优化基因表达的关键因素之基因的重新设计和合成在基因表达研究中

2025-10-14 999+ 18KB 4 页海报

侵权投诉

优化基因表达的关键因素之：基因的重新设计和合成

在基因表达研究中，研究者比较注意选择合适的表达载体和宿主系统，而往往忽视基因本身是否与

载体和宿主系统为最佳匹配这样一个实质性问题。基因的最佳化表达可以通过对基因的重新设计和合成来

实现，如消除稀有密码子而利用最佳化密码子，二级结构最小化，调整 GC 含量等。以下就密码子最佳化、

翻译终止效率和真核细胞中异源蛋白表达的问题加以说明。

密码子最佳化（codon optimization）

遗传密码有 64 种，但是绝大多数生物倾向于利用这些密码子中的一部分。那些被最频繁利用的称

为最佳密码子(optimal codons)，那些不被经常利用的称为稀有或利用率低的密码子(rare or low-usage

codons)。实际上用做蛋白表达或生产的每种生物（包括大肠杆菌，酵母，哺乳动物细胞，Pichia，植物

细胞和昆虫细胞）都表现出某种程度的密码子利用的差异或偏爱。大肠杆菌、酵母、果蝇、灵长类等每种

生物都有独特的 8个密码子极少被利用[1]。有趣的是，灵长类和酵母有 6个同样的利用率低的密码子。大

肠杆菌、酵母和果蝇中编码丰度高的蛋白质的基因明显避免低利用率的密码子。因此，重组蛋白的表达可

能受密码子利用的影响（尤其在异源表达系统中）的事实并不很奇怪。你的基因利用的密码子可能不是你

正在利用的蛋白生产系统进行高水平表达所偏爱的密码子，这种情况是可能的。利用偏爱密码子

(preferred codons)并避免利用率低的或稀有的密码子可以合成基因，基因的这种重新设计叫密码子最佳

化。

在同源表达系统中，同较低水平表达的基因相比，较高表达的基因可能有很不同的密码子偏爱。通

过对密码子利用的归类分析，人们可以真正预测任何基因在酵母中的表达水平[2]。在诸如 Zea mays 的其

他生物中，大量高表达基因强烈偏爱以 G或C结尾的密码子[3]。而且，在 Dictyostelium 中，同低水平表

达的基因比较，高表达基因有较大数目的偏爱密码子[4]。

在大肠杆菌中表达哺乳动物基因是不可预测和具有挑战的。例如直到最近才实现了人血红蛋白的过

表达[5]。为了达到血红蛋白的好的表达水平，Alpha-球蛋白 cDNA 不得不用大肠杆菌偏爱的密码子进行重

新合成。在异源宿主中实现象血红蛋白这样复杂的蛋白质的过表达可能需要最佳化密码子，这些研究者为

此提供了令人信服的资料。成簇的低利用率的密码子抑制了核糖体的运动，这是基因不能以合适水平表达

的一个明显机制。核糖体翻译由九个密码子组成的信使（含几个低利用率密码子或全部为低利用率密码

子）时的运动速度要比翻译不含低利用率密码子的同样长的信使的速度慢。即使低利用率密码子簇位于3’

端，信使最后也会被核糖体”拥挤”而损害，核糖体又回到5’端。3’端低利用率密码子簇的抑制效应可以

和全部信使都由低利用率密码子组成的抑制效应一样大。如果低利用率密码子簇位于5’端，其效应是起始

核糖体数目的全面减少，导致蛋白合成中信使的低效率。散在分布的稀有密码子对翻译的效应还未很好地

研究，但是有证据表明这种情况的确对翻译效率有负面效应[6]。

其他因素也可以影响蛋白表达，包括使 mRNA 去稳定的序列。重新设计合成基因可以去除或改变这

些序列，导致高水平表达。消除稀有密码子、去除任何去稳定序列和利用最佳密码子的基因的重新设计都

可能增加蛋白产量，使的蛋白生产更有效和经济。

翻译终止效率

蛋白表达水平受许多不同因素和过程影响。蛋白稳定性、mRNA 稳定性和翻译效率在蛋白生产和积

累中起主要作用。翻译过程分为起始、延伸和终止三个期。对于翻译的起始，原核mRNA 需要 5’端非翻

译前导序列中有一段叫Shine-Dalgarno 序列的特异核糖体结合序列。在真核细胞，有效的起始依赖于围

绕在起始密码子 ATG 上下游的一段叫Kozak 序列的序列。密码子利用或偏爱对延伸有深刻的影响。例如，

如果 mRNA 有很多成簇的稀有密码子，这可能对核糖体的运动速度造成负面影响，大大减低了蛋白表达

水平。翻译终止是蛋白生产必须的一步，但其对蛋白表达水平的影响还没有被研究清楚。但是最近的科学

研究表明终止对蛋白表达水平有很大的影响。总的来说，更有效的翻译终止导致更好的蛋白表达。

绝大多数生物都有偏爱的围绕终止密码子的序列框架[7]。酵母和哺乳动物偏爱的终止密码子分别是

UAA 和UGA。单子叶植物最常利用 UGA，而昆虫和大肠杆菌倾向于用 UAA。翻译终止效率可能受紧接

着终止密码子的下游碱基和紧靠终止密码子的上游序列影响。在酵母中通过改变围绕终止密码子的局部序

列框架，翻译终止效率可能被减低几个 100 倍[8]。对于 UGA 和UAA，紧接着终止密码子的下游碱基对有

效终止的影响力大小次序为G>U，A>C；对于 UAG 是U、A>C>G。

文档加载中……请稍候！
如果长时间未打开，您也可以点击刷新试试。

下载文档到电脑，查找使用更方便

立即下载

摘要：

基因表达研究中研究者常关注表达载体和宿主系统的选择却易忽视基因与载体、宿主系统的最佳匹配问题。基因最佳化表达可通过重新设计和合成实现包括密码子最佳化、调整GC含量等。密码子最佳化方面不同生物对密码子利用存在差异和偏爱低利用率密码子会抑制核糖体运动影响蛋白表达水平。利用偏爱密码子、避免低利用率密码子进行基因重新设计即密码子最佳化可提高蛋白产量。此外翻译终止效率对蛋白表达水平也有很大影响不同生物偏爱的终止密码子及围绕其的序列框架不同翻译终止效率受终止密码子上下游序列影响若未最佳化会增加翻译通读减少蛋白表达。因此重新设计合成基因消除稀有密码子等可使蛋白生产更有效和经济。

展开>> 收起<<

优化基因表达的关键因素之基因的重新设计和合成在基因表达研究中.doc

共4页,预览2页

还剩页未读，继续阅读