白,表达量提高约9倍。