摘要：莱茵衣藻是一种藻类模式植物，可被应用为生物反应器表达外源蛋白，外源基因可整合在叶绿体基因组中实现外源基因的高效表达。由于叶绿体基因组具有自身一套独特的密码子系统，因此，优化外源基因密码子是高效表达外源基因的前提条件。本文的研究针对于衣藻叶绿体蛋白编码基因的密码子的用法进行了初步的研究和分析，并且确定了莱茵衣藻叶绿体基因组的最优密码子，结果显示衣藻叶绿体编码蛋白基因比较偏爱以TTT、TTA、ATT为代表的2以A或T碱基结尾的密码子。在这些基因中，高表达基因比较偏爱以TTC、TTA、GTA、TCT为代表的20个并且它们大部分也都以A或T碱基结尾。分析结果可以用于指导外源基因进行分子改造，从而提高其在衣藻叶绿体中的表达效率和细胞器分子进化研究等有着重要意义。

关键词：衣藻；叶绿体；密码子偏好性；最优密码子

Codon Optimization of the Chloroplast Bioreactor in Chlamydomonas reinhardtii

Abstract: Chlamydomonas reinhardtii is a model plant, which can be used as the bioreactor to express foreign proteins. Exogenous gene can be integrated in the chloroplast genome to realize efficient expression. Chloroplast genome has its own a set of unique codon usage pattern, and therefore the exogenous gene codon was optimized for efficient expression of exogenous genes. In this paper, we investigate the codon usage pattern of the Chlamydomonas chloroplast genes. The preliminary research and analysis was performed on the selected protein-coding genes, and determine the optimal codons of the Chlamydomonas chloroplast genes. The results show that the Chlamydomonas chloroplast genes use preferentially the TTT, TTA, ATT and other 17 codons with the A or T end of codon. In these genes, highly expressed genes usually contain more bias codons. The results can be used to guide the exogenous gene codon modification, so as to improve its efficiency and expressed in Chlamydomonas chloroplasts and to provide useful clues for molecular evolution.

Key words: Chlamydomonas; Chloroplast; Codon preferences; Optimal codon

目录

摘要 1

关键词 1

引言 2

1材料与方法 3

1.1衣藻叶绿体基因组下载 3

1.2衣藻叶绿体基因读码框的确定与编码序列下载 3

1.3有效密码子数目ENC值的计算 3

1.4相对同义密码子用法RSCU值的计算 4

1.5衣藻叶绿体高表达最优密码子的鉴定 4

2结果与讨论 4

2.1衣藻叶绿体基因组中ORF框的鉴定与统计 4

2.259个衣藻叶绿体基因的碱基组成特征 6

2.359个衣藻叶绿体基因同义密码子的相对使用度 8

2.4高、低表达基因样本组同义密码子的相对使用度 11

2.5衣藻叶绿体高表达最优密码子的确 15

3讨论与结论 15

参考文献 16

莱茵衣藻叶绿体生物反应器的密码子优化

引言

众所周知，三个核苷酸组成的密码子可以编码一个氨基酸。根据4种核苷酸类型AUGC的组合方式，密码子共有64种，其中仅有61种可以编码20种氨基酸，另外还有TAA、TAG和TGA是终止密码子。基于上述内容，不难看出，一种氨基酸通常有2个或2个以上的三联体密码子进行编码，这种现象被称为密码子的简并性。不同密码子编码同一个氨基酸，这些密码子称为同义密码子，同义密码子使用的频率不同，这种现象被称为密码子使用的偏好性。

不同的生物或者同一生物的基因组内的不同基因使用密码子是相对不均衡的，有的使用频率高，有的使用频率低，这种现象被我们称为同义密码子的使用偏好性。这种偏好性是在生物长期进化的过程中逐渐形成的，有着种族特异性。此现象常常会降低外源基因在宿主细胞中的有效表达。通过分析不同的生物密码子的使用模式，了解其偏好特性，能够很好的提高外源基因的表达，有效增强新基因预测的准确性以及为深入的分子进化机制的研究等提供数据依据[1]。此外，研究还证实，亲缘关系越远的物种密码子偏好性差异越大，密码子用法偏好性成为外源基因表达量较低的重要原因。为克服外源基因表达低的难题，必须对外源基因的密码子进行设计，也就是说对密码子进行优化后，再进行外源表达可大大提高外源基因的表达量，为大规模生产外源蛋白提供保障[2]。