鸡基因组差异表达基因翻译起始密码子上下游序列的比较研究

翻译起始调控是基因表达调控的一个关键步骤之一。本文以鸡为研究材料,比较研究了鸡基因组高表达基因和低表达基因翻译起始密码子上下游的碱基序列差异,旨在寻找影响鸡基因表达水平的特异性调控位点。全部3 020个单剪接基因完整的mRNA序列及有详细注释的5＇UTRs序列从Ensembl下载。编写计算机程序,读取每个基因mRNA起始密码子上下游各位点的碱基。研究发现,起始密码子上游-3、-2位点可能是鸡基因组基因表达起始密码子正确识别的关键位点。起始密码子上下游的碱基组成分析发现,高表达基因和低表达基因起始密码子的上游均倾向使用（G＋C）,高表达基因的使用偏倚尤为强烈。序列差异比较发现,高表达基因在-9、-6、-3、＋4位点显著偏向G,在-1、-2、-4、-5位点显著偏向C。低表达基因起始密码子上游使用A、U的频率显著高于低表达基因。在-19位点强烈偏向A,在＋1、＋11、＋14位点强烈偏向U。     

斑翅草螽线粒体基因组序列测定与分析

已经测定的昆虫线粒体基因组中, 直翅目草螽亚科的疑钩额螽Ruspolia dubia线粒体控制区长度最短, 仅70 bp。为此, 本研究采用L-PCR结合二次PCR扩增策略对另一种草螽亚科昆虫斑翅草螽Conocephalus maculates线粒体基因组序列进行了测定。序列注释发现: 斑翅草螽线粒体基因组序列全长15 898 bp, A+T含量为72.05%, 基因排列与典型的节肢动物线粒体基因组一致。全部蛋白质编码基因以典型的ATN作为起始密码子, 9个蛋白质编码基因具有完整的终止密码子, 其余4个以不完整的T作为终止信号。除trnS^AGN外, 其余21个tRNAs均可折叠形成典型的三叶草结构, 依照Steinberg等(1997)线粒体特殊tRNA结构类型-9, trnS^AGN的DHU臂形成一个7 nt环, 反密码子臂则长达9 bp, 含1个突起碱基, 而不是正常的5 bp。斑翅草螽与其他直翅目昆虫线粒体基因组的主要区别在于, 在trnS^UCN和nad1, nad1和trnL^CUN基因间各存在一段罕见的、大段的基因间隔序列, 长度分别为78 bp和360 bp。其中, 位于nad1和trnL^CUN之间的基因间隔序列N链可形成一个包含完整起始、终止密码子(ATT/TAA)、编码103个氨基酸的未知开放阅读框。同义密码子使用偏好与线粒体基因组编码的tRNA反密码子匹配情况无关, 但与密码子第3位点的碱基组成紧密相关; 相对密码子使用频率(relative synonymous codon usage, RSCU)大于1的密码子, 其第3位点全部是A或T。在已经测定的直翅目昆虫线粒体基因组tRNAs中, 均存在一定数量的碱基错配, 且以G-U弱配对为主, 表明G-U配对在线粒体基因组中可能是一种正常的碱基配对形式。本研究测定的斑翅草螽线粒体基因组序列, 和先前已经测定的直翅目线粒体基因组序列一起, 可以为重建直翅目的进化历史提供数据资源。     

杨树派间不同种的遗传密码子使用频率分析

遗传密码子的简并性特征造成了不同物种使用的密码子存在偏爱性。了解不同物种的密码子使用特点,可以为外源基因导入过程中的基因改造提供依据,从而实现外源基因的高效表达。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。本研究采用高频密码子分析法,对美洲山杨P.tremuloides,毛白杨P.tomentosa,美洲黑杨P.deltoids和毛果杨P.trichocarpa 4种杨树的蛋白质编码基因序列(CDS)进行了分析,计算出了杨树同义密码子相对使用频率(RFSC),确定了4种杨树的高频率密码子,发现虽然不同种类的杨树密码子使用上有一些差别,但是偏爱密码子的差别却很小,共性的密码子占绝大多数。仅有Pro,Thr和Cys等少数几个氨基酸的偏爱密码子有差别。这种“共性”提示我们,用不同种的杨树中任何一种杨树的偏爱密码子所设计的外源基因在其他杨树中也可以使用。     

人类基因同义密码子偏好的特征以及与基因GC含量的关系

对人类的728个基因,按其编码区中GC的含量分成四组(从GC＜0.43到GC＞0.58),分别考察了这四组样本对同义密码子偏好的特征,发现在全部样本中都呈现NTG(N代表四种碱基中的任一种)特受偏爱和NCG尽量避免的特征.基因环境中GC含量与C3/G3含量(密码子第三位C和G的含量)的相关分析,以及四组样本对密码子的偏好都支持以C结尾的密码子在编码中有特殊的优势,这种优势有利于保证翻译的准确性.还考察了各种氨基酸含量随编码区GC含量不同而变化的趋势.     

棉铃虫核多角体病毒lef—3基因的序列分析

在棉铃虫核多角体病毒 (HelicoverpaarmigeraSingle nucleocapsidNucleopolyhedrovirus ,HaSNPV)基因组中发现了lef 3基因 ,该基因位于病毒基因组的BamHⅠ F片段上 ,全长 114 0bp ,编码 379个氨基酸 ,预计蛋白质分子量为 4 4kD ,启动子区具有TATAbox ,位于起始密码子ATG上游 4 0～ 4 3nt处 ,在终止密码子下游具典型的 poly(A)终止信号AATAAA。并且在它的氨基酸序列的N -端也具有一个类似SSB保守序列的基元结构     

陆地棉线粒体nad6基因mRNA无常规终止密码子

植物线粒体nad6基因编码NADH（还原型辅酶Ⅰ）脱氢酶第6亚基,前期研究发现,该基因可能与棉花细胞质雄性不育相关,但该基因的转录情况尚不清楚.本研究利用PCR测序、Southern印迹方法发现,陆地棉线粒体基因组（mtDNA）中nad6基因长621 bp,且为单拷贝. RT-PCR及环化RT-PCR分析发现,其mRNA在终止密码子前-14或-15 nt处提前终止|虽然该基因mRNA编码区存在12处RNA编辑（C-U）位点,但并未产生新的替代的终止密码子|基因mRNAs尾端poly（A）处含有0、1、2或4个“A”,也并未与前方相邻碱基凑成新的终止密码子,即：该基因mRNA无常规终止密码子（UGA,UAG,UAA）.本研究结果提示,棉花线粒体nad6基因mRNA很可能有其它的终止密码子.针对这种情况对植物线粒体如何翻译无常规终止密码子的mRNA进行了讨论.     

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。     

黄毛纺蚋线粒体基因组全序列测定与分析

利用PCR步移法对黄毛纺蚋的线粒体基因组全序列进行了测定和分析。黄毛纺蚋线粒体基因组全长15904 bp(Gen Bank序列号KP793690),包括13个蛋白编码基因、22个tRNA基因、2个rRNA基因以及长度为939 bp的非编码区。A、T、C、G碱基含量分别为39.1%、35.8%、10.4%、14.7%。9个蛋白编码基因和14个tRNA基因在J链编码,其余4个蛋白编码基因和8个tRNA基因在N链编码,基因排列顺序与其它已知双翅目昆虫相同。13个蛋白编码基因中除COI以TTG作为起始密码外,其余蛋白质基因均以ATN作为起始密码子,终止密码子多数为典型的TAA、TAG,只有COI和ND4L以单独的T作为终止密码子。在所测得的22个tRNA基因中,除tRNASer(AGN)缺少DHU臂外,其余tRNA均能形成典型的三叶草结构。     

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。     

5’UTR中AUG的分布及其对翻译起始的影响

以细菌和古菌基因组5′ UTR序列作为研究对象,分析在5′ UTR 的3个不同阅读框架中三联体AUG的分布,发现无论是细菌还是古菌基因组都在阅读框1中有非常明显的AUG缺失(depletion)。AUG的缺失表明在起始密码子上游的AUG很可能会对基因的翻译起始产生影响。分析得知：绝大部分的AUG都是以uORF(upstream open reading frame)的形式出现的,uAUG(upstream AUG)的数量很少,特别是在阅读框1中,而且在细菌基因组的阅读框1中uAUG较多地出现在了含有SD序列的基因上游。比较发现,uAUG引导的序列在同义密码子使用上的偏好性较真正的编码序列差,这可能表明细菌和古菌在同义密码子使用上的偏好性也是决定基因准确地翻译起始的重要因素之一。     

圆红冬孢酵母的密码子用法分析

运用CodonW等软件,分析了圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides基因组中191个蛋白质编码基因的密码子使用模式,包括密码子3个位置上的GC含量、有效密码子数和密码子使用频率。圆红冬孢酵母有效密码子数ENc值为38.9,密码子GC含量为63%,密码子第三位GC含量为78.3%,且偏好使用G或C结尾的密码子,确定了圆红冬孢酵母R. toruloides的21个高表达优越密码子。研究发现,圆红冬孢酵母与毕赤酵母、酿酒酵母、大肠杆菌和拟南芥在密码子使用频率上有较大差异,而与解脂耶氏酵母和果蝇差异相对较小。研究结果对提高外源基因在圆红冬孢酵母中表达效率及相关代谢工程和合成生物学研究有一定意义。     

密码子优化策略在异源蛋白表达中的应用

酶在医疗和生物药物方面有着广泛的应用,不仅可以用来治疗各种疾病,还在临床诊断和人体健康等方面有着重要的影响。利用微生物来表达异源蛋白已经成为获取酶最简单快速的方法。为获得高浓度和高质量的异源蛋白,常用的方法是对基因序列进行密码子优化。传统的密码子优化策略主要基于密码子偏好性和GC含量,忽略了翻译动力学和代谢水平等复杂多样的变化因素。文中从基因水平、转录水平、翻译水平、翻译后水平以及代谢水平等多方面考虑出发,提供了一个较为全面的密码子优化策略,主要包括密码子偏好性、密码子协调性、密码子敏感性、调整基因序列结构以及一些其他影响因素。同时对每种策略的内容、理论支持以及应用范围等方面作了全面的总结,并将各策略的优缺点进行了系统的比较,为异源蛋白表达提供了全方位、多层次、多选择的优化策略,也为酶工业和生物药物等方面提供参考。     

Variation in evolutionary processes at different codon positions

Evolutionary studies commonly model single nucleotide substitutions and assume that they occur as independent draws from a unique probability distribution across the sequence studied. This assumption is violated for protein-coding sequences, and we consider modeling approaches where codon positions (CPs) are treated as separate categories of sites because within each category the assumption is more reasonable. Such "codon-position" models have been shown to explain the evolution of codon data better than homogenous models in previous studies. This paper examines the ways in which codon-position models outperform homogeneous models and characterizes the differences in estimates of model parameters across CPs. Using the PANDIT database of multiple species DNA sequence alignments, we quantify the differences in the evolutionary processes at the 3 CPs in a systematic and comprehensive manner, characterizing previously undescribed features of protein evolution. We relate our findings to the functional constraints imposed by the genetic code, protein function, and the types of mutation that cause synonymous and nonsynonymous codon changes. The results increase our understanding of selective constraints and could be incorporated into phylogenetic analyses or gene-finding techniques in the future. The methods used are extended to an overlapping reading frame data set, and we discover that overlapping reading frames do not necessarily cause more stringent evolutionary constraints.     

Mutation-selection models of codon substitution and their use to estimate selective strengths on codon usage

Current models of codon substitution are formulated at the levels of nucleotide substitution and do not explicitly consider the separate effects of mutation and selection. They are thus incapable of inferring whether mutation or selection is responsible for evolution at silent sites. Here we implement a few population genetics models of codon substitution that explicitly consider mutation bias and natural selection at the DNA level. Selection on codon usage is modeled by introducing codon-fitness parameters, which together with mutation-bias parameters, predict optimal codon frequencies for the gene. The selective pressure may be for translational efficiency and accuracy or for fine-tuning translational kinetics to produce correct protein folding. We apply the models to compare mitochondrial and nuclear genes from several mammalian species. Model assumptions concerning codon usage are found to affect the estimation of sequence distances (such as the synonymous rate d(S), the nonsynonymous rate d(N), and the rate at the 4-fold degenerate sites d(4)), as found in previous studies, but the new models produced very similar estimates to some old ones. We also develop a likelihood ratio test to examine the null hypothesis that codon usage is due to mutation bias alone, not influenced by natural selection. Application of the test to the mammalian data led to rejection of the null hypothesis in most genes, suggesting that natural selection may be a driving force in the evolution of synonymous codon usage in mammals. Estimates of selection coefficients nevertheless suggest that selection on codon usage is weak and most mutations are nearly neutral. The sensitivity of the analysis on the assumed mutation model is discussed.     

Spectinomycin operon ofMicrococcus luteus: Evolutionary implications of organization and novel codon usage

Summary The complete DNA sequence of theMicrococcus luteus spectinomycin (spc) operon and its adjacent regions has been determined. The sequence has revealed the presence of genes that are homologous to those of theEscherichia coli ribosomal and related proteins, L14, L24, L5, S8, L6, L18, S5, L30, L15, and secretion protein Y (secY), and the gene for adenylate kinase (adk). The gene arrangement in the spc operon is essentially the same as that ofE. coli except for the absence in theM. luteus spc operon of the genes for S14 and X protein that exist in theE. coli spc operon.SecY andadk seem to be composed of another operon (adk operon) with at least an open reading frame. The deduced amino acid sequences for these ribosomal proteins are well conserved among the two species (40–65% identity). Reflecting the high genomic guanine and cytosine (GC) content ofM. luteus (74%), the codon usage of the genes is extremely biased toward use of G and C, about 94% of the codon third positions being G or C. Seven codons, AUA, AAA, AGA, UUA, GUA, CUA, and CAA, all of which have A at the codon third positions, are completely absent in theM. luteus genes examined. Out of 11 genes in theM. luteus spc and adk operons, 5 (10) use GUG (UGA) and 6 (1) use AUG (UAA) as an initiation (termination) codon.     

PICDI,a simple program for codon bias calculation

PICDI is a very simple program designed to calculate the Intrinsic Codon Deviation Index (ICDI). The program is available in Macintosh as well a PC format. Requirements for correct input of the sequences have been kept to a minimum and the analysis of sequences up to 2000 codons is very quick. The ICDI is very useful for estimation of codon bias of genes from species in which optimal codons are not known. The availability of a computer program for its calculation will increase its usefulness in the fields of Molecular Biology and Biotechnology.     

密码子偏性的分析方法及相关研究进展

密码子偏性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的现象,由于这一现象与遗传信息的载体分子DNA和生物功能分子蛋白质相关联,所以具有重要的生物学意义;本文概述了密码子偏性研究方面的基本理论和常用分析方法,归纳了密码子使用分析的常用软件和提供在线分析网站,介绍了与密码子偏性相关的生物学领域及最新的研究进展,并对深入研究进行展望。     

病毒密码子使用频率研究进展

密码子使用频率的研究多集中在自养生物中,对于寄生生物如病毒的研究相对较少,近些年的研究表明某些病毒基因的密码子使用频率和宿主细胞不完全匹配,密码子使用在病毒和宿主的相互作用中起了重要的作用。本对病毒密码子使用频率的特点,影响病毒密码子使用频率的因素,几种典型病毒的密码子使用特点和密码子使用频率研究的方法做了论述。     

Patterns of codon usage in two ciliates that reassign the genetic code: Tetrahymena thermophila and Paramecium tetraurelia

We used the recently sequenced genomes of the ciliates Tetrahymena thermophila and Paramecium tetraurelia to analyze the codon usage patterns in both organisms; we have analyzed codon usage bias, Gln codon usage, GC content and the nucleotide contexts of initiation and termination codons in Tetrahymena and Paramecium. We also studied how these trends change along the length of the genes and in a subset of highly expressed genes. Our results corroborate some of the trends previously described in Tetrahymena, but also negate some specific observations. In both genomes we found a strong bias toward codons with low GC content; however, in highly expressed genes this bias is smaller and codons ending in GC tend to be more frequent. We also found that codon bias increases along gene segments and in highly expressed genes and that the context surrounding initiation and termination codons are always AT rich. Our results also suggest differences in the efficiency of translation of the reassigned stop codons between the two species and between the reassigned codons. Finally, we discuss some of the possible causes for such translational efficiency differences.