密码子使用偏性量化方法研究综述

在基因组学水平上研究密码子使用偏性模式、成因并分析进化过程中的选择压力在基因组学研究中有重要意义。文章概述了目前提出的密码子使用偏性的量化方法及实现原理。目前研究发现：有些量化密码子偏性的方法受高表达基因参考数据集未完全注释的限制,不同密码子位置对变异和选择的影响不同,以及不同密码子位置处GC含量和嘌呤含量的贡献不同。由此展望密码子偏性量化方法发展方向为：需要设计不需要相关参考基因集合先验知识的密码子使用偏性量化方法;考虑不同位置处背景核苷酸组成的密码子使用偏性的量化方法;同时考虑基因表达水平的密码子使用偏性量化方法。最后,归纳了目前可用的密码子使用偏性的量化工具和数据库。     

伪狂犬病病毒基因编码区碱基组成与密码子使用偏差

由于伪狂犬病病毒(PRV)中G C含量高达74％,至今尚没有一个毒株完成全基因组测序。对已知的68个PRV基因编码区序列碱基组成及密码子使用现象进行了统计分析,结果发现PRV基因中存在非常强的密码子使用偏差。所有68个PRV基因编码区密码子第三位总的G C含量为96．24％,其中UL48基因高达99．52％。PRV基因偏向于使用富含GC的密码子,特别是以C或G结尾的密码子。此外,还发现PRV中G C含量变化较大的UL48、UL40、UL14和IE180等基因附近正好与已知的PRV基因组复制起始区相对应。根据基因功能将PRV基因分为6类进行分析发现,基因功能相同或相近的基因其密码子使用模式相似,其中调节基因的同义密码子相对使用度(RSCU)与其他基因有显著差异,在调节基因中以C结尾的密码子的RSCU值远大于其他同义密码子。最后,对PRV基因氨基酸组成差异进行多元分析,发现不同功能的PRV基因在对应分析图上分布不同,表明PRV基因密码子使用模式可能与基因功能相关。     

沙枣叶绿体全基因组序列及其使用密码子偏性分析

该研究以2株野生沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.)嫩枝经温室水培后的嫩叶为材料,采用CTAB法分别提取总DNA,并利用第二代测序技术进行总DNA从头测序,组装后得到2株沙枣叶绿体基因组全序列,并详细分析了其蛋白质编码基因密码子使用的偏好性及其原因,为沙枣叶绿体基因工程和分子系统进化等研究奠定基础。结果显示:(1)组装得到沙枣叶绿体基因组序列全长150 546 bp,由长度为81 113 bp的长单拷贝(LSC)区域和25 494 bp的短单拷贝(SSC)区域,以及1对分隔开它们的长18 445 bp的反向重复序列(IRS)组成;注释共得到132个基因,包括86个蛋白编码基因、38个tRNA基因和8个rRNA基因。(2)沙枣叶绿体基因组蛋白编码基因密码子的第三位碱基GC含量(GC_3)为28.47%,明显低于整个叶绿体基因组GC含量(37%),也低于第一位(GC_1)和第二位(GC_2)碱基的GC含量,说明密码子对AT碱基结尾有偏好性;其中, UCU、CCU、UGU、GCU、CUU、GAU、UCA和UAA为最优密码子。(3)同义密码子相对使用频率(RSCU)分析发现,影响密码子使用模式的因素并不单一,密码子的偏好性受到突变、选择及其他因素的共同影响,并且自然选择表达引起的序列差异比突变对密码子偏好性的影响要显著;中性绘图分析、有效密码子数(ENC-plot)分析和奇偶偏好性(PR2-plot)分析表明,沙枣叶绿体基因组使用密码子的偏性受选择的影响更大。(4)通过最大似然法、最大简约法和贝叶斯方法对胡颓子科6个物种和1个枣的叶绿体基因序列构建系统发育树,与它们使用密码子偏性聚类的结果一致,表明叶绿体基因组使用密码子偏性与物种的亲缘关系相关。     

栽培大豆和野生大豆线粒体基因组密码子使用偏性的比较分析

为分析栽培大豆和野生大豆线粒体基因组的密码子使用特征差异,该文以其线粒体基因组编码序列为研究对象,比较其密码子偏性形成的影响因素和演化过程。结果表明:(1)栽培大豆和野生大豆线粒体基因组编码区的GC含量分别为44.56%和44.58%,说明栽培大豆和野生大豆线粒体编码基因均富含A/T碱基。(2)栽培大豆和野生大豆线粒体基因组密码子第1位、第2位GC含量平均值与第3位GC含量的相关性均呈极显著水平,说明突变在其密码子偏性形成中的作用不可忽略; PR2-plot分析显示,在同义密码子第3位碱基的使用频率上,嘌呤低于嘧啶; Nc-plot分析中Nc比值位于-0.1～0.2区间的基因数占总基因数的95%以上;突变和选择等多重因素共同作用影响了大豆线粒体基因组编码序列密码子使用偏性的形成。(3)有20、21个密码子分别被确定为栽培大豆和野生大豆线粒体基因组编码序列的最优密码子,其中除丝氨酸TCC密码子外均以A或T结尾。综上结果认为,栽培大豆线粒体密码子偏性的形成受选择的影响要高于野生大豆,这可能是栽培大豆由野生大豆经长期人工栽培驯化的结果。     

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。     

不同结构的蛋白编码基因的密码子偏性研究

利用聚类分析方法,对两类具有不同三级结构的75个蛋白的编码基因的密码子使用偏性进行了分析。75个基因样本序列按照对应蛋白的三级结构被很清晰的分成了两类,从而发现密码子的使用与蛋白质的三级结构有很大的相关性。这一重要结果证实了DNA的一维信息中蕴含着蛋白质的三级结构信息。     

滇黄精叶绿体全基因组序列及其密码子使用偏性分析

为探究滇黄精(Polygonatum kingianum)叶绿体全基因组特征和密码子使用偏性,利用第二代测序技术对滇黄精嫩叶进行测序,再经组装与注释后得到其叶绿体基因组全序列,通过MISA、EMBOSS和CodonW等软件对滇黄精叶绿体全基因组的SSR位点、系统发育及密码子偏好性进行分析。结果表明,滇黄精完整叶绿体基因组长度为155 852 bp,基因组平均GC含量为37.7%,其大、小单拷贝区(LSC)长度分别为84 633和185 25 bp,反向重复区长度为26 347 bp,注释了132个基因,包括86个蛋白编码基因、38个tRNA基因和8个核糖rRNA基因。叶绿体基因组中共有69个SSR位点,绝大多数属于单碱基重复的A/T类型。系统发育分析表明滇黄精与格脉黄精(P. tessellatum)亲缘关系近,可能与分布地域有关。密码子偏好性分析表明,滇黄精叶绿体基因组密码子使用模式受到自然选择影响大于突变因素,最终确定9个最优密码子。因此, 滇黄精叶绿体基因组遗传结构和系统发育位置及其密码子偏倚的分析,为叶绿体基因工程研究提供理论依据。     

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。     

影响耶尔森氏鼠疫杆菌基因组密码子使用的因素分析

基因组密码子使用的影响因素分析有助于发现影响密码子使用的进化动力学 ,对发现和预测进化的方向和模式有重要的作用。同时 ,分析完整的基因组可以发现特定基因组中密码子的使用模式 ,从而重新设计高效的PCR引物和外源导入基因 ,促进外源基因在特定生物体中的高效率表达。导致瘟疫等外源性感染疾病的耶尔森氏鼠疫杆菌完整基因组序列已经测序公布。为了对鼠疫杆菌的同义密码子使用的进化模式有更加深入的了解 ,详细的研究分析鼠疫杆菌的基因组密码子的使用模式和影响密码子使用的因素。结果发现 ,尽管鼠疫杆菌基因组序列中“G” “C”含量相对较低 (4 7.6 4 % ) ,高水平表达基因的密码子第三位碱基使用胞嘧啶 (C)的频率比表达水平低的基因使用胞嘧啶 (C)有显著的提高 ,表达水平较低的基因在密码子的第三位碱基更趋向使用鸟嘌呤 (G)。在表达水平高低的两组基因中 ,对密码子的第三位碱基使用腺嘌呤 (A)和胸腺嘧啶 (T)总体上趋于随机使用。基因的表达水平与对应分析的第一条向量轴呈高度相关 (R =0 .6 3,P <0 .0 0 0 1)。通过分析比较表达水平高低两组基因的密码子使用模式发现 ,基因的表达水平对于密码子使用有显著的影响。GC skew分析结果显示 ,复制转录阶段的选择对密码子使用有一定的影响。在不同长度     

杨树同义密码子用法的初步分析

杨树是世界上广泛栽培的重要造林树种之一,已经成为林木基因工程研究的模式植物。用杨树的314个蛋白编码基因,通过对应分析和ENC-plot分析探讨了若干重要因子对杨树密码子用法的效应。从分析结果中可以看出,在影响最大的第一条向量轴上,基因的坐标位置与该基因的表达水平(CAI)极显著负相关(r=-0.94**),其次是与GC3S和基因长度极显著相关(r=0.86**和r=-0.57**),说明基因表达水平高低是影响密码子发挥作用的主要因素,基因编码区碱基组成和基因长度次之。ENC-plot分析结果也证明了这一点。相对密码子使用值(RSCU)的计算结果表明,高表达基因强烈偏好以A或T结尾的密码子,并确定了TTA和ATA等10个密码子为杨树的主要偏爱密码子。将杨树的密码子使用频率与拟南芥、水稻、大肠杆菌和人等不同模式生物种比较后发现,杨树密码子的偏爱性与同为双子叶植物的拟南芥最为相似,与人和大肠杆菌之间的差异较大。     

基因及其表达调控中遗传密码选择的偏爱性

遗传密码在基因及其表达调控中具有明显的选择性.在低等生物及细胞器基因组中,同义密码优先选择A、T;在高等生物的核基因组中,同义密码首先考虑C、G;编码基因的邻近序列对基因转录调控影响很大.环境因素与遗传密码的选择有关.     

The transfer RNA genes in Oryza sativa L. ssp. indica

The availability of the draft genome sequence of Oryza sativa L ssp. indica has made it possible to study the rice tRNA genes. A total of 596 tRNA genes, including 3 selenocysteine tRNA genes and one suppressor tRNA gene are identified in 127551 rice contigs. There are 45 species of tRNA genes and the revised wobble hypothesis proposed by Guthrie and Abelson is perfectly obeyed. The relationship between codon usage and the number of corresponding tRNA genes is discussed. Redundancy may exist in the present list of tRNA genes and novel ones may be found in the future. A set of 33 tRNA genes is discovered in the complete chloroplast genome of Oryza sativa L. ssp. indica. These tRNA genes are identical to those in ssp. japonica identified by us independently from the origional annotation.     

双孢蘑菇基因组密码子的偏好性分析

双孢蘑菇Agaricus bisporus是世界上最广泛栽培的食用菌之一.本研究通过分析双孢蘑菇基因组密码子使用偏性,探讨密码子偏性的影响因素及其对基因表达的影响.以双孢蘑菇基因组和转录组数据为依据,分析了双孢蘑菇基因组基因、高表达基因(high expression gene,HEG)和低表达基因(low expre...     

矮泰引-3中半矮秆基因的分子定位

矮泰引-3的矮生性状受两对独立遗传的半矮秆基因控制,利用SSR标记将这两个矮秆基因分别定位到第1和第4染色体上。等位性测交的结果表明,位于第1染色体上的矮秆基因与sd1是等位的,所以仍然称其为sd1;而位于第4染色体上的矮秆基因是一个新基因,暂命名为sdt2。利用SSR标记将sd1定位于RM297、RM302和RM212的同一侧,而与OSR3共分离,它们之间的位置关系可能是RM297-RM302-RM212-OSR3-sd1,遗传距离分别为4．7cM、0cM、0．8cM和0cM,这与sd1在第1染色体长臂上的确切位置是基本一致的。利用已有的SSR标记和拓展的SSR标记将sdt2定位于SSR332、RM1305和RM5633、RM307、RM401之间,它们的排列位置可能是SSR332-RM1305-sdt2-RM5633-RM307-RM401,它们之间的遗传距离分别为11．6cM、3．8cM、0．4cM、0cM和0．4cM。     

水稻雄性不育恢复系明恢63的感光基因分析

水稻恢复系明恢63是中国应用面积最大、利用最广泛的恢复系。利用抽穗期感光性近等基因系EG0～EG7及ER～LR对明恢63进行的分析表明,明恢63在E1、E2、E3位点分别带有E1、e3、E3基因,在Se-1位点带无感光功能的Se-1^e基因。进一步用抽穗期QTL近等基因系NIL(Hd1)和NIL（Hd4)进行的研究表明,明恢63带有显性感光基因E1和无感光功能的Se-1^e基因,并推测明恢63带有能抑制E,基因表达的隐性抑制基因。认为籼型杂交稻抽穗期受不育系和恢复系感光基因及感光性抑制基因的共同作用。初步讨论了明恢63广适性的遗传基础。     

水稻半矮秆基因sd-t的染色体定位研究

以籼型标志基因系和ＩＲ３６三体为工具材料,通过杂交研究了籼稻矮秆材料矮泰引－２所携半矮秆基因Ｓｄ－ｔ在染色体上的位置。结果表明,半矮秆基因Ｓｄ－ｔ与标志基因系０１９所携紫果皮基因Ｐｒｐ－ｂ、标志基因系Ｂ３０所携无叶舌基因１ｇ、标志基因系０２７所携灰白壳基因Ｗｈ表现连锁,ｓｄ－ｔ与Ｐｒｐ－ｂ之间的交换值为２．８５％±０．５２％,ｓｄ－ｔ与ｌｇ之间的交换值为２７．９０％±３．８１％,ｓｄ－ｔ与Ｗｈ之间的交换值为３８．６２％±２．９９％。由于Ｐｒｐ－ｂ、ｌｇ、Ｗｈ基因均位于第４染色体上,因而推定ｓｄ－ｔ基因位于第４染色体上,其排列位置可能是Ｐｒｐ－ｂ－ｓｄ－ｔ－ｌｇ－Ｗｈ。