密碼子優化、mRNA結構優化及基因表達優化

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摘要:密碼子優化是基因表達優化的關鍵步驟之一。其中涉及mRNA二級結構、稀有密碼子、核糖體結合位點等關鍵因素。簡單說,基因能否順利表達蛋白與稀有密碼子含量、mRNA結構是否阻礙翻譯有很大關系。德泰開發的生物信息學軟件MaxCodonTM經過近千個項目實踐的優化,可以幾乎完美地優化這些關鍵因素,為蛋白表達提供堅實基礎。基因表達優化還包括載體,表達系統特異性,表達條件優化。

稀有密碼子在線分析工具

密碼子優化

密碼子優化涉及的優化點可以從基因合成、載體構建、基因轉錄、mRNA翻譯、翻譯后修飾等過程中提取,目的只有一個,就是便于相關過程的高效達成。以下是部分優化內容:

南京德泰生物基因合成 基因合成

平衡GC含量
正反向重復序列
二級結構

南京德泰生物載體構建 表達載體構建

目標基因上下文
酶切位點

基因轉錄過程 基因轉錄

平衡GC含量 平衡CpG島
SD序列 Kozak序列
TATA框 Chi位點
終止信號 隱蔽剪切位點

mRNA翻譯過程 mRNA翻譯及折疊

密碼子偏好性
GC含量 polyA位點信號
mRNA二級結構
mRNA自由能
核糖體綁定位點

特定功能的Motif

許多motif在基因表達過程中承擔著重要的角色,隨著研究的不斷開展,功能性motif也在不斷被發現,我們會將其不斷地添加到南京德泰生物的密碼子優化工具中。舉例如下:

  • TATA框:是構成真核生物的啟動子元件之一,位于轉錄起始點上游-30bp處,它可以保證轉錄的正確定位。
  • SD序列: 作為原核表達的核糖體綁定位點,是翻譯必不可少的信號。
  • Kozak 序列:真核生物中符合 Kozak 規則的基因,其轉錄及翻譯效率較好。
  • Chi 序列:在原核生物中能夠增加自然重組的幾率,可能會影響人工重組蛋白的表達。
  • 隱蔽剪切位點:真核生物中存在大量的隱蔽剪切位點(cryptic splice sites),一旦被激活,會造成 mRNA 的剪接偏離我們的預期。

仔細研究轉錄、翻譯的過程,并不斷閱讀基礎資料及最新研究進展,不斷搜集相關的 motif 模式,我們南京德泰生物在不斷完善密碼子優化算法。在載體設計上,我們要通盤考慮。當然,部分 motif 已經固化到了商業載體上了。

重復序列

重復序列過多,會增加基因合成的難度。反向互補序列也對 mRNA 二級結構有重要影響。德泰生物生物信息工具板塊的基因重復序列計算器工具可以對序列進行分析,找出序列中重復序列的位置并計算得到重復序列的退火溫度。

GC 含量

相對于 AT 配對需要 2 個氫鍵,GC 配對是 3 個氫鍵,GC 含量直接影響著 PCR 退火溫度。在啟動子等保守區域 GC 含量相對較高。GC 含量也影響著 mRNA 熱力學穩定性及 mRNA 二級結構。

gc-content
該GC含量計算結果圖由德泰生物GC含量計算工具計算并提供。

mRNA 二級結構

mRNA 二級結構是影響翻譯過程的重要因素,復雜穩定的二級結構會阻礙翻譯過程的順利進行,特別是核糖體綁定位點(RBS)附近的二級結構。mRNA 的二級結構預測是一個復雜的過程,需要考慮堿基配對、自由能等多種因素,南京德泰生物的密碼子優化系統可以快速有效識別發卡(Hairpin)結構區并進行有效規避。

mrna-secondary-structure

密碼子偏好性

不同物種的種屬之間,對同義密碼子的使用頻率是不同的。在外源基因的同義密碼子使用頻率與表達宿主相匹配的情況下,外源基因的表達水平會顯著提高。常用密碼子適應指數(Codon Adaption Index)來表示。

codon_bias
德泰生物生物信息工具板塊提供密碼子適應指數計算工具,輸入序列并選擇宿主細胞及遺傳密碼子表,即可計算得到該序列在宿主細胞的密碼子適應指數CAI。

限制性酶切位點

限制性酶切位點需要根據實際情況進行排除,以免與需要用到的酶切位點產生沖突,影響重組基因的操作。

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