【原】密码子是什么？密码子的特点

自然之神奇，在于生命之精巧；生命之精巧，未能一一道也，却能为人所用也！你看，这些精巧，天上飞的(譬如蝙蝠-雷达)，水里游的(譬如鱼鳔-潜水艇)，路上跑的(譬如斑马-斑马线)，无论宏观微观，大到宇宙，小到基因，都能转化成人们手里的工具。

宏观看到了，微观呢？今天我们就来讲讲，人类在微观世界的实操-密码子优化。啥是密码子？啥是密码子优化？为啥能优化？……

密码子—生命体内最精密的“摩斯密码”

摩斯密码听说过吧？那一个个数字符号经过密码本翻译成一条条机密信息，炫酷吧？有没有想过，你身体内也有这样一套酷炫乃至更为精密复杂的屌炸天系统？那就是 Codon，江湖人称密码子。

什么是密码子？它在机体内起着怎样的作用？我们为什么把他称为生命体内的“摩斯密码”？别急，且等我们一步一步揭开它的神秘面纱。

提到密码子，就不得不说氨基酸。由遗传物质DNA和RNA怎么变成氨基酸，这就是一个长长的故事啦！考虑到篇幅，小编这里就长话短说了。

信使RNA由核糖核苷酸依次排列组成，它们的组合顺序包含了所谓的遗传机密，而这里充当摩斯密码符号的就是3个相邻的核苷酸组成的三联体，被称作遗传密码。而摩斯密码本就是转运RNA，它们根据解密信息找到相应的氨基酸与之配对，转运RNA不断对信使RNA上的密码子进行翻译，最后形成了我们见到的肽链（蛋白质的前体）。

通过这些描述，我们应该对密码子有了初步的了解，试想没有密码子的话，就无法合成肽链，没有肽链，就没有蛋白质，没有蛋白质，就……嗯嗯，那真是太可怕了！

图1 密码子和tRNA结构

密码子偏好—谁还不偏心咋地？

经过漫……长……的进化，生物机体内形成了64种密码子组合，其中61种编码20种氨基酸，其余3种编码终止子。3：1？比例有点高？你真是个机灵鬼呢，这么多密码子，这么少氨基酸，说明有好几个密码子能编码同一个氨基酸！

研究表明，除了色氨酸和蛋氨酸，其它氨基酸都有好几个密码子可以编码[2]，这就是密码子的简并性，而编码同一氨基酸的密码子互相称为同义密码子（嘿，兄弟，你也是这个氨基酸家的！）。肽链上的氨基酸永远只能对应一个密码子！僧多粥少，雨露均沾？真不行，大自然处处都体现了优胜略汰，自然竞争，适者生存，连小小的密码子也不例外！

这些同义密码子虽然能编码同一氨基酸，但生物机体内能跟他们配对的tRNA数量却不是一样的，也就是说有的同义密码子配对的tRNA多，有的少，在编码肽链时，选谁你就知道了吧（总不能选个稀有密码子，编码肽链的时候找不到，emo……）。这种现象呢，我们把它称之为密码子偏好（Codon Usage Bias），通俗来说就是一个氨基酸有它自己所偏好使用的密码子。

图2 编码同一氨基酸的同义密码子 

密码子偏好现象广泛存在于各种生命体中，包括细菌、植物和动物等等。针对同一个氨基酸，不同生物体内偏好的密码子可能都不一样，即使是同一机体内，不同基因同一基因不同位点对密码子偏好也不同。

图3 不同生命体密码子偏好不同

密码子优化—改变一小步速率增长一大步

科学的历史告诉我们，所有的发现都会有他的用武之地。什么，还没看到，那就是在来的路上！密码子偏好有什么用武之地吗？密码子优化绝对是啊。黑板敲起来，压轴演员——密码子优化登场！

密码子的简并性告诉我们，同一个氨基酸可以由不同密码子编码；密码子偏好又告诉我们，不同机体不同基因不同位点编码同一氨基酸所偏好使用的密码子不同。利用基因工程技术修改密码子的核苷酸，使其变成偏好使用的同义密码子，编码的氨基酸种类没变，却能达到消除稀有密码子，优化mRNA二级结构等参数，大大提高蛋白质的编码效率的目的。这种在密码子操作的过程就被称作密码子优化。

目前密码子优化多被用在重组蛋白表达上。为获得最佳表达效果，我们通常需要根据物种的密码子偏好性进行序列优化。假设一种情况，宿主平时并不使用UUA编码亮氨酸，并没有转运UUA的tRNA，但此时你转入的核酸序列刚好就是这个UUA密码子，宿主翻译时傻眼了，咋办，是效率减半还是停工待业？无论哪一种情况都不被我们喜闻乐见。

作为新世纪的弄潮儿，我们当然要防微杜渐，于是乎，密码子优化闪亮登场，从源头上杜绝此类事件的发生。

密码子优化在现实研究中已经得到了充分证明，崔丹等依据人密码子的偏好对人胚胎肾细胞(HEK293T)中的重组猪白细胞介素-7（pIL-7）进行优化修饰，结果证明该基因表达水平提高了2倍[5]。如果你认为这就完了，那也是太小看他了，除了运用于提高重组蛋白表达速率，他还能通过改变GC含量提高DNA克隆效率，提高mRNA稳定性，增强转录等等，甚至还能改变蛋白质的溶解度。可真是个小能手呢！

图4 密码子优化提高溶解性蛋白质产率

然而物极必反，并不是任何时候都适合使用密码子优化的。

首先如果是在本地宿主中表达蛋白质，则可能无需密码子优化，因为要知道宿主之前已经经过了成百上千年的进化，我们要相信他们的选择，不要画蛇添足哦！其二，我们也该知道改变密码子就是改变核苷酸排列顺序，自上而下带来的连锁反应，可能最终会影响到蛋白质的表达效果，譬如构象，空间结构，稳定性甚至功能。还有关键一点，我们要警惕同义密码子突变可能会带来不利影响，据报道，5-10％的人类基因含有同义突变可能有害的区域[7]。如果突变刚好在这里，那么……

密码子优化步骤—细微之处见真章

密码子优化是把双刃剑，利用好能给我们带来巨大收益。那么密码子优化的具体步骤都有哪些？常见的工具又包括哪几种呢？在密码子优化过程中，我们有哪些注意事项呢？别急，且听我一句一句道来。

密码子优化一般关注三个参数，它们分别是协调指数、密码子背景指数和离群指数。很绕，对吧，毕竟这是交给计算机的工作。我们要了解的是这些指数代表着什么，根据需要选择最合适的就好。

协调指数，指示候选核酸序列和其他高度表达的基因之间的同义密码子的使用频率分布的一致性，简单点说就是你设计出来的序列和那些公认的劳模（基因高度表达）序列的使用同一密码子相似性大小，当然越高越好啦，使用相同密码子越多说明越能高表达（向前辈看齐嘛）。

密码子背景指数是指用于将同义密码子置于合适位置的量度，就是指选的这个密码子放置的位置合不合适啦，会不会有其他影响啊（譬如影响mRNA二级结构啦），这个指数越高越好。

离群指数是多个预定序列特征对候选核酸序列的负面影响的量度，这个好理解啦，就是说设计出来的序列的不利影响，当然是越小越好啦。

密码子优化从来不是一个简单的事，仅仅只有这三个数值当然不够，我们还需要考虑到1，2，3，4……等等，划重点，最起码要注意5点。

(1) 用宿主中最相似频率的同义密码子替换原序列密码子，同时在设计时要避免2个以上稀有密码子同时存在，不然的话可能会适得其反，翻译速率下降，更有可能翻译提前终止

(2) mRNA二级结构，众所周知，复杂会使效率降低化，一开始设计时就要合理优化起始区的mRNA二级结构，提高翻译速率

(3) 避开某些限制酶切位点，我们的目的是为了提高蛋白质的表达速率，前提是这个重组蛋白载体要能工作

(4) GC量要合适，要知道GC含量可是能影响DNA的稳定性，试想一个不稳定的DNA，你能指望他有多高的蛋白表达量呢

(5) 调整Motif和剪切位点，像增强子、TATA box等顺式作用原件能促进或者抑制基因的表达量，调整他们这些相关Motif能提高蛋白的表达量，去除内含子属性的剪接位点，提高蛋白表达成功率