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摘 要：运用 CHIPS、CUSP和 CodonW程序对玉米 waxy基因的密码子进行了分析，将分析结果与大肠杆菌 、酵母基因组的密码子偏好性进行比较。结果表明，waxy基因对一些密码子的使用存在明显的偏好性，特别偏好于使用以 G或 c结尾的密码子，且玉米 waxy基因与大肠杆菌 、酵母的密码子偏爱性有较大差异 ，分析结果对玉米 waxy基因在这两类表达系统中的表达具有一定指导意义。 赵 耀 ，刘汉梅 ，顾 勇 ，黄玉碧 编码同一氨基酸的密码子称为同义密码子(SynonymousCodons)。每种氨基酸可由 1至多个密码子(最多的有 6个)编码，密码子的这种兼并性特征造成了不同物种密码子使用偏好性不同。这种同义密码子使用偏好性的现象广泛存在于生物界中，这一 现象的产生与基因的表达水平、翻译起始效应、基因的碱基组分、某些二核 f{：酸的出现频率 、G+C含量、基因的长度、tRNA的 富度、蛋白质的结构以及密码子一反密码子间结合能力的大小等因素有关。在不同物种或细胞器基因中，其偏好性程度因作用的因素数量以及各因素在同义密码子偏性产生过程中所占决定系数的大小而不同。 密码子是生物体内信息传递的基本环节，在长期进化过程中，任一物种的基因都会逐渐适应宿主的基因组环境，形成特定的符合宿主基因组的密码子用法。如果外源基因含有大量宿主表达系统的稀有密码子，特别是这些稀有密码子成连续分布时，就会造成表达量降低或翻译提前终止，严重阻碍了基因工程和酶工程的发展。而通过密码子偏好性分析，则可帮助选择合适的表达系统、改造密码子，从而提高外源基因的表达。在大肠杆菌或酵母表达系统中表达植物基因是目前植物功能基因组学研究中的一种重要手段，本研究通过分析玉米 waxy基因的密码子偏好性，对该基因在原核或真核中的表达提供参考，为该蛋白酶的结构和功能研究奠定基础。 1 材料与方法 1．1 序列数据和软件 waxy基因序列来源于 GenBank(accessionBum— ber：AF4884161。本文所采用的大肠杆菌、酵母基因组的密码子偏好性数据来源于 CodonUsagedatabase (htp：／www．kazusa．or．jp／codon／)。用于密码子分析的主要软件 CodonW、CHIPS和 CUSP来 自于法国巴斯德研究所生物信息中 L,(htp：／bioweb．pasteur．fr)。 1．2 方法 首先运用软件 CHIPS对 waxy基 因进行有效密码子数统计，然后运用 CodonW 和 CUSP计算 CDS 区的GC含量、密码子中第 3位碱基的 GC含量(Gc 、密码子使用的相对概率(relativesynonymouscodonUS— gea．RSCU)和密码子使用频率。最后将 waxy基因的密码子偏好性与大肠杆菌、酵母基因组的密码子偏好性进行比较分析。 2 结果与分析 2．1 有效密码子数(ENc)和 GC含量分析 ENc值(Efectivenumberofcodons)是目前公认的在评价基因整体密码子偏好性用法中最具有参考价值的参数。其取值范围为 20(每个氨基酸只使用 1 个密码子的极端情况)～61(各个密码子均被平均使用)，其值越低，说明偏好性越强；越高偏好性则越低。计算公式为：ENc=2+9 2+1 3+5／F4+3 6。其中Fn(n为 2、3、4、5、6)分别代表如果该氨基酸共有 n个同义密码子，随机从密码子表中挑取 n个密码子 ，其编码同一个氨基酸的概率。本研究应用 CHIPS 和 Cod0nW 软件计算的 ENc值和 GC含量结果见表 1。结果显示，ENc值偏小，表明玉米 waxy基因在密码子的使用特性上存在显著的偏好性。 GC嚣表示密码子的第 3位碱基中 G+C的含量在第 3位碱基总量中所占的比率。从表 1可知，waxy基因编码区 GC含量较高，而 GC豁值则更高，表明该基因中的G和 c碱基绝大部分分布于密码子的第 3位。  2．2 密码子偏好性分析 同义密码子使用的相对概率 (RelativeSynony-mousCod0nUsage，RSCU)是指对于某一特定的密码子在编码对应氨基酸的同义密码子间的相对概率。它去除了氨基酸组成对密码子使用的影响，如果密码子的使用没有偏好，则该密码子的 RSCU值等于1。当某一密码子的RSCU值大于 l，则表明该密码子的使用频率相对较高，反之亦然。由于它计算简便，而且直观地反映了密码子使用的偏好性，在本文的密码子使用偏好性分析中都用它作为衡量的标准。Fract表示各个密码子在编码该氨基酸的密码子中所占的比例(各个比例相加总和：1)。相应软件计算结果(表 2)表明：在玉米 waxy基 因的密码子中，GCC、GCG、TGC、GAC、GAG、TTC等 26个以 c或 G碱基结尾的密码子的RSCU值均大于l，且 Fract值也较大，为玉米 waxy基因的偏好密码子；TGT、哪 等 14 个以 A或 T碱基结尾的密码子的 RSCU值均为 0，这些密码子在本基因中未被使用；其余以 A或 T碱基结尾的密码子的 RSCU值和 Fract值均较低，这些密码子在本基因中的使用频率较低；终止密码子使用 TGA。   2.3玉米waxy基因与大肠杆菌、酵母的密码子偏好性比较 USP程序可计算不同密码子在同一氨基酸编码中所占的比例,并通过外延法计算密码子在编码基因中出现的频率。1/1000代表该密码子在编码基因总密码子出现的频率,即在1000个密码子中出现的次数。玉米waxy基因、大肠杆菌和酵母的密码子使用频率见表3,1axy√、E.coli、 yeast分别表示玉米axy基因、大肠杆菌和酵母的每种密码子在编码基因总密码子中出现的频率。不同物种或基因的密码子使用频率比值在0.5~20之间,表示对该密码子偏好性较为接近;比值在小于或等于0.5、大于或等于20之间的则表示对该密码子的使用偏好差异较大。waxy/ E coli、waxy/ Yeast分别表示玉米waxy基因的“1/1000”值与大肠杆菌、酵母的“1/1000”值的比值。玉米axy基因与大肠杆菌、酵母的密码子偏好特征比较结果(表3)显示,玉米waxy基因与酵母和大肠杆菌的密码子偏好性有较大的差异。玉米和酵母的密码子“1/1000”比值中有37种密码子的值大于等于20或小于等于05;玉米和大肠杆菌密码子“1/1000”比值中有24种密码子的值大于等于2.0或小于等于0.5。    3.讨论 不同物种或同一物种的不同基因对密码子的用法特征有所不同。刘庆坡等通过单、双子叶植物基因组密码子偏好特．『生的比较研究，结果表明，双子叶植物偏向使用以 A或 T结尾的密码子，而单子叶植物则偏向使用以c或 G结尾的密码子。本研究通过玉米 waxy基因的密码子用法特征分析，发现该基因的每个氨基酸在同义密码子的使用上都存在明显的偏好性，主要偏向于使用以 c或 G结尾的密码子 ，少量或避免使用以A或 T结尾的密码子。waxy基因的密码子用法特征与前人研究的单子叶植物基因组密码子偏好特性一致。 引起密码子偏性的因素多种多样。张晓峰等研究表明，单子叶植物基因组的 GC含量在同义密码子使用偏性的产生过程中起着决定性的作用，同义密码子偏性强烈的基因往往偏爱使用 c或 G结尾的密码子，且第 3位密码子的变异往往是密码子偏好l生发生变化的决定性因素。本研究结果显示，waxy基因的 GC含量较高，而第 3位密码子的 GC含量则更高，由此推测整个基因 GC含量和第 3位密码子的 GC含量可能是引起该基 因密码子偏好性的主要原因之一。但影响waxy基因密码子的偏好性的因素目前还没有相关的报道，还有待于做进一步的研究。 一 个物种的基因在长期进化过程中会逐渐适应宿主的基因组环境，而采用符合宿主基因组的密码子用法，则可提高转录、翻译效率，进而提高表达量。但对于同一物种，由于不同蛋白质编码氨基酸在基 因中出现的频率不同，或者就同一种氨基酸而言，编码该氨基酸的不同密码子的使用比率在不同的蛋白中也有差异，因而造成不同物种基因间密码子用法差异较大。虽然影响外源基因在宿主中表达的因素较多，但是密码子的选用是影响表达的重要因素之一 。 本研究通过对玉米 GBSSI蛋 白编码基因的密码子偏好性进行分析，并将 waxy基 因的密码子用法与大肠杆菌、酵母两类普遍采用的原核、真核表达系统的密码子偏好性进行比较。结果表明，玉米 waxy 基因的密码子用法与大肠杆菌和酵母的差异较大，若要实现该基因在以上宿主中的高效表达则需对部分密码子进行改造。通过密码子偏好性分析不仅可为基因表达选择合适的表达系统，同时也为改造密码子提高基因的表达量提供依据。 |
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