双孢蘑菇基因组密码子的偏好性分析

双孢蘑菇Agaricus bisporus是世界上最广泛栽培的食用菌之一。本研究通过分析双孢蘑菇基因组密码子使用偏性,探讨密码子偏性的影响因素及其对基因表达的影响。以双孢蘑菇基因组和转录组数据为依据,分析了双孢蘑菇基因组基因、高表达基因（high expression gene,HEG）和低表达基因（low expression gene,LEG）的密码子使用性。发现双孢蘑菇基因组编码基因平均GC含量为49.08%,T3s值（35.59%）最高,平均ENC值偏高,多数基因表达潜力较低。共鉴定出14个最优密码子,均以C或T结尾,并且遵循密码子中嘌呤和嘧啶使用的均衡性原则。高表达基因具有更强的密码子偏性,进化过程中受到基因突变和自然选择等多种因素影响。基因表达与G/C碱基含量和CAI值呈极显著正相关。高表达基因编码了多种与真菌生长发育相关的蛋白和酶类。研究结果明确了双孢蘑菇基因密码子的使用偏性,为双孢蘑菇转基因育种和品质改良提供了参考。     

嗜热毛壳菌基因组密码子偏好性研究

嗜热毛壳菌具有强大的木质纤维素降解能力,将其开发为优异的重组蛋白表达宿主有着广阔的应用前景。蛋白表达宿主的密码子偏好性对重组蛋白的表达水平具有重大影响。为确定嗜热毛壳菌中密码子的使用模式及影响因素,本研究以6 897条CDS序列为对象,对其进行密码子偏好性分析。结果显示,嗜热毛壳菌中GC3的平均含量为66.2%,高于GC1(59.1%)和GC2(45.6%)的平均含量。Effective number of codon(ENC)分析与中性绘图分析结果显示,自然选择是影响嗜热毛壳菌密码子偏好性的主要因素。相关性分析结果显示,芳香族氨基酸比例与GC1含量及蛋白疏水水平呈极显著相关,说明密码子第一位的碱基组成对氨基酸是否具有芳香性影响较大。此外,在嗜热毛壳菌使用频率较高的密码子中,有24个以G/C末端结尾的密码子,进一步确定了23个高表达优越密码子和1个高表达最优密码子(CGC)。通过与其他模式真菌的密码子偏好性进行比较发现：与嗜热毛壳菌在密码子使用频率上差异较小的为嗜热毁丝菌、粗糙脉孢霉,有显著差异的为酿酒酵母。本研究为在嗜热毛壳菌中异源表达重组蛋白提供了目标基因密码子优化的理论依据,为嗜...     

中东呼吸综合征冠状病毒结构蛋白与附属蛋白编码基因密码子偏爱性分析

中东呼吸综合征冠状病毒是一类对人类危害极重的RNA病毒,为了解其密码子使用特点和主要影响因素,该文采用CHIPS、CUSP、CodonW和SPSS软件对MERS-CoV 9条基因序列进行了偏爱性分析和多元统计分析,获得了每个基因密码子3个位置的GC含量和ENC值以及所有基因序列的RSCU值,并与大肠杆菌、酵母、人的密码子使用频率进行了对比分析。结果显示GC3明显低于GC2、GC1且小于50%,ENC值为50.59,表明该病毒密码子偏爱性偏低且偏爱以A、T碱基结尾的密码子。中性绘图和ENC绘图分析表明密码子的偏爱性主要受到选择作用的影响。通过和其它三种生物密码子使用频率进行比较,发现其与酵母密码子使用频率相差最小。在此基础上确定了MERS-CoV的19个最优密码子。研究结果对MERS-CoV寻找最佳宿主进行体外表达,从而研发基因工程疫苗及治疗性抗体具有一定的意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

圆红冬孢酵母自主复制序列分离和利用游离型质粒进行基因敲除

【目的】与整合型表达载体相比,游离型表达载体通常具有更高的拷贝数以实现目标基因的高强度表达,并且对于DNA操作应用更加方便和灵活。然而,目前的研究尚未确定适用于圆红冬孢酵母的游离型质粒,该酵母外源基因的表达或者基于CRISPR/Cas9的基因组编辑都需要通过整合方式来完成,这也是对其遗传改造进展缓慢的一个重要原因。本研究目的是构建圆红冬孢酵母的游离型质粒,使得其外源基因的表达和基因组编辑更方便省时。【方法】首先对圆红冬孢酵母苯丙氨酸氨裂解酶基因(phenylalanine ammonia-lyase gene, PAL)中可能存在的自主复制序列(autonomously replicating sequences, ARSs)进行挖掘和表征,将该基因及其上下游序列进行分段扩增,构建到带有β-异丙基苹果酸脱氢酶基因(β-isopropyl malate dehydrogenase gene, LEU2)的质粒中,通过电转化的方法导入LEU2基因缺陷的圆红冬孢酵母中,根据转化效率高低鉴定了该酵母的一个ARS。其次,以编码香叶基香叶基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl pyrophosphate synthase, GGPPS)的BTS1基因为敲除靶点,将其gRNA构建到基于ARS的游离型质粒中,通过转化子直观的颜色变化来验证该游离型质粒是否成功应用于圆红冬孢酵母的CRISPR/Cas9体系。【结果】本工作鉴定了圆红冬孢酵母的ARS,构建了基于ARS元件的游离型质粒,并将该质粒应用于圆红冬孢酵母CRISPR/Cas9体系,成功实现了基于游离型质粒的基因敲除。【结论】本研究丰富了圆红冬孢酵母现有的工具库,为圆红冬孢酵母的合成生物学应用提供了良好的研究基础和技术支持。     

降香黄檀叶绿体基因组密码子偏好性分析

为了解降香黄檀叶绿体基因组密码子使用模式,该文利用Codon W 1.4.2和在线软件CUSP对降香黄檀叶绿体基因组中的52条基因编码序列密码子进行中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析。结果表明:降香黄檀叶绿体基因组密码子的3个位置上GC含量依次为GC1(46.01%)GC2(38.98%)GC3(27.80%)。有效密码子数(ENC)范围为37.66～54.43,及ENC值45的有37个; RSCU1的密码子有29个,其中16个以U结尾、12个以A结尾。这些说明其偏好以A和U结尾,且偏性较弱。中性绘图分析显示GC12与GC3的相关系数为0.250,相关性不显著,回归系数为0.394; ENC-plot分析显示ENC比值位于-0.05～0.05区间外的基因有38个; PR2-plot分析说明在碱基的使用频率方面,UA、GC,说明降香黄檀叶绿体基因组密码子偏好性主要受选择的影响; 19个密码子被确定为最优密码子。该研究为降香黄檀叶绿体基因工程、遗传多样性分析等研究提供了科学参考依据。     

鲨烯合酶基因的密码子偏性分析

为了分析鲨烯合酶(squalene synthase, SS)基因密码子的使用方式及其影响因素,利用codon W和SPSS 16.0软件对47条来自不同物种的SS基因进行多元统计分析、对应性分析.SS基因密码子1~3位碱基的GC含量(GC1, GC2和GC3)依次为51.33%、34.65%和54.37%,3个位点的GC含量均呈极显著相关关系(p<0.01),对应性分析的结果表明,第1轴显示30.71%的差异,有效密码子数和GC3、GC1和GC2的均值与GC3之间的相关性均达极显著水平(p<0.01).筛选出的26个最优密码子的第3位碱基均为G或C.以MEGA 5.0构建的基于SS蛋白质序列的进化树比基于RSCU的聚类更符合传统的系统发育观点.SS基因密码子偏好以G/C结尾,使用模式受选择和突变影响,突变对密码子偏好影响较大.     

普通野生稻线粒体蛋白质编码基因密码子使用偏好性的分析

以普通野生稻(Oryza rufipogon Griff.)线粒体基因组为对象,分析其蛋白质编码基因的密码子使用特征及与亚洲栽培稻(O. sativa L.)的差异,探讨其密码子偏性形成的影响因素和进化过程。结果显示:普通野生稻线粒体基因组编码序列第1、第2和第3位碱基的GC含量依次为49.18%、42.67%和40.86%;有效密码子数(Nc)分布于45.32～61.00之间,其密码子偏性较弱; Nc值仅与GC_3呈显著相关,密码子第3位的碱基组成对密码子偏性影响较大;第1向量轴上显示9.91%的差异,其与GC_3s、Nc、密码子偏好指数(CBI)和最优密码子使用频率(Fop)的相关性均达到显著水平;而GC_3和GC₁₂的相关性未达到显著水平。因此,普通野生稻线粒体基因组密码子的使用偏性主要受自然选择压力影响而形成。本研究确定了21个普通野生稻线粒体基因组的最优密码子,大多以A或T结尾,与叶绿体密码子具有趋同进化,但是与核基因组具有不同的偏好性。同义密码子相对使用度(RSCU)、PR2偏倚分析和中性绘图分析显示,普通野生稻线粒体基因功能和其密码子使用密切相关,且线粒体密码子使用在普通野生稻、粳稻(O. sativa L. subsp. japonica Kato)和籼稻(O. sativa L. subsp.indica Kato)内具有同质性。     

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.     

金针菇高表达基因的密码子偏好性及特征分析

为探究金针菇的密码子偏好性,挖掘高表达基因的特征信息,以金针菇基因组及转录组数据为材料,分析金针菇的密码子偏好性及其影响因素,并对发育阶段高表达基因进行功能注释和顺式元件分析。分析表明,金针菇高表达基因表现出较强的密码子偏好性,且其偏好密码子多以胞嘧啶(C)结尾,此外在高表达基因中存在6种氨基酸的最优密码子较为保守。在进化过程中,金针菇高表达基因密码子偏好性受到自然选择压力的影响较大。功能注释分类表明,高表达基因多为核糖体通路相关的基因,与蛋白质翻译和生物合成相关。顺式元件分析表明,高表达基因启动子区域大多存在MeJA响应元件、ABA响应元件、光响应元件及MYB转录因子结合元件。研究结果可为提高金针菇异源表达效率和挖掘强启动子提供理论基础和思路。     

Chronic obstructive pulmonary disease: A crosstalk on nucleotide compositional dynamics and codon usage patterns of the genes involved in disease

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD), a lung disease, affects a large number of people worldwide, leading to death. Here, we analyzed the compositional features and trends of codon usage of the genes influencing COPD to understand molecular biology, genetics, and evolutionary relationships of these genes as no work was reported yet. Coding sequences of COPD genes were found to be rich in guanine-cytosine (GC) content. A high value (34-60) of the effective number of codons of the genes indicated low codon usage bias (CUB). Correspondence analysis suggested that the COPD genes were distinct in their codon usage patterns. Relative synonymous codon usage values of codons differed between the more preferred codons and the less-preferred ones. Correlation analysis between overall nucleotides and those at third codon position revealed that mutation pressure might influence the CUB of the genes. The high correlation between GC12 and GC3 signified that directional mutation pressure might have operated at all the three codon positions in COPD genes.     

Analysis of mitochondrial protein‐coding genes of Antheraea assamensis: Muga silkworm of Assam

To understand the synonymous codon usage pattern in mitochondrial genome of Antheraea assamensis, we analyzed the 13 mitochondrial protein‐coding genes of this species using a bioinformatic approach as no work was reported yet. The nucleotide composition analysis suggested that the percentages of A, T, G,and C were 33.73, 46.39, 9.7 and 10.17, respectively and the overall GC content was 19.86, that is, lower than 50% and the genes were AT rich. The mean effective number of codons of mitochondrial protein‐coding genes was 36.30 and it indicated low codon usage bias (CUB). Relative synonymous codon usage analysis suggested overrepresented and underrepresented codons in each gene and the pattern of codon usage was different among genes. Neutrality plot analysis revealed a narrow range of distribution for GC content at the third codon position and some points were diagonally distributed, suggesting both mutation pressure and natural selection influenced the CUB.     

Clonorchis sinensis: codon usage in nuclear genes

Codon usage in Clonorchis sinensis was analyzed using 12,515 codons from 38 coding sequences. Total GC content was 49.83%, and GC1, GC2 and GC3 contents were 56.32%, 43.15% and 50.00%, respectively. The effective number of codons converged at 51-53 codons. When plotted against total GC content or GC3, codon usage was distributed in relation to GC3 biases. Relative synonymous codon usage for each codon revealed a single major trend, which was highly correlated with GC content at the third position when codons began with A or U at the first two positions. In codons beginning with G or C base at the first two positions, the G or C base rarely occurred at the third position. These results suggest that codon usage is shaped by a bias towards G or C at the third base, and that this is affected by the first and second bases.     

普通野生稻线粒体蛋白质编码基因密码子使用偏好性的分析

以普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）线粒体基因组为对象,分析其蛋白质编码基因的密码子使用特征及与亚洲栽培稻（O.sativa L.）的差异,探讨其密码子偏性形成的影响因素和进化过程。结果显示：普通野生稻线粒体基因组编码序列第1、第2和第3位碱基的GC含量依次为49.18%、42.67%和40.86%;有效密码子数（Nc）分布于45.32~61.00之间,其密码子偏性较弱;Nc值仅与GC₃呈显著相关,密码子第3位的碱基组成对密码子偏性影响较大;第1向量轴上显示9.91%的差异,其与GC_3s、Nc、密码子偏好指数（CBI）和最优密码子使用频率（Fop）的相关性均达到显著水平;而GC₃和GC₁₂的相关性未达到显著水平。因此,普通野生稻线粒体基因组密码子的使用偏性主要受自然选择压力影响而形成。本研究确定了21个普通野生稻线粒体基因组的最优密码子,大多以A或T结尾,与叶绿体密码子具有趋同进化,但是与核基因组具有不同的偏好性。同义密码子相对使用度（RSCU）、PR2偏倚分析和中性绘图分析显示,普通野生稻线粒体基因功能和其密码子使用密切相关,且线粒体密码子使用在普通野生稻、粳稻（O.sativa L.subsp.japonica Kato）和籼稻（O.sativa L.subsp.indica Kato）内具有同质性。     

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。     

Analysis of synonymous codon usage bias in Chlamydia

Chlamydiae are obligate intracellular bacterial pathogens that cause ocular and sexuallytransmitted diseases,and are associated with cardiovascular diseases.The analysis of codon usage mayimprove our understanding of the evolution and pathogenesis of Chlamydia and allow reengineering of targetgenes to improve their expression for gene therapy.Here,we analyzed the codon usage of C.muridarum,C.trachomatis(here indicating biovar trachoma and LGV),C.pneumoniae,and C.psittaci using the codonusage database and the CUSP(Create a codon usage table)program of EMBOSS(The European MolecularBiology Open Software Suite).The results show that the four genomes have similar codon usage patterns,with a strong bias towards the codons with A and T at the third codon position.Compared with Homosapiens,the four chlamydial species show discordant seven or eight preferred codons.The ENC(effectivenumber of codons used in a gene)-plot reveals that the genetic heterogeneity in Chlamydia is constrained bythe G+C content,while translational selection and gene length exert relatively weaker influences.Moreover,mutational pressure appears to be the major determinant of the codon usage variation among the chlamydialgenes.In addition,we compared the codon preferences of C.trachomatis with those of E.coli,yeast,adenovirus and Homo sapiens.There are 23 codons showing distinct usage differences between C.trachomatisand E.coli,24 between C.trachomatis and adenovirus,21 between C.trachomatis and Homo sapiens,butonly six codons between C.trachomatis and yeast.Therefore,the yeast system may be more suitable for theexpression of chlamydial genes.Finally,we compared the codon preferences of C.trachomatis with those ofsix eukaryotes,eight prokaryotes and 23 viruses.There is a strong positive correlation between the differ-ences in coding GC content and the variations in codon bias(r=0.905,P<0,001).We conclude that thevariation of codon bias between C.trachomatis and other organisms is much less influenced by phylogeneticlineage and primarily determined by the extent of disparities in GC content.