梅花草属叶绿体基因组进化分析

叶绿体基因组序列变异和基因组成等特征可有效反映植物类群间的系统发育和进化关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对梅花草属（Parnassia）及其近缘属5种植物的叶绿体基因组进行测序和组装,同时基于已发表的近缘种叶绿体基因组信息,对梅花草属叶绿体基因组结构特征、序列遗传变异和蛋白编码基因密码子偏好性比对分析。结果显示：梅花草属叶绿体基因组整体结构较为保守,均为四分体结构;梅花草多个基因出现假基因化,而本属其他物种叶绿体基因组成一致,均编码115个基因;与近缘属物种相比,本属所有物种均丢失rpl16基因的内含子;蛋白质编码基因的非同义/同义替代率比值较低,叶绿体基因可能经历纯化选择作用;密码子偏好性聚类结果与蛋白编码序列重建的系统发育关系结果一致。本研究表明选择压力可能在梅花草属叶绿体基因组蛋白编码基因进化过程中发挥作用,有助于进一步理解梅花草属植物的进化和适应机制。     

SARS-CoV-2刺突蛋白基因密码子偏好性与进化分析

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）属于冠状病毒家族新成员,其刺突蛋白（spike protein,S-蛋白）是侵染人体并决定其入侵宿主的亲和能力及组织特异性的包膜蛋白,研究S-蛋白基因的密码子偏好性不仅有利于重组表达,也利于分析其进化规律。利用Codon W和SPSS等在线服务器及软件,首先分析SARS-CoV-2等冠状病毒的S-蛋白基因的密码子偏好性,随后以SARS-CoV-2的S-蛋白基因为重点,比较其与大肠埃希菌、酵母和λ噬菌体等模式生物的密码子使用频率。结果显示,冠状病毒S-蛋白基因密码子的总GC和GC3s含量均小于0.4,更偏向以A/T编码,ENc为44.15,密码子偏好性整体较弱。28个密码子的偏好性较强（RSCU>1）,3个密码子的偏好性极强（RSCU>2）,UAA为最优密码子。ENc-plot结果显示,大部分基因的ENc距ENc期望值较近,表明冠状病毒密码子偏好性主要受到碱基突变的影响。相较于CDS序列,基于RSCU值的聚类更适合于冠状病毒的系统发育研究。综合ENc比值与聚类结果,SARS-CoV-2与SARS的亲缘关系最近,可能起源于同一祖先冠状病毒。酿酒酵母是SARS-CoV-2较好的外源表达系统,但仍需密码子优化。根据密码子优化结果,成功实现了S-蛋白RBD区域的原核表达。以上研究结果为S-蛋白基因的优化改造,提高其表达效率提供参考。     

籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性

运用CHIPS、CUSP和CodonW等程序分析了双子叶C₄植物籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus)丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性, 并与马铃薯(Solanum tuberosum)和苜蓿(Medicago truncatula)等双子叶植物及水稻(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)等单子叶植物进行了比较, 建立了聚类树状图, 以期在作物高光效基因工程中为籽粒苋PPDK基因选择合适的受体植物提供依据。研究结果表明, 籽粒苋PPDK基因偏好于以A或T结尾的密码子, 与其它几种被比较的双子叶作物的PPDK基因密码子偏好性趋势一致, 而玉米和水稻等单子叶植物更偏好使用以G或C结尾的密码子。PPDK基因密码子使用偏好性的系统聚类分析表明, 籽粒苋与马铃薯和苜蓿等双子叶植物聚为一类, 而稗草(Echinochloa crusgalli)、玉米和高粱(Sorghum bicolor)等单子叶植物聚为一类, 与系统进化地位一致。但单子叶植物水稻的密码子偏好性与籽粒苋较为接近, 与玉米和高粱相差较远。为了选择合适的蛋白质表达系统, 比较并分析了籽粒苋PPDK基因的密码子偏好性与大肠杆菌(Escherichia coli)及酵母菌的异同, 发现其与酵母菌的差异小于大肠杆菌, 表明选择酵母菌表达系统更为合适。     

西藏高原人群铁调素基因hamp密码子偏好性分析

目的:通过对西藏高原人群及平原人群、恒河猴等其他5种物种的密码子使用进行分析,从而得出西藏高原人群铁调素基因(hamp)的密码子偏好性。方法:采用PCR技术获得西藏高原人群铁调素全基因序列,利用在线软件CodonW进行密码子偏好性分析,通过在线软件PredictProtein以及Signal P等软件进行西藏高原人群铁调素基因的结构分析,比较与GenBank数据库中选取的平原人群、恒河猴等其他5种物种的密码子偏好性的差异。结果:西藏高原人群的铁调素基因全长为2681 bp,由3个外显子和2个内含子组成,编码84个氨基酸的铁调素前体肽,包含信号肽、中间肽与成熟肽,其密码子偏好性与平原人群、恒河猴等其他5个物种的密码子偏好性均有不同程度的差异。结论:西藏高原人群铁调素基因hamp密码子偏好性与其他物种的密码子偏好性均有不同程度的差异。     

皱边喉毛花及其近缘物种的叶绿体基因组结构与进化分析

为重建喉毛花属下系统发育关系,明晰属下皱边喉毛花及其近缘种之间的物种关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对12 个叶绿体基因组进行双末端测序,获得大量高质量的Clean reads用于后续生物信息学分析。结果表明：（1）喉毛花属下物种的基因组差异较小,均在150 kb左右,基因总数为131 个,其中编码基因81 个。IR区核苷酸多态性比SC低,编码区比非编码区更保守。（2）进化分析结果显示,几乎所有的编码基因受到纯化选择的作用。（3）密码子偏好性分析表明有35 个密码子的RSCU值均大于1,说明使用这些密码子的频率较高,各项密码子偏好性衡量指标说明喉毛花属物种的密码子偏好性较弱。（4）系统发育分析表明CDS、密码子位置与基因间隔区数据集构建的系统发育树具有高度一致的拓扑结构,大部分分支的支持率高。这些结果表明皱边喉毛花及其近缘种的叶绿体基因组无明显差异,在系统发育树上无法按物种聚类,也为后续展开喉毛花属下群体遗传学研究提供科学依据。     

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。     

草菇密码子偏好性分析

以草菇全基因组编码序列为研究对象,利用软件CodonW1.4.2分析草菇基因组密码子使用模式,确定了草菇的24个最优密码子。利用Create a condon usage table(CUSP)程序分析计算草菇密码子使用频率,并将它与人、酵母、拟南芥、小鼠、斑马鱼、果蝇6个代表性物种及灰盖鬼伞、双孢蘑菇、香菇、平菇4个食用菌进行比较。结果显示草菇密码子偏好性与人、酵母、拟南芥、小鼠、斑马鱼、果蝇和平菇都有较大的差异,与灰盖鬼伞、双孢蘑菇、香菇的密码子偏好性差异较小。利用软件SPSS16.0聚类分析表明密码子偏好性差异大小在一定程度上反映物种间的进化关系,可作为研究物种进化关系的参考。首次以食用菌全基因组为分析对象,解析草菇的密码子偏好性,并将其与其他生物进行比较,这些将为不同来源的外源基因在草菇中的异源表达提供重要参考。     

鸟王茶基因密码子偏好性分析

生物体中普遍存在密码子使用偏好性,这对基因的异源表达效率具有较大影响.本研究使用CodonW软件对鸟王茶(Camellia sinensis var.niaowangensis)转录本中1 856个编码氨基酸的基因密码子进行分析,计算其密码子相对使用度,确定了27个最优密码子,并发现最优密码子大多以A或U结尾.通过ENC-GC3关联分析及PR2-plot偏倚分析,发现鸟王茶密码子使用模式受到突变和选择等多种因素的影响.与其他物种对比发现,鸟王茶密码子偏好性与其他物种存在不同程度的差异,其中与杨树及烟草差异最小.由于密码子具有通用性,分析结果对通过重建密码子提高茶树基因在其他植物中的表达效率从而验证鸟王茶基因功能具有一定意义.     

趋化因子及其受体基因家族的系统进化分析

通过分析现有的趋化因子和趋化因子受体的氨基酸序列,用距离法和最简约法构建了聚类图,探讨了趋化因子和趋化因子受体基因家族的系统演化特征。可见基因家族成员的分化早于脊椎动物的分化。不同物种的同一种基因的聚类关系能较好地反映物种经因子受体的进化速度不同,其中ＣＸＣＲ４的进化速率最低。趋化因子和趋化因子受体可能都起源于少数几个原始的基因,病毒编码与寄主相似的趋化因子或受体是进化过程中分子模拟的结果。     

马尾松叶绿体基因组密码子偏好性分析

密码子偏好性(codon usage bais, CUB)是指生物体中编码同一种氨基酸的同义密码子的非均衡使用现象。本研究以35对引物获得的马尾松叶绿体全基因组为研究对象,利用CodonW、CAT1.3、EMBOSS等软件对马尾松叶绿体基因组中45条编码序列(coding sequences, CDS)进行了CUB分析,并将之与火炬松、北美鹅掌楸、杉木、雪松以及拟南芥等的叶绿体基因组CUB进行比较分析。分析显示,参试物种的叶绿体基因组都偏好以AT碱基结尾的密码子,且不同物种的CUB的偏性程度不同;中性绘图分析、ENC-plot以及PR2-plot偏倚分析等均表明:马尾松叶绿体基因组CUB在密码子第三位点上A/G的使用频率较高,且受到了选择等因素的影响;利用叶绿体基因密码子RSCU值对参试物种进行聚类分析发现,亲缘关系较近的马尾松与火炬松、雪松聚为一类,三者具有类似的密码子使用模式,也说明叶绿体密码子偏好性与亲缘关系存在一定的相关性。因此,叶绿体基因组CUB研究可以为系统进化的相关研究提供相关依据。     

甜瓜蔗糖转化酶基因的密码子偏好性分析

以甜瓜蔗糖转化酶基因序列为材料,研究甜瓜蔗糖转化酶基因密码子偏好性,为改良甜瓜风味与品质提供理论依据。运用在线分析软件Codon W对甜瓜蔗糖转化酶的编码序列(Coding sequence,CDS)进行密码子分析,利用Mobyle在线工具分析同义密码子相对使用度(RSCU)、有效密码子数(ENC)、GC及GC1s、GC2s、GC3s含量。甜瓜蔗糖转化酶基因偏好于以A或T结尾的密码子。密码子ATT、GTT和AGA的RSCU值都大于1,属于共同偏好使用的密码子,而密码子GCG、CGG的RSCU值小于1,属于使用频率较低的密码子。发现密码子偏好性与亲缘关系的远近有一定的关系。要实现目的基因在外源表达系统中的成功表达和提高其表达量,可通过增加目的基因剂量,目的基因密码子优化,改善培养条件等方法实现,其中目的基因密码子优化起到了关键作用。     

茄腐镰孢(Fusarium solani)线粒体基因组密码子偏好性分析

密码子使用偏好性作为功能基因组重要的进化特征而被广泛报道,但是有关真菌线粒体基因组密码子使用偏好性的研究相对较少。本试验以茄腐镰孢线粒体基因组为研究对象,运用Codon W软件及RSCU在线软件对所筛选到的22条编码基因密码子3个位置上的GC含量、有效密码子数、同义密码子使用频率和最优密码子进行了分析。同时,确定了茄腐镰孢线粒体基因组的最优密码子,并探讨了影响密码子偏性形成的相关因素。分析结果表明,茄腐镰孢线粒体密码子3位的GC含量为GC1(32.7%)GC2(28.0%)GC3(19.7%),第3位GC含量明显小于第1、2位,表现出对以A或者T结尾的密码子发生较强烈的偏向使用;且确定的21个最优密码子中有20个以A或者T结尾。通过中性绘图及ENC分析得出茄腐镰孢线粒体基因组密码子的使用偏好受到选择作用和突变压力的共同影响,选择作用为主要影响因素。     

修正非齐次马尔可夫模型应用的研究

修正非齐次模型是在齐次模型和非齐次模型基础上提出的适用于蛋白质编码区的马尔可夫模型。此模型可以用来分析生物物种进化和基因突变,模型中的马尔可夫度与序列进化水平相关联,转移矩阵与基因突变相关联。本文通过比较7类不同物种-1度马尔可夫链的含量,验证了生物物种进化反映在密码子使用上的特征;通过密码子位点间转移矩阵的计算,分析了基因突变在密码子不同位点上发生的可能性。     

大肠杆菌gdhA基因的密码子偏好性分析及优化

本研究对10种生物的谷氨酸脱氢酶gdh A基因分别进行了针对单独生物的密码子使用偏好性的分析并进行了比较。分析结果表明:在10种生物中,gdh A基因在编码时对密码子的使用存在较大不同,水稻、痢疾杆菌、柠檬酸杆菌、大肠杆菌的有效密码子数(effective number of codons,ENc)值均在40左右,说明水稻、痢疾杆菌、柠檬酸杆菌、大肠杆菌的密码子使用偏好性较强;其余6种生物的ENc值均在50左右,差异并不大,说明其余6种生物的密码子偏好性要相对弱些。水稻、痢疾杆菌、柠檬酸杆菌、沙门氏菌、地衣芽孢杆菌和大肠杆菌这6种生物的gdh A基因在编码时偏好使用G或C结尾的密码子;玉米、大豆、蓖麻及拟南芥这4种生物的gdh A基因在编码时偏好使用A或T结尾的密码子。在10种生物中,密码子CUA、UAG的RSCU(relative synonymous codon usage)值均小于1,属于使用频率较低的密码子;其余各种密码子在不同生物中均表现出不同的偏好性。在聚类分析中,10种生物基于gdh A基因密码子用法与基于CDS序列的聚类结果大体一致。根据密码子分析的结果,对gdh A基因进行密码子优化,以期提高在大豆中的表达水平。     

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。     

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。     

Kunitz蛋白酶抑制剂基因的密码子偏好性分析

目的:分析豆科植物的Kunitz蛋白酶抑制剂(KTI)基因密码子偏好性,确定最适模式植物与外源表达系统。方法:运用Codon W等程序分析密码子偏好性,并用决明KTI基因验证分析结果的可信度。通过聚类分析,确定研究KTI基因功能的最适模式植物,比较决明KTI基因与酵母和大肠杆菌的基因组密码子偏好性,选择最优外源表达系统。结果:KTI基因对以A或U结尾的密码子偏好性强。豆科与茄科植物聚为一簇,表明烟草是研究KTI基因功能的最适模式植物。决明KTI基因和大肠杆菌、酵母基因组对比,有较大密码子使用频率差异的各有28、24个,表明酵母是最优外源表达系统。结论:确定研究KTI基因功能的最佳模式植物是烟草,酵母是最优外源表达系统,对基因改良与育种具有指导意义。     

蒙古牛BMPR-IB基因部分cDNA的克隆和序列分析

BMPR-IB基因主要在哺乳动物卵巢中表达,对卵泡的发育和分化起重要作用。该研究从影响卵巢生长发育和调控的BMPR-IB基因出发,以牛卵巢的RNA为模板,按照不同物种BMPR-IB基因的相似性设计特异引物,运用RT-PCR技术扩增并获得了特异片段,该片段经PCR、酶切和测序验证,证实所克隆序列为牛BMPR-IB序列,包含有953bp组成的部分cDNA序列,同源性分析结果表明,牛BMPR-IB基因序列与绵羊、山羊、人、猪、小鼠的BMPR-IB基因分别为98%、97%、92%、93%、88%的同源性。这为克隆其他物种的BMPR-IB基因提供了依据,同时牛骨形态发生蛋白的测序为更好地理解牛的生殖机理提供帮助。     

蕨类植物叶绿体基因ycf94的分子进化研究

ycf94基因是近年来在叶绿体基因组中新发现的一个基因,在蕨类植物中表现高度保守。该研究共选取94种蕨类植物,在系统发育背景下,对ycf94基因的结构特征、密码子偏好性、进化速率和适应性进化进行分析。结果表明, ycf94基因的密码子偏好性较弱,偏好使用以A/U结尾的密码子,且不同物种间的偏好性存在一定差异。密码子偏好性的形成主要受到突变压的影响,同时也存在其他因素的作用;基于凤尾蕨科和其他蕨类中ycf94基因的结构特征存在区别,对两者的分子替换速率进行了比较,表明颠换率、非同义替换率和ω值间存在显著差异;仅检测出1个正选择位点74A,强烈的负选择作用表明ycf94基因的结构和功能基本趋于稳定。这为蕨类系统发育分析提供了新依据,并提供了解析ycf94基因功能的线索。     

思茅松叶绿体基因组密码子偏好性分析

密码子偏好性(codon usage bias)是指同义密码子的使用频率不同的现象,该现象广泛存在于植物中.本研究利用Codon W 1.4.2和CUSP软件分析思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis)叶绿体基因组的45条CDS,结果显示思茅松叶绿体基因组密码子第三位碱基的GC含量为29.63％,偏好以AT碱基结尾;ENC值在37.66～60.30之间,且ENC值＞45的CDS有37个,占总参试基因的82.22％;GC1、GC2、GC3与GCall均为极显著相关,GC3与ENC呈显著相关.中性绘图分析显示GC12和GC3的相关系数为-0.1114,回归系数为-0.1111;ENC-plot软件分析显示大部分基因与标准曲线的距离较远;PR2-plot软件分析显示思茅松叶绿体基因组在密码子的碱基使用频率方面,T＞A,G＞C.这些说明思茅松叶绿体基因密码子偏好性的主要影响因素为选择,突变的作用较小.本研究为思茅松种源选择、系统发育等研究提供科学依据.