プラスミド101:コドン使用バイアス

Posted on by admin

地球上のほとんどの生物では同様の遺伝コードが使用されていますが、特定のアミノ酸をコードするために使用するコドンには、異なる生物が異なる好みを持っています。 これは、各コドンに4つの塩基（A、T、C、およびG）および3つの位置があるために可能である。 したがって、64個の可能なコドンがあるが、20個のアミノ酸と3個の停止コドンがコードされており、41個のコドンは不明である。 結果は重複である;多数のコドンは単一のアミノ酸を符号化する。 進化的な制約は、どのコドンが優先的に使用されるかを形成している-生物はコドン使用バイアスを持っている。

コドン表どのコドンがどのアミノ酸をコードするかを示す多くのコドン表を見つけることができます（右の例を参照）。 このような単純なルールを使用すると、関心のあるペプチドをコード化し、選択した生物でそのペプチドを生成するための実行可能なDNA配列を思い付くのは簡単だと思うかもしれません。 残念なことに、コドンの好みはそれを作るので、可能なコドンの中からランダムに選択することはできず、あなたの配列がどの生物でもうまく表現

だから、これらの好みにつながる進化の制約は何ですか、そして私たちはそれらについて何ができますか？ 見つけるために読む！

なぜ生物は異なるコドン使用バイアスを持っていますか？

生物間でコドンの好みが異なる理由は完全には理解されていませんが、いくつかの考えられる理由は次のとおりです:

    1. 代謝圧力-異なるコドンを認識し、tRNAを正しく修飾し、適切なアミノ酸でtRNAを充電するtRNAを生成するには、細胞資源が必要です。 生物がコドンのサブセットのみを使用する場合、荷電したtRNAのサブセットを生成する必要があるだけであり、したがって、翻訳プロセス全体に必要なリソースが少なくなる可能性があります。 例えば、高増殖速度条件下では、大腸菌は、高度に発現された遺伝子中に見出されるコドンを認識するｔＲＮＡの産生を優先的に上方制御する（ＥｍｉｌｓｓｏｎおよびＫｕｒｌａｎｄ、１ ９ ９ ０）。
    2. 遺伝子配列を介した遺伝子発現の制御-低存在量または低荷電trnaを持つコドンによってコードされるタンパク質は、非常に豊富な荷電trnaによってコード 例えば、Ｔｕｌｌｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ． 翻訳効率は大腸菌とs.cerevisiaeの両方でコドンバイアスとよく相関していることがわかった。
    3. タンパク質の折り畳み-タンパク質が高荷電trnaと低荷電trnaとのコドンの混合物によってコードされている場合、タンパク質の異なる領域が異なる速度で翻訳される可能性がある。 リボソームは、豊富で荷電したtrnaを求める領域に沿って迅速に移動しますが、低豊富で荷電していないtrnaを求める領域で失速します。 リボソームが停止すると、これは迅速に翻訳された領域に適切に折り畳む機会を与える可能性があります。 例えば、PechmannとFrydmanは、最適でないコドンの領域が10の密接に関連する酵母株における特定の二次構造と関連していることを見出した。
    4. 変化する条件への適応-生物は、多くの場合、異なる条件下で異なるレベルで遺伝子を発現する必要があります。 多様なコドンの使用により、生物は、特定のtRNAプールを生成して充電することによって、どのタンパク質が高度に発現され、どのタンパク質が不十分に発現されるかを変化させることができる。 例えば、アミノ酸生合成酵素をコードする遺伝子に使用されるｔＲＮＡは、アミノ酸飢餓の間に優先的に荷電されてもよく、その結果、アミノ酸生合成酵素の産生がより高くなる(Dittmar et al., 2005).

コドン使用バイアスは私の実験にどのように影響しますか？

コドンの好みは生物にとって非常に有用ですが、異種宿主でタンパク質を発現しようとする研究者にとっては問題になる可能性があります。 例えば、ヒトゲノムから目的の遺伝子を増幅するだけでは、大腸菌ではまったく発現しないかもしれません（さまざまな生物のコドンの好みを示す 遺伝子が翻訳されていても、正常に機能しないことがあります。 これは、ヒトと大腸菌のコドンの好みの間の不一致の結果である。 ヒトで一般的に使用されるいくつかのコドンは、大腸菌では全く一般的ではなく、その逆もまた同様である。 従ってこれらのコドンを翻訳するとき、リボソームは不適当な位置で停止するか、または非機能蛋白質および蛋白質の片の生産に終って全体のトランスクリプトを通ってそれをそれぞれ作ることを失敗するかもしれません。

コドン使用バイアスの問題を解決する-コドン最適化と代替trnaの発現

コドン最適化

低コストのDNA合成では、研究者はコドン選択の問題を解決する主な方法の一つは、コドンが所望の発現宿主により適切であるように遺伝子を再合成することである。 これは「コドン最適化」として知られています。「理論的には単純ですが、これはそれほど簡単ではありません。 比較的短いペプチドであっても、それらをコードする多くの可能な方法があり得、「適切な」コドンを構成するものは必ずしも明らかではない。

あなたは、”ナンセンス！ 私はちょうど私がエンコードしたいすべてのアミノ酸のために私の宿主生物で荷電trnaの最も豊富なプールを持つコドンを選択する必要があります、”しかし、上記のように、タンパク質のすべての領域が必ずしも適切に機能するタンパク質を生成するために迅速に翻訳されるべきではありません。

あなたは、”Ok、私はちょうど私がホストのために選択したコドンの存在量がネイティブの生物で使用されるコドンの存在量と一致することを確”これはおそらくより良いアイデアであり、過去に成功して使用されています（Angov et al. しかし、完全な遺伝子を設計する際に考慮すべき多くの特徴がまだある。 非網羅的なリストには、次のものが含まれます:

  • コドンの存在量と同族tRNAの存在量
  • 反復配列
  • 制限部位
  • RNA転写物に二次構造を作成しやすい配列
  • 転写への影響（覚えておいて、それは翻訳につい)

あなたが想像するかもしれないように、人間がこれらの要因のすべてを自分自身でバランスさせることは容易ではありません。 幸いなことに、多くの研究者がコドン最適化アルゴリズムと、IDTやGenScript host onlineコドン最適化ツールなどのDNA合成会社を作成しています。 これらのツールのいずれかで遺伝子を最適化するという理由だけで、必ずしも遺伝子がうまく発現するわけではないことに注意してください。 あなたが良い表現を得るならば、あなたはまた、機能的にそれが適切に折り畳まれていることを確認するために生産されたタンパク質を分析す

Addgeneからそれらを含むプラスミドを注文することにより、目的のコドンの遺伝子を最適化することを避けることができるかもしれません。 Addgeneのプラスミドに特定の生物用に最適化されたコドンである遺伝子が含まれている場合、これはプラスミドページの”変異”フィールドに記載されることがあります（例えば、プラスミド87904を参照）。 Addgeneから入手可能な多くのプラスミドは、完全な配列データを持っているので、我々はあなたの実験でそれらを使用する前に、コドンの最適化とあなたの発

代替tRNAの発現

関心のある遺伝子のコドン最適化バージョンを合成する時間や資金がない場合、発現宿主で低存在量tRNAを過剰発現させ、それによ 例えば、市販のＲｏｓｅｔｔａ Ｅ．ｃｏｌｉ株は、通常、Ｅ．ｃｏｌｉ中の低存在量で見出される種々のｔＲＮＡを発現する。

追加のtRNAを産生する利点は、新しい構築物を作成することなく、多くの異なる遺伝子に対して同じ発現系を使用できることです。 しかし、翻訳速度の不一致や細胞増殖への潜在的な影響などの問題のために、代替tRNAを産生する宿主でさえ、目的のタンパク質の十分な量を発現しな

コドンの選択に関する問題を克服するためにどの方法を選択したかにかかわらず、生成するタンパク質が適切に機能することを確認する方法が 過剰発現は、一般的に精製手順中に細胞ペレットと分離する封入体として知られているタンパク質の不溶性、非機能グロブの生産をもたらすことが 選択した発現宿主で大量のタンパク質を産生する場合でも、タンパク質が封入体を形成せず、適切に折り畳まれていることを確認するための機能

クリックしてAddgeneのプラスミド101eBookをダウンロードしてください

1. Angov,Evelina,et al. 「異種タンパク質発現は、標的遺伝子のコドン使用頻度を発現宿主のコドン使用頻度と調和させることによって増強される。”PloS one3.5(2008):e2189. PubMed PMID:18478103. PubMed中央PMCID:PMC2364656.

2. Ｄｉｔｔｍａｒ，Ｋｉｍｂｅｒｌｙ Ａ．，ｅｔ ａ ｌ． “アミノ酸飢餓によって誘導されるtRNAアイソアセプターの選択的充電。^”EMBO reports6.2(2005):151-157.2005.2005.2005.2005. 15678157. PubMed中央PMCID:PMC1299251.

3. エミルソン・ヴァルールチャールズ・G・クーランド “大腸菌における転写RNA存在量の増殖速度依存性。「EMBOジャーナル9.13（1990）：4359-4366。 PubMed PMID:2265611. PubMed中央PMCID:PMC552224.

4. グスタフソン、クレス、Sridhar Govindarajan、ジェレミー Minshull。 “コドンバイアスと異種タンパク質発現。”バイオテクノロジーの動向22.7(2004):346-353. PubMed PMID:15245907.

5. Maertens,Barbara,et al. “遺伝子最適化メカニズム：マルチ遺伝子研究は、大腸菌で発現される全長ヒトタンパク質の高い成功率を明らかにする。”タンパク質科学19.7(2010):1312-1326. PubMed PMID:20506237. PubMed中央PMCID:PMC2970903.

6. ペクマン、セバスチャン、ジュディス-フライドマン。 “コドンの最適性の進化的保存は、共翻訳フォールディングの隠された署名を明らかにする。^”Nature structural&molecular biology20.2(2013):237. PubMed PMID:23262490. PubMed中央PMCID:PMC3565066.

7. Quax,Tessa EF,et al. 「遺伝子発現を微調整する手段としてのコドンバイアス。 分子細胞59.2（2015）：149-161。 PubMed PMID：26186290。 PubMed中央PMCID:PMC4794256.

  • このレビューは、コドン使用バイアスの素晴らしい概要を提供します

8. Tuller,Tamir,et al. “翻訳効率は、コドンバイアスと折り畳みエネルギーの両方によって決定されます。”国立科学アカデミーの議事録107.8（2010）：3645-3650。 PubMed PMID:20133581. PubMed中央PMCID:PMC2840511.

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。