密码子是否优化:这是一个问题

有64个不同的密码子可以编码20个氨基酸和3个终止密码子，这意味着同一个氨基酸可以被多个密码子编码。虽然遗传密码是通用的，但许多不同的生物实际上更喜欢某些特定的密码子而不是某些特定的氨基酸。这是被称为密码子使用的偏见．事实上，已知有些物种会完全避免某些密码子。

那么，对于一个想要在另一个有机体中表达基因的分子生物学家来说，这意味着什么呢?让我们来看看密码子的用法以及何时你可能想要优化密码子以在特定的生物体中表达。

密码子的使用为什么重要?

翻译和蛋白质合成依赖于转移rna (tRNAs)。转运rna结合并将氨基酸传递到核糖体上，在核糖体上，氨基酸与生长中的多肽链结合。tRNA的一部分包含反密码子，一个与mRNA序列互补的三个核苷酸序列。tRNA的3 '端与反密码子序列对应的氨基酸结合。这意味着有61种可能的trna。然而，细胞可能并不表达所有的这61种trna，而那些表达的trna可能以非常不同的水平被发现(Mauro和Chappell, 2014年）.由于tRNA表达的这种变化，编码蛋白质的密码子可能会影响翻译的速率，从而影响蛋白质的表达。事实上，研究表明，在所有的内源性基因中，翻译效率与密码子偏倚相关大肠杆菌和酿酒酵母(图勒等人，2010）．

图1:多肽合成概述。核糖体与mRNA和带电荷的tRNAs相互作用形成肽。从图片马里亚纳Ruiz比利亚雷亚尔．

到20世纪80年代末，科学家甚至建立了密码子适应指数(CAI)，该指数是基于高表达基因参考中的密码子使用频率(夏普和李，1987年）.2000年，Ikemura实验室创建了GenBank数据库的密码子使用表(CUTG)，该数据库提供了8792个生物的257468个基因的密码子使用电子数据集(中村等，2000）.

什么是密码子优化?

密码子优化是基因工程中利用生物密码子的倾向性改变同义密码子以提高基因表达的一种方法。这一想法是，科学家可以根据生物体密码子使用的倾斜性，在整个感兴趣的基因中进行突变，从而在不改变蛋白质序列的情况下提高翻译效率和蛋白质表达。随着DNA合成的成本效益越来越高，科学家们似乎很容易用最优化的序列重新合成DNA。不幸的是，要确定整个多肽中每个氨基酸的理想密码子并不总是容易的。许多研究人员已经创建了密码子优化算法/资源(Athey等人，2017年)和许多DNA合成公司，如踊跃参与，Genewiz和GenScript，提供工具来帮助做这些决定。

什么时候你想用密码子优化你感兴趣的基因?

密码子优化在表达不自然表达该基因的宿主中的功能蛋白方面非常有用。你想要表达的蛋白质可能包含你所使用的宿主很少使用的密码子，或者来自含有表达限制调控元件的生物体，或者使用非规范密码(Gustafsson等人，2004年),比如Hoogsten碱基对和摆动双．

图2:(A)密码子轮描绘了编码20个氨基酸和3个终止密码子的64个密码子。(B)不同生物之间密码子使用的例子。有几个编码相同氨基酸的密码子。然而，每个生物可能优先使用一个密码子而不是其他密码子，而其他密码子相对于其他密码子是低表达的。从图片Hiss等人，2017年．

最常见的是，科学家密码子优化真核生物的基因，以便在原核系统或酵母中表达(兰扎等人，2014年）.例如，它可能是值得密码子优化人类基因的表达大肠杆菌．基因在哺乳动物细胞中的表达也得到了优化。例如,亨利·莱斯特的实验室优化的C．线虫葡萄糖离子通道基因在哺乳动物细胞中表达。这是第一个在哺乳动物细胞中表达的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的表达增加了6-9倍，为科学家提供了选择性沉默神经元的能力在活的有机体内（斯利姆科和莱斯特，2003年）．

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注意事项:密码子何时不优化?

虽然在某些系统中密码子优化会增加蛋白质的产量，但基因序列的同义改变会对蛋白质造成意想不到的有害结果。密码子优化会影响蛋白质的构象、折叠和稳定性，改变翻译后修饰位点，甚至影响蛋白质功能(Mauro and Chappell, 2014)。不同的tRNA的翻译速率不同，包括那些碱基对不稳定的tRNA(一种可以识别多个同义密码子的tRNA)实际上可能是决定翻译速率的关键。核糖体在延伸过程中可能会减慢和暂停，这对蛋白质的正常折叠是必要的(Stadler and Fire, 2011）.因此，密码子优化可能会破坏翻译的微调时间，并最终破坏蛋白质功能。

此外，密码子优化可以去除特定基因一级序列中编码的信息，从而影响翻译起始(Dresios等人，2006年)和mRNA稳定性(Hausser et al.， 2013等等。这可能会影响同义词突变，甚至与一些疾病有关。据报道，5-10%的人类基因包含一个区域，其中同义突变可能是有害的(桑拿浴和泡菜，2011年）.

总的来说，密码子优化不一定是提高蛋白质产量的最佳策略。如果你试图在其原生宿主中表达一种蛋白质，可能不需要优化密码子，因为该基因应该已经偏向于该生物体的密码子使用。另一些人则建议在某些情况下不应使用密码子优化在活的有机体内生物技术和治疗学(Mauro and Chappell 2014)。

最后，在你开始之前，仔细检查你的实验和你想要优化密码子的基因是很重要的。有大量的在线资源可用来确定和合成DNA序列，以在你选择的系统中实现最佳表达。

• ThermoFischers GeneArt基因合成
• NovoPro实验室密码子优化工具(ExoOptimizer)
• Genewiz密码子优化
• 阿托姆DNA2.0
• IDT合成基因设计简单
• GenScript- GenSmart密码子优化

参考文献

Athey J, Alexaki A, Osipova E, Rostovtsev A, Santana-Quintero LV, Katneni U, Simonyan V, Kimchi-Sarfaty C(2017)密码子使用表的新更新资源。BMC生物信息学18。https://doi.org/10.1186/s12859-017-1793-7

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Gustafsson C, Govindarajan S, Minshull J(2004)密码子偏误与异源蛋白表达。生物技术的趋势22:346-353。https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2004.04.006

Hausser J, Syed AP, Bilen B, Zavolan M(2013)对cds定位的miRNA靶位点的分析表明它们可以有效地抑制翻译。基因组研究23:604-615。https://doi.org/10.1101/gr.139758.112

Mauro VP, Chappell SA(2014)密码子优化在人类治疗中的关键分析。分子医学趋势20:604-613https://doi.org/10.1016/j.molmed.2014.09.003

Nakamura Y(2000)国际DNA序列数据库的密码子使用情况:2000年的状况。核酸研究28:292-292。https://doi.org/10.1093/nar/28.1.292

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Slimko EM, Lester HA(2003)对秀丽隐杆线虫gll离子通道基因在哺乳动物细胞中的密码子进行了优化，显著提高了表达水平。神经科学方法124:75-81https://doi.org/10.1016/s0165 - 0270 (02) 00362 - x

Stadler M, Fire A(2011)摇晃的碱基配对减慢了后生动物体内的翻译伸长。RNA 17:2063 - 2073。https://doi.org/10.1261/rna.02890211

Tuller T, Waldman YY, Kupiec M, Ruppin E(2010)密码子偏误和折叠能量同时决定了翻译效率。美国国家科学院107:3645-3650https://doi.org/10.1073/pnas.0909910107

瓦拉尼，麦克莱恩(2000)G·U摇摆基对。EMBO代表1:18-23。https://doi.org/10.1093/embo-reports/kvd001

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