探究密码子优化对酶催化效率的增强作用——密码子优化策略分析

密码子优化策略

在运用大肠杆菌进行异源蛋白表达的过程中，有时会遇到重组蛋白表达量偏低的问题，这给后续的分离纯化工作带来了不小的挑战。部分技术人员对此感到困惑，因为所表达的蛋白并非毒蛋白，且所用的载体为市售载体，一般而言，市售载体的启动子活性都很强，这也就排除了转录水平低的可能性。那么，为何蛋白质的表达水平依然如此之低？这时，你需要考虑是否是密码子偏性问题。

那么，何为密码子偏性呢？可以这样理解，经过千万年的进化，宿主细胞中密码子与反密码子之间已经形成了一种平衡，某些密码子的出现频率较高，其对应的tRNA水平也相应较高，而密码子频率较低的，其对应的tRNA水平则较低。如果外源基因中携带了大量在宿主中频率较低的密码子，那么对应的tRNA就会出现供应不足的情况。宿主细胞首先需要保证自身蛋白质的合成，剩余的tRNA才能用于异源蛋白质的合成。尽管宿主细胞可以提高tRNA的水平，但对于异源蛋白质来说，合成的速度变慢或延迟，就会导致翻译过程的一系列连锁减慢，从而使得合成效率大幅下降。

基于这一原理，为了提高某一基因在异源宿主中的表达量，一种常用的策略就是将目的基因中的稀有密码子进行同义替换，使其更接近宿主细胞的密码子使用方式。通过这种方法，已有许多关于提高外源基因在大肠杆菌宿主中表达量的报道。

在此，我制作了一个包含大肠杆菌所有密码子偏好的数据集，表中RSCU代表该密码子在所有同义密码子中的相对概率，计算方法为：[该密码子出现频率]/[同义密码子概率之和]×同义密码子个数。根据密码子RSCU值可以判断其偏性，在进行密码子替换时，将RSCU值低的密码子替换成值高的密码子，从而提高异源蛋白的表达量。

同时，我还提供了两个用于密码子优化的网页工具：OPTIMIZER和Jcat。Optimizer在进行密码子优化时会考虑GC含量、密码子平衡（如果将所有低频密码子换成最高频密码子，会导致细菌表达压力过大，不利于自身生长，这也是不可取的），还能规避酶切位点，并允许用户指定参考集等，功能强大，推荐使用该工具。Jcat则简单直接，直接将低频密码子替换成高频密码子。如果您只有蛋白质序列可用，我可以为您提供一个我自己编写的工具。

至于是什么进化压力导致了密码子使用偏性，目前还没有定论。一些研究者认为，密码子偏性可以减少同工tRNAs的多样性，一些稀有密码子的tRNAs含量较少，有利于生物在快速生长条件下节约部分能量，从而降低新陈代谢负荷。无论是什么原因导致了密码子偏性，但密码子偏性对异源蛋白表达水平的影响确实是深远的。