密码子优化或不:这是一个问题

发布者贾静雯Cecchetelli在2020年11月12日上午09时15分00秒


有64个不同的密码子并编码的20种氨基酸和三个终止密码子,这意味着相同的氨基酸可以由多于一个的密码子进行编码。虽然遗传密码是普遍的,许多不同的生物其实更喜欢别人为某些氨基酸某些密码子。这被称为118金博宝娱乐城 。事实上,一些物种被称为完全避免某些密码子。

那么,这是否意味着谁想要表达的另一个从一个生物体基因的分子生物学家?让我们来看看密码子使用,当你可能要优化密码子在特定生物体中表达。

为什么密码子使用重要?

翻译和蛋白质的合成依赖于转运RNA(tRNA的)。tRNA的结合,并提供氨基酸,在那里它们被并入正在生长的多肽链中的核糖体。tRNA的一个部分包含反密码子,三个核苷酸序列互补的mRNA序列。tRNA的3’ 末端结合的氨基酸对应于该反密码子序列。这意味着有61点可能的tRNA。然而细胞,可能不表达这些tRNA的所有61和那些表达的tRNA可以在非常不同的水平上找到(毛罗·查普尔和2014年)。由于在tRNA的表达该变型中,编码蛋白质的密码子可影响翻译速率,因此蛋白的表达。事实上研究表明,翻译效率在所有的内源性基因密码子偏相关大肠杆菌酿酒酵母(土佬等人,2010

肽合成的概述。与mRNA和带电的tRNA核糖体相互作用,以建立一个肽。
图1:肽合成的概述。与mRNA和带电的tRNA核糖体相互作用,以建立一个肽。从图片Boumphreyfr

到了80年代末,科学家们甚至创造出了基于密码子使用频率的高表达基因的引用的密码子适应指数(CAI)(夏普和李,1987年)。在2000池村实验室中创建的密码子使用整理表从GenBank数据库(CUTG),其提供对257468种的基因跨越8792个生物体密码子使用的电子数据集(Nakamura等人,2000年)。

什么是密码子优化?

密码子优化是基因工程通过基于生物的密码子偏向同义密码子来改善基因表达的方法。这个想法是,科学家们可以在整个基于一种生物的密码子使用偏提高翻译效率,从而表达不改变蛋白质序列的目的基因使突变。由于DNA合成已成为颇具性价比似乎很容易为科学家重新合成DNA的最优化序列。不幸的是,它并不总是容易识别理想的密码子,用于对整个多肽每氨基酸。许多研究人员创建了密码子优化算法/资源(阿塞等人,2017年)和许多DNA合成公司,如IDTGENEWIZ金斯瑞,提供工具与这些决定帮助。

所以,当你要密码子优化的目的基因?

密码子优化已成为在不自然地表达基因宿主中表达的蛋白质的功能是非常有用的。你想表达可能含有很少在你正在使用或主机使用的密码子的蛋白质来自包含表达一个有机体限制的调控元件或使用不规范的代码(Gustafsson等人,2004年), 如Hoogsten碱基对摆动配对

左边是密码子轮描绘64个密码子并编码20个氨基酸。在右边是不同生物体之间密码子使用的例子。
图2:(A)密码子轮描绘了64个密码子编码的20种氨基酸和3个终止密码子。不同生物体之间密码子(B)实施例的使用情况。有几种密码子相同的氨基酸编码。每一个有机体,但是,可以优先使用一个密码子比其他,而其他密码子下表达比别人。从图片希斯等人,2017年

最常见地,科学家密码子从真核生物优化基因在原核系统或酵母(表达Lanza等人,2014)。例如,它可能是值得的密码子优化表达的人基因大肠杆菌。基因也用于在哺乳动物细胞中的表达进行了优化。例如,亨利·莱斯特的实验室优化C线虫GluCl离子通道基因用于在哺乳动物细胞中的表达。这是在哺乳动物细胞中表达的第一密码子优化的膜蛋白。在这项研究中,密码子优化导致这些通道提供科学家的能力,以选择性沉默神经元中表达的6-9倍的增加体内Slimko和Lester,2003

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注意事项和担忧:如果没有密码子优化?

虽然密码子优化增加了在某些系统中的蛋白质生产,基因序列的代名词变化可能会造成意想不到的不利结果的蛋白质。密码子优化可能会影响蛋白质的构象,折叠和稳定性,改变的翻译后修饰位点,甚至会影响蛋白质的功能(毛罗。和Chappell,2014)。由不同的tRNA,包括那些表现出摆动碱基配对(即可以识别多个同义密码子的tRNA一个)翻译的不同速率实际上可能是用于确定平移速率的关键。核糖体可减缓和伸长率,其实际上可能是必需的适当的蛋白质折叠期间暂停(施泰德和火,2011)。因此,密码子优化可能会破坏翻译的微调定时和最终蛋白功能。

另外的密码子优化可以去除在一个特定的基因,该基因可能影响翻译起始的一级序列中编码的信息(Dresios等人,2006年)和mRNA的稳定性(Hausser等人,2013),仅举几例。这可能会影响其甚至已与一些疾病的同义突变。据报道,人类基因的5-10%含有一个区域,其中一个同义突变可能是有害的(桑拿浴室和泡菜Sarfaty,2011)。

总体而言,密码子优化不一定是增加蛋白质生产的最优策略。如果您正试图在其天然宿主表达的蛋白质有可能无需密码子优化作为该基因应该已经偏向于生物体的密码子使用。其他人认为密码子优化不应该在某些使用体内实验和生物技术和治疗(毛罗。和Chappell 2014)。

最终,把您的实验和基因,你可能需要密码优化你开始之前仔细看是很重要的。有一吨可用的在线资源的在线在您所选择的系统最佳表达判定和合成的DNA序列。

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参考

阿塞Ĵ,Alexaki A,奥西波娃E,罗斯托夫采夫A,桑塔纳-金特罗LV,Katneni U,西蒙尼扬V,泡菜-Sarfaty C(2017),用于密码子使用表的新的和更新的资源。BMC生物信息学18:。https://doi.org/10.1186/s12859-017-1793-7

DresiosĴ,查普尔SA,周W,毛罗VP(2005)的mRNA,rRNA基因碱基配对的真核生物翻译起始机制。纳特结构分子生物学13:30-34。https://doi.org/10.1038/nsmb1031

古斯塔夫森C,戈文达拉扬S,MinshullĴ(2004)的密码子偏倚和异源蛋白的表达。趋势生物技术22:346-353。https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2004.04.006

豪塞尔Ĵ,赛义德AP,Bilen B,Zavolan M(2013)的CDS-位于miRNA靶位点分析表明,它们能有效地抑制翻译。基因组研究23:604-615。https://doi.org/10.1101/gr.139758.112

毛罗副总裁,查普尔SA(2014)在人类疗法密码子优化的一个重要分析。趋势分子医学20:604-613https://doi.org/10.1016/j.molmed.2014.09.003

中村Y(2000)的密码子使用国际DNA序列数据库表格:地位在2000年核酸研究28:292-292。https://doi.org/10.1093/nar/28.1.292

桑拿浴ZE,泡菜Sarfaty C(2011)了解同义突变的人类疾病的贡献。纳特启遗传学12:683-691。https://doi.org/10.1038/nrg3051

夏普下午,李W-H(1987)定向密码子使用偏倚的密码子适应指数的措施,其潜在的应用。核酸研究15:1281-1295。https://doi.org/10.1093/nar/15.3.1281

Slimko EM,莱斯特·HA(2003)的秀丽隐杆线虫GluCl离子通道基因的哺乳动物细胞中密码子优化显着地提高的表达水平。神经科学杂志方法124:75-8188棋牌游戏1。https://doi.org/10.1016/s0165-0270(02)00362-x

在后生动物体内翻译延伸施泰德男,消防A(2011)摆动碱基配对减慢。RNA 17:2063至2073年。https://doi.org/10.1261/rna.02890211

土佬T,瓦尔德曼YY,Kupiec男,鲁平E(2010)翻译效率由两个密码子偏倚和折叠能量来确定。国家科学院院刊USA 107:3645-3650https://doi.org/10.1073/pnas.0909910107

Varani G,麦克莱恩WH(2000)对于g·U摆动碱基对。EMBO众议员1:18-23。https://doi.org/10.1093/embo-reports/kvd001

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