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     

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。     

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EN...     

基因表达水平与同义密码子使用关系的初步研究

提出一个预测基因表达水平和同义密码子使用的自洽信息聚类方法。将同义密码子分成最适密码子、非最适密码子和稀有密码子,认为三者的使用频率是调控基因表达水平的主要因素。基于这一观点,对Ｅｃｏｌｉ和Ｙｅａｓｔ两类生物的基因表达水平和密码子的使用,用自洽信息聚类方法进行了预测。发现高低表达基因明显分开,基因表达水平被分为四级;甚高表达基因（ＶＨ）、高表达基因（Ｈ）、较低表达基因（ＬＭ）和低表达基因（ＬＬ）;     

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。     

转座因子对水稻同义密码子使用偏性的影响

利用635个包含完整转座因子插入的粳稻CDS序列,对转座因子如何影响基因编码区的碱基组成及基因的表达水平,进而对基因同义密码子的使用偏性产生影响进行了详细分析。结果表明:转座因子插入极显著地影响到基因编码区的同义密码子使用但并非唯一因素;转座因子对不同基因的表达水平具有多重影响,有的基因表达被抑制,有的反而增强,但总的来说它减少了基因表达水平对同义密码子使用的影响程度。     

香樟转录组基因密码子偏好性分析

为了解香樟基因密码子偏好性,该文以NCBI网站中香樟转录组数据为材料,利用生物信息学手段评价转录组数据质量,选取高质量数据的转录组,去除低质量序列,组装转录组,预测基因结构,再利用自编perl脚本提取以AUG开头的基因序列37 Mb序列34 931个基因,进一步利用CodonW分析基因密码子偏好性。结果表明:GC含量的变化范围为0.273～0.742,均值为0.452; ENC的范围为26.29～61.00,均值为52.76; CAI的范围为0.064～0.401,均值为0.199; RSCU值大于1的密码子数目为27个,其中以U或A结尾的有22个; 中性分析表明,小部分基因在对角线上,大多数基因偏离对角线; ENC-plot分析表明小部分基因在标准曲线上,大多数基因偏离标准曲线。上述研究结果表明,香樟基因的密码子偏好性比较弱,密码子常以A/U结尾; 突变和选择两者都在密码子偏好中起作用,而选择作用更大; 最终确定了GUU、CAG、GAA、UCU、GCU、GGU为最优密码子,通过对目标基因密码子的校正,提高表达效率,从而为利用基因工程技术改良香樟重要性状奠定了基础。     

同义密码子通过精微翻译选择机制实现对基因的表达调控

自然界中,同义密码子的存在使得众多氨基酸能够同时被多种密码子编码合成。随着研究的深入,同义密码子使用偏嗜性发挥出的生物学功能已经渗透到了基因复制、转录、翻译以及化学修饰等生命活动过程中。基于同义密码子使用偏嗜性的生物学特性,陆续发现密码子对(codon pair)和密码子共现(codon co-occurrence)同样在使用模式上存在明显的偏嗜性。在基因表达的过程中,针对编码序列的密码子优化能够显著提升基因的表达水平,这在生物工程领域对于蛋白表达有着重要的生物学意义。此外,同义密码子使用模式在调控基因转录、化学修饰以及翻译过程中间接控制着细胞内生命活动的有序性。而这些与同义密码子使用模式有着千丝万缕联系的生命过程主要是受精微翻译选择压力来调控运行的。本文中,我们结合当前同义密码子使用模式介导的精微翻译选择压力,简述密码子使用模式如何从转录、化学修饰以及翻译等方面来影响基因表达及蛋白产物生物学功能。这将为今后生物工程学领域如何优化蛋白高效表达以及深入研究重要生物学活动中基因表达调控提供可参考的思路与理念。     

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。     

人类1号、X、Y染色体基因密码子偏好性研究

随着人类基因组计划测序工作的完成,进一步数据挖掘工作已成为新的研究热点。根据人类1号、X、Y染色体数据,通过自编的Perl程序,提取3条染色体基因的CDS序列,利用密码子偏好性的理论及生物信息学方法分析其碱基组成特点和密码子使用模式,确定了偏好密码子和最优密码子,探讨影响其密码子用法的主要因素。结果表明:1)人类1号、X、Y染色体基因偏好使用以G或C结尾的密码子;2)密码子的使用受基因长度的影响,较长的基因具有较高的表达水平和密码子使用偏性;3)基因表达水平对人类1号、X、Y染色体基因的密码子使用没有影响,暗示了这3条染色体并未承受翻译选择的压力;4)人类1号、X、Y染色体基因共有32个偏好性密码子,其中编码Arg的AGG和AGA、编码Val的GTG、编码Leu的CTG、终止密码子TAG为最优密码子。     

The Codon Statistics Database: A Database of Codon Usage Bias

We present the Codon Statistics Database, an online database that contains codon usage statistics for all the species with reference or representative genomes in RefSeq (over 15,000). The user can search for any species and access two sets of tables. One set lists, for each codon, the frequency, the Relative Synonymous Codon Usage, and whether the codon is preferred. Another set of tables lists, for each gene, its GC content, Effective Number of Codons, Codon Adaptation Index, and frequency of optimal codons. Equivalent tables can be accessed for (1) all nuclear genes, (2) nuclear genes encoding ribosomal proteins, (3) mitochondrial genes, and (4) chloroplast genes (if available in the relevant assembly). The user can also search for any taxonomic group (e.g., “primates”) and obtain a table comparing all the species in the group. The database is free to access without registration at http://codonstatsdb.unr.edu.     

毕赤酵母的密码子用法分析

通过分析Pichia pastoris的28个蛋白编码基因的同义密码子使用情况并计算该酵母的密码子用法,首次确定出P.pastoris的19个高表达优越密码子。这些结果经与已知的Saccharomyces cerevisiae及Kluyveromyces lactis的密码子用法基本相似,但在氨基酸谷氨酸的密码子选择上截然相反,提示这可能属于P.pastoris所偏爱的密码子用法。     

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。     

An Evaluation of Measures of Synonymous Codon Usage Bias

Synonymous codons are not generally used at equal frequencies, and this trend is observed for most genes and organisms. Several methods have been proposed and used to estimate the degree of the nonrandom use of the different synonymous codons. The estimates obtained by these methods, however, show different levels of both precision and dispersion when coding regions of a finite number of codons are under analysis. Here, we present a study, based on computer simulation, of how the different methods proposed to evaluate the nonrandom use of synonymous codons are affected by the length of the coding region analyzed. The results show that some of these methods are heavily influenced by the number of codons and that the comparison of codon usage bias between coding regions of different lengths shows a methodological bias under different conditions of nonrandom use of synonymous codons. The study of the dispersion of the estimates obtained by the different methods gives, on the other hand, an indication of the methods to be applied to compare values of codon usage bias among coding regions of equivalent length. Received: 10 September 1997 / Accepted: 23 March 1998     

嗜热泉生古细菌及其他泉古菌同义密码子使用偏向性分析

比较分析了嗜热泉生古细菌(Aeropyrum pernix K1)和其他两种系统发育相关的泉古菌[嗜气菌(Pyrobaculum aerophi-lumstr.IM2)和嗜硫菌(Sulfolobus acidocaldarius DSM 639)]的同义密码子使用偏向性。结果表明嗜热泉生古细菌(Aeropyrum pernix K1)的密码子偏向性很小,并且与GC3S成高度的相关性。这3种泉古菌的密码子使用模式在进化上很保守。与基因的功能对密码子使用的影响相比,这些泉古菌密码子的使用偏向性更是由其物种所决定的。嗜热泉生古细菌(A.pernix K1),嗜气菌(P.aerophilum str.IM2)和嗜硫菌(S.acidocaldarius DSM 639)生存在不同的极限环境中。推测正是这些极限环境决定了这些泉古菌的密码子使用偏向性模式。此外在这些泉古菌的基因组中并没有发现其正义链和反义链的密码子使用偏向性差别。嗜热泉生古细菌(A.pernix K1)和嗜硫菌(S.acidocaldarius DSM 639)的密码子偏向性程度与基因表达水平有高度的相关性,而嗜气菌(P.aerophilum str.IM2)的基因组并没有发现这种规律。     

Universal Pattern and Diverse Strengths of Successive Synonymous Codon Bias in Three Domains of Life, Particularly Among Prokaryotic Genomes

There has been significant progress in understanding the process of protein translation in recent years. One of the best examples is the discovery of usage bias in successive synonymous codons and its role in eukaryotic translation efficiency. We observed here a similar type of bias in the other two life domains, bacteria and archaea, although the bias strength was much smaller than in eukaryotes. Among 136 prokaryotic genomes, 98 were found to have significant bias from random use of successive synonymous codons with Z scores larger than three. Furthermore, significantly different bias strengths were found between prokaryotes grouped by various genomic or biochemical characteristics. Interestingly, the bias strength measured by a general Z score could be fitted well (R = 0.83, P < 10⁻¹⁵) by three genomic variables: genome size, G + C content, and tRNA gene number based on multiple linear regression. A different distribution of synonymous codon pairs between protein-coding genes and intergenic sequences suggests that bias is caused by translation selection. The present results indicate that protein translation is tuned by codon (pair) usage, and the intensity of the regulation is associated with genome size, tRNA gene number, and G + C content.     

籼稻品种93-11同义密码子的使用偏性

利用籼稻品种93－11的全基因组序列及相应的EST数据,对影响同义密码子用法的若干因子进行了详细分析。指出93－11基因的表达水平（mRNA丰度）与3个同义密码子偏性指标CAI、CPP和ENC相关极显著（r=0.227^**,0.145^**和-0.147^**),表明高表达的基因其同义密码子非随机使用的程度越大;基因长度与CAI和CPP极显著负相关（r=-0.413^**和-0.480^**),与ENC极显著正相关（r=0.210^**),暗示较短的基因具有更高的转录活性;编码区G＋C含量对其同义密码子偏性的贡献率远高于mRNA丰度和基因长度,G＋C含量与CAI、CPP和ENC相关系数分别高达0.877^**,0.832^**和-0.740^**;起始编码区内A、T、C、G4种碱基呈明显的3周期振荡,尤以ATG下游第一个密码子所在的3个位点（＋4、＋5和＋6）偏置最强烈,由此认为在这3个特殊位点有较高的自然选择压存在;93－11中25个最优密码子的首次确定将对水稻转基因具有指导意义。     

Codon usage bias: causative factors,quantification methods and genome‐wide patterns: with emphasis on insect genomes

Codon usage bias refers to the phenomenon where specific codons are used more often than other synonymous codons during translation of genes, the extent of which varies within and among species. Molecular evolutionary investigations suggest that codon bias is manifested as a result of balance between mutational and translational selection of such genes and that this phenomenon is widespread across species and may contribute to genome evolution in a significant manner. With the advent of whole‐genome sequencing of numerous species, both prokaryotes and eukaryotes, genome‐wide patterns of codon bias are emerging in different organisms. Various factors such as expression level, GC content, recombination rates, RNA stability, codon position, gene length and others (including environmental stress and population size) can influence codon usage bias within and among species. Moreover, there has been a continuous quest towards developing new concepts and tools to measure the extent of codon usage bias of genes. In this review, we outline the fundamental concepts of evolution of the genetic code, discuss various factors that may influence biased usage of synonymous codons and then outline different principles and methods of measurement of codon usage bias. Finally, we discuss selected studies performed using whole‐genome sequences of different insect species to show how codon bias patterns vary within and among genomes. We conclude with generalized remarks on specific emerging aspects of codon bias studies and highlight the recent explosion of genome‐sequencing efforts on arthropods (such as twelve Drosophila species, species of ants, honeybee, Nasonia and Anopheles mosquitoes as well as the recent launch of a genome‐sequencing project involving 5000 insects and other arthropods) that may help us to understand better the evolution of codon bias and its biological significance.     

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。     

植物KCO基因密码子使用特性

以植物钾离子外排通道（K’channeloutward．rectifier,KCO）基因为研究对象,运用CodonW软件分析了75个植物KCO基因密码子的使用模式,探讨密码子的使用模式和影响密码子使用的各种可能因素。结果表明：碱基组成差异（r=0．961,P〈0．01）和自然选择（r=0．568,P〈0．01）是影响密码子使用的主要因素,并且高表达的基因强烈偏爱使用以G或C结尾的密码子。确定了UUC、CUC等26个均以G／C结尾的密码子为植物KcD基因的高表达优越密码子。