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。     

红松查尔酮合成酶基因CHS密码子偏好性分析

查尔酮合成酶(Chalcone synthase,CHS)广泛存在于植物体内,是花色素形成过程中一种重要的酶,可以进一步催化生成黄酮类化合物。本研究采用Codon W和EMBOSS在线软件对红松查尔酮合成酶基因CHS的密码子使用偏好性进行分析,并与北美乔松等其他24种植物的CHS基因以及模式植物基因组进行比较,对认识红松CHS基因的密码子使用偏好性,为选择适宜的表达系统奠定了一定的基础。研究结果表明:红松CHS基因编码区的有效密码子数(ENC)和GC含量分别为48.92和0.548,C+G含量高于A+T含量,密码子偏好以A/T结尾;多数植物CHS基因的G+C含量高于A+T含量,且密码子更偏好C/G结尾;聚类分析表明,红松与马尾松和赤松的密码子使用偏好性的相似性较高;密码子使用频率研究发现,红松CHS遗传转化与异源表达较优的受体可能是大肠杆菌和拟南芥。     

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。     

拟密码子适应指数方法的设计及应用

密码子适应指数(codon adaptation index,CAI)测量的是生物体内某个基因所用密码子与高表达基因所用密码子的相符合程度,是反映密码子偏好性的一个重要指标。文章根据拟氨基酸编码方法首次提出拟密码子适应指数(quasi-codon adaptation index,Q-CAI)。首先,通过氨基酸编码方法,得到密码子使用具有偏好性,并运用MATLAB分析其碱基组成,发现醋酸菌、大肠杆菌和双歧杆菌的密码子偏好使用c/g结尾,GC整体含量也比较高。随后,利用CAI模型方法进一步证明密码子具有偏好性。最后,利用文中提出的Q-CAI方法,得到醋酸菌、大肠杆菌和酵母菌所有序列的Q-CAI运算结果,发现它们都比CAI运算结果数值更高、更明显,而且双歧杆菌、枯草杆菌和链球菌的Q-CAI运算结果也普遍比CAI运算结果数值高,说明Q-CAI方法能更有效地评价密码子偏好性。文中所使用的6个单细胞物种的90条序列是从NCBI中下载,分析结果说明了Q-CAI方法比CAI方法更具有优越性,是衡量密码子偏好性的有效方法,对研究物种的基因突变有重要参考意义。     

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。     

甘蔗属种及其近缘属种蔗茅的全基因组密码子偏好性分析

【目的】为解析甘蔗基因组的密码子使用特征,提高异源基因在甘蔗中的表达效率。【方法】以已发布的甘蔗属种（热带种LA-purple、割手密NP-X和AP85-441）及其近缘属种蔗茅（Yunnan2009-3）基因组为数据,利用Python、CodonW1.4.2进行密码子偏好性分析,同时通过中性绘图、ENC-plot、PR2-plot等分析探讨密码子偏好性形成的影响因素,并结合转录组测序数据分析密码子偏好性参数与基因表达水平的相关性。最后,基于RSCU均值与7个主要模式生物种（玉米、高粱、水稻、拟南芥、烟草、大肠杆菌、酿酒酵母）的密码子使用模式进行比较分析。【结果】显示热带种、割手密和蔗茅的基因组都富含GC,平均GC含量为56.3%,且GC3>GC1>GC2,倾向于使用以G/C结尾的密码子,平均ENC值为48.45,偏好性较低。中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析表明它们的密码子偏好性受到自然选择、突变压力等多种因素的共同影响,其中自然选择占主导作用。相关性分析表明密码子偏好性参数与基因实际的转录表达水平存在显著相关性,但相关性不强。根据RSCU和?RSCU值,确...     

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。     

落叶松-杨栅锈菌基因组密码子使用偏好分析

为了解落叶松‐杨栅锈菌密码子使用模式,并探究影响其密码子偏好形成的因素,本研究利用CondonW对落叶松‐杨栅锈菌标准菌株98AG31基因组中14 650个基因进行分析,计算基因的有效密码子数,及64个密码子的相对使用度等偏好性参数。结果表明,落叶松‐杨栅锈菌全基因组水平的密码子偏好程度较低,只有少数基因呈现出高偏好性。落叶松‐杨栅锈菌的高频密码子多以A或T结尾,而最优密码子则倾向以G或C结尾。PR2-plot分析及ENC-plot曲线与中性绘图分析显示,落叶松‐杨栅锈菌基因密码子使用模式受到选择压力和突变压力等多重因素的影响,相较于选择压力,落叶松‐杨栅锈菌基因密码子的偏好更多地受到突变压力的影响。相关性分析表明,密码子碱基组成会对密码子偏好性产生影响,其他因素如序列长度等均不会影响密码子偏好性。     

山羊BMPR-IB基因密码子偏好性及聚类分析

[目的]利用生物信息学分析山羊BMPR-IB基因密码子使用特征,对不同物种BMPR-IB基因通过不同的聚类方法进行分析。[方法]利用Usage Codon在线程序和Codon W软件分析山羊和其他物种BMPR-IB基因对密码子偏好性的使用情况,通过欧式平方距离和最小进化法分别进行聚类分析。[结果]山羊BMPR-IB基因无G/C碱基的使用倾向,GCC、CTG、CAG、CCC、AGA、AGT、GTG和TGA为山羊BMPR-IB基因的偏好密码子,其余53种密码子的使用较为均衡。通过最小进化法建立起来的不同物种间的系统发育分析结果与动物学分类一致,且不同物种BMPR-IB基因编码蛋白表达水平存在种属差异。[结论]BMPR-IB基因偏爱使用以A或T结尾的密码子,基于欧式距离系数建立起来的聚类和最大似然法构建的聚类不一致,造成这种差异的原因可能是在进化过程中单基因突变所引起的。     

亚心型扁藻叶绿体psbA基因的克隆及序列分析

psbA基因是叶绿体基因组中一个重要的光调控基因,编码光和系统Ⅱ反应中心的D1蛋白。根据叶绿体基因组序列高度保守的特性,利用菜茵衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）psbA基因的保守序列（基因登录号：HQ667991．1）设计引物,采用PCR步移的方法从亚心型扁藻（Platymonassubcordiformis）基因组DNA中克隆到psbA基因全长（基因登录号：KF528742）。序列分析表明,亚心型扁藻psbA基因全长1939bp,编码区长度为1062bp,推导编码353个氨基酸,包括4个赖氨酸残基。有效密码子数显示脚删基因具有明显的密码子偏好性,并且偏好使用以A／T结尾的密码子。相对同义密码子使用度表明25个密码子在编码使用时具有偏好性,其中20个密码子以A／T碱基结尾,占到80％。其终止密码子使用了TAG。     

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。     

茶树CBF1基因密码子使用特性分析

转录因子CBF(C-repeat-binding factor)广泛存在于各种植物中, 是植物抗逆过程中一个重要的调节因子。文章运用CHIPS、CUSP和CodonW在线程序对茶树(Camellia sinensis)CBF1基因(CsCBF1)序列进行分析, 并与茶树基因、模式植物基因组和其他植物CBF基因进行比较, 对了解CsCBF1基因密码子使用特性, 并为其选择合适的表达系统具有重要意义。结果表明：CsCBF1基因与70个茶树基因对密码子的使用有明显的差异, CsCBF1基因偏好使用以G/C结尾的密码子, 而筛选的70个茶树基因偏好使用以A/T结尾的密码子。在密码子使用频率上, CsCBF1基因与拟南芥(Arabidopsis thaliana)、烟草(Nicotiana tobacum)的差异小于与小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)的差异; 因此, 拟南芥、烟草更适合作为CsCBF1基因的外源表达宿主。通过分析40种植物CBF基因编码特点可知大部分CBF基因偏好使用以G/C结尾的密码子, 这可能与基因的特殊功能有关。     

两种茶树全基因组数据的密码子偏好性比较分析

研究密码子偏好性有利于提高两种茶树外源基因表达水平及探讨遗传进化规律。该研究综合运用CodonW 1.4.2、SPSS 22.0软件以及Perl、Python语言,系统分析两种茶树基因组CDS序列,从而得出密码子偏好模式和高频密码子,明确密码子使用的变异来源。结果表明:两种茶树基因组的密码子偏好性主要受突变压力影响,在一定程度上也受到自然选择等因素的影响;两种茶树基因组倾向于使用以A/T结尾的密码子,且它们在密码子使用模式上具有较高的相似性;"云抗10号"(Camellia sinensis var. assamica, CSA)茶树基因的异源表达受体优先选择拟南芥、毛果杨和烟草,"舒茶早"(Camellia sinensis var. assmica, CSS)茶树基因的异源表达受体首选毛果杨。上述结果为分析两种茶树的进化规律、提高它们基因组中的基因异源表达效率提供了重要依据。     

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。     

桃儿七叶绿体比较基因组学分析

为探究桃儿七(Sinopodophyllum hexandrum)不同叶绿体基因组特征,本研究以桃儿七5个叶绿体基因组为研究对象,借助生物信息学工具进行基因组图谱构建、重复序列分析、密码子偏好分析、反向重复序列区(inverted repeat, IR)/单拷贝区(single-copy, SC)边界分析、基因组序列比较分析及系统发育分析。结果表明:桃儿七5个叶绿体基因组全长为157 203–157 940 bp,为典型的叶绿体四分体结构,共注释出133–137个基因,说明桃儿七叶绿体基因组具有多样性。桃儿七不同叶绿体基因组简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)位点不同,单核苷酸A/T占主要优势,散在重复序列包括正向重复、回文重复和反向重复3类。密码子偏好分析显示有效密码子(effective number of codon,ENc)值为51.14–51.17,密码子偏好性弱,GC与GC3s所占比例小于50%,密码子偏向使用A和U碱基并且以A和U碱基结尾。桃儿七5个叶绿体基因组IR/SC边界和基因组序列均比较保守。系统发育分析结果表明桃儿七和北美桃儿七亲...     

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。     

黑莓RuTT12-1基因密码子偏好性分析

MATE家族(multidrug and toxin efflux)成员TT12(TRANSPARENT TESTA 12)广泛存在于植物当中,是植物花青素苷和原花青素由细胞质转运至中央液泡过程中一个重要的转运蛋白。文章利用CUSP和Codon W在线程序对黑莓(Rubus spp.)TT12基因(Ru TT12-1)序列进行分析,并与模式植物基因组和其他植物TT12基因进行比较,对了解Ru TT12-1基因的密码子使用特性,并根据其特性选择合适的表达系统具有重要的意义。结果表明:Ru TT12-1基因表达量不高,偏好使用以A/T结尾的密码子,且7种最优密码子也均以A/T结尾。在密码子的使用频率上,Ru TT12-1基因与拟南芥(Arabidopsis thaliana)、烟草(Nicotiana tobacum)的差异小于和玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)的差异,因此拟南芥和烟草更适合作为该基因的异源表达宿主。通过与35种植物TT12基因密码子偏好系数对比分析,大部分TT12基因偏爱使用以A/T结尾的密码子,这可能与其的功能有关。     

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。     

樟树叶绿体基因组密码子偏好性分析

为分析樟树(Cinnamomum camphora)叶绿体基因组密码子偏好性使用模式,该研究利用CodonW、EMBOSS、R语言等软件和程序,对53条樟树叶绿体基因组密码子使用模式及偏好性进行了系统分析。结果表明:樟树叶绿体基因的有效密码子数(ENC)在36.82～59.30之间,表明密码子的偏好性较弱。相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现RSCU>1的密码子有32个,其中28个以A、U结尾,表明第3位密码子偏好使用A和U碱基。中性绘图分析发现GC₃与GC₁₂的相关性不显著,回归曲线斜率为0.049,说明密码子偏好性主要受到自然选择的影响。ENC-plot分析发现大部分基因落在曲线的下方,同样表明选择是影响密码子偏好性的主要因素。该研究发现共有9个密码子(UUU、CUU、UCA、ACA、UAU、AAU、GAU、UGA、GGA)被鉴定为樟树叶绿体基因组的最优密码子。     

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。