遗传密码子使用频率的统计程序及其实际应用

本文设计了一种用于统计遗传密码子使用频率进行的Foxbase程序,即应用该程序对近年来在我国报道了全序列测定结果的若干重要基因的密码子的使用情况进行了统计分析,效果良好.     

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。     

SARS冠状病毒的密码子偏爱性分析

为了分析SARS(Severe Acute Respiratory Syndrome)冠状病毒的密码子偏爱性(codon preference),为SARS冠状病毒基因表达中宿主系统的选择提供参考。运用EMBOSS(The European Molecular Biology Open Software Suite)的CHIPS(Codon Hetemzygosity in a Protein-codingSequence)和CUSP(Create a eodon usege table)程序对SARS冠状病毒的6个编码蛋白的基因进行分析,并将这6个编码序列拼接在一起进行全基因组的密码子偏爱性分析。分析结果与大肠杆菌、酵母及人的密码子偏爱性进行比较。结果显示SARS冠状病毒的CHIPS分析Nc(effective number of codons)值为53．338,S、E、M、N蛋白、3CL水解酶、RNA聚合酶的Nc值分别为45．733,61．000,59．040,46．618,46．924,51．902。编码SARS冠状病毒A,P,R,S,T,L等氨基酸的不同密码子使用频率有较大差异。大肠杆菌有25个、酵母有12个、人有20个密码子与SARS冠状病毒密码子使用偏爱性差异较大．因此可以得出结论：编码SARS冠状病毒氨基酸的密码子出现的频率较均一。SARS冠状病毒的密码子偏爱性与真核生物较接近,与原核生物相差较远,其基因表达选择在酵母等真核系统可能更为合适。     

痘苗病毒基因组密码子使用频率分析

密码子使用的差别是普遍存在的现象,每一个密码子被某些生物偏爱,而在另一些生物中则很少使用.以往这方面的研究多集中在自养生物中,而对纯寄生的病毒本身及其与宿主细胞基因密码子使用频率关系的研究则很少.分析痘苗病毒哥本哈根株189个基因的密码子使用频率发现:总体上痘苗病毒偏爱使用以A/U为结尾的密码子;基因的异质性不强,没有影响密码子使用的主要趋势;在不同转录方向上和表达时相上,基因密码子使用略有不同;不同功能的基因其密码子使用上差别较大;晚期基因比早期基因与宿主密码子使用频率的差别大.上述结果表明:密码子是影响病毒和细胞相互作用、保证其自身生存的重要机制.     

五个鸡群中催乳素基因密码子使用频率与产蛋量的关系分析

通过鸡催乳素基因编码区基因扫描,发现3个SNP位点,分别是外显子2的C1607T、外显子5的C5749T和T5821C,3个SNP均没有改变氨基酸的编码.同时发现不同的单倍型间存在不同的密码子使用频率.对5个鸡群共370只鸡进行SSCP的基因型检测,共发现7种单倍型,结合44周龄产蛋量分析,发现不同单倍型的平均产蛋量存在显著性差异.结合密码子使用频率分析,发现使用高频密码子的单倍型个体产蛋量相对高.通过酶联免疫方法检测催乳素表达量,结果显示,使用高频密码子的个体,激素水平较高,其中使用2个高频密码子的单倍型个体和使用1.5个密码子的单倍型个体之间存在极显著差异.研究结果表明,密码子使用频率与产蛋量在一定的范围内呈现正相关趋势.     

拟南芥基因密码子偏爱性分析

密码子偏爱性对外源基因的表达强度有一定影响,特别是编码蛋白质N端7～8个氨基酸残基的密码子.通过对拟南芥染色体中26 827个蛋白质对应的基因密码子进行分析,得到了编码氨基酸的61种密码子在拟南芥中的使用频率,并与大肠杆菌和哺乳动物进行了比较,结果表明三者间的密码子偏爱性有较大差异.这一分析结果对于动物基因在植物中的表达,及植物基因在微生物中的表达具有一定指导意义.同时提供了一种直接以XML文档为数据源解析巨型XML格式染色体数据的方法.     

不同PRRSV毒株间ORF1a基因密码子偏爱性差异分析

运用CodonW、ClustalX、TreeView软件及EMBOSS（,rIleEuropean MolecularBiologyOpenSoftwareSuite）、CIMMiner在线分析软件对选取的29株PRRSVORFla基因进行密码子偏爱性聚类分析．CAI、CBI、Fop、Nc、GC3s和GC含量、基因长度等相关性分析显示PRRSV各毒株编码的ORFla基因密码子偏爱性各有差异,其中Lelystadvirus、LV4-2．1、VR-2332、RespPRRSMIV与国内分离的高致病性PRRSV变异株之间差异较大．密码子使用概率聚类分析表明CC．1、NVSL．97．7895、CH—1a、RespPRRSMLV、LV4．2．1、Lelystadvirus与高致病性PRRSV变异株距离较远．而国内分离株相互间的聚类距离则较接近。此结果与基于氨基酸序列比对构建的系统进化树图谱基本一致．由此可见．PRRSV病毒ORF1a基因密码子使用偏爱性的差别与病毒的遗传多样性密切相关．     

大肠杆菌基因中密码对使用的规律

为了探讨基因组序列的非随机性对密码对使用的影响程度,揭示依赖上下文的密码对偏爱性(CDCB)可能存在的规律,本文主要对大肠杆菌基因组中密码子及其紧邻密码子(密码对)偏爱作了全面的统计分析。结果发现85%的密码子在其紧邻密码子位点有显著依赖上下文的密码对偏爱性,通过密码对与全序列六联体(三联体对)的相对丰度比较发现,大约35%的密码对偏好性不能用基因组的序列组分来解释。当密码子第二和第三位点核苷酸相同,且紧邻密码子相同时,它们的相对丰度有显著相关性。结果表明我们的数据支持依赖上下文的密码子偏好的主要原因是蛋白质合成精确性选择的假设,即本文结果揭示了依赖上下文的密码对偏好性可能存在的规律,从而为今后进一步研究大肠杆菌基因组中密码对使用偏好性提供参考。     

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。     

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...     

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.     

葡萄基因组密码子使用偏好模式研究

根据完整基因组序列,运用多元统计分析和对应分析的方法,探讨了葡萄全基因组序列密码子的使用模式和影响密码子使用的各种可能因素。结果显示:葡萄密码子偏好性主要受到碱基差异(r=0.925)和自然选择(r=0.193)共同作用的影响,突变压力占了主导因素,自然选择的作用较小。同时基因长度和蛋白质疏水性也对密码子的偏好性有所影响。确定了葡萄的20个最优密码子。     

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。     

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.     

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。     

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。     

Codon Usage Database自动寻错平台CUDer的组建与应用

密码子用法数据库(CUD)是密码子用法与密码子优化研究领域的一个重要的在线服务,为了找出该数据库中潜在的两种不再适用的记录,即已过期的陈旧记录和在遗传密码类型上实际无法有效支持的记录(简称不支持记录),本文通过结合前期自主研发的两个软件BestCodon与CUDassist,组建了CUD自动寻错平台CUDer,并应用于上述问题的研究。结果发现,CUD中存在317条陈旧记录与4条不支持记录。对于陈旧记录,这些记录的物种分类号在NCBI中已发生变更,研究者应该避免使用这些记录的相关数据;对于不支持记录,本文借助CUDer计算得到这些记录正确的密码子用法表(CUT),弥补了当前CUD的不足。此外,该平台也为面向CUD的自动化数据处理,提供了一个新的软件框架,具有一定的借鉴意义。     

Inferring Adaptive Codon Preference to Understand Sources of Selection Shaping Codon Usage Bias

Alternative synonymous codons are often used at unequal frequencies. Classically, studies of such codon usage bias (CUB) attempted to separate the impact of neutral from selective forces by assuming that deviations from a predicted neutral equilibrium capture selection. However, GC-biased gene conversion (gBGC) can also cause deviation from a neutral null. Alternatively, selection has been inferred from CUB in highly expressed genes, but the accuracy of this approach has not been extensively tested, and gBGC can interfere with such extrapolations (e.g., if expression and gene conversion rates covary). It is therefore critical to examine deviations from a mutational null in a species with no gBGC. To achieve this goal, we implement such an analysis in the highly AT rich genome of Dictyostelium discoideum, where we find no evidence of gBGC. We infer neutral CUB under mutational equilibrium to quantify “adaptive codon preference,” a nontautologous genome wide quantitative measure of the relative selection strength driving CUB. We observe signatures of purifying selection consistent with selection favoring adaptive codon preference. Preferred codons are not GC rich, underscoring the independence from gBGC. Expression-associated “preference” largely matches adaptive codon preference but does not wholly capture the influence of selection shaping patterns across all genes, suggesting selective constraints associated specifically with high expression. We observe patterns consistent with effects on mRNA translation and stability shaping adaptive codon preference. Thus, our approach to quantifying adaptive codon preference provides a framework for inferring the sources of selection that shape CUB across different contexts within the genome.