瓜螺线粒体全基因组密码子偏好性分析

【目的】探究瓜螺（Melo melo）线粒体全基因组密码子使用偏好性，明确影响密码子偏好性的因素，为提高基因表达效率及了解瓜螺线粒体基因组的特性和进化方向提供科学依据。【方法】以瓜螺线粒体全基因组序列为研究对象，从中筛选出11条长度大于300 bp且以ATG为起始密码子的非重复基因序列，利用CodonW 1.4.2、Excel 2017及SPSS 22.0等软件进行瓜螺线粒体全基因组密码子偏好性分析。【结果】不同基因序列密码子位置所对应的G+C含量不同，其中，GC₁（密码子第1位所代表的G+C含量）、GC₂（密码子第2位所代表的G+C含量）、GC₃（密码子第3位所代表的G+C含量）的变化范围分别为35.20%~51.90%、16.40%~40.60%和13.10%~34.90%，对应平均值为41.15%、32.29%和23.71%，GC₁和GC₂明显高于GC₃；密码子适应指数（CAI）在0.110~0.180，平均为0.137；密码子偏好性指数（CBI）在-0.272~-0.090，平均为-0.175；最优密码子使用频率（FOP）在0.216~0.339，平均为0.277；有效密码子数（ENC）在36.84~53.75，平均为45.59；总平均亲水性（GRAVY）在0.480~1.394，平均为0.968。有30个同义密码子的相对使用度（RSCU）大于1.00，且主要以A/U结尾。中性绘图分析发现，GC₁和GC₂平均值（GC₁₂）与GC₃的相关系数为-0.438，相关性不显著（P>0.05，下同）；ENC-plot绘图分析结果显示，各散点（基因）均位于标准曲线附近，其中，NAD4、COX2和NAD3基因位于标准曲线上方，COX1、ATP6、NAD1、NAD6、COB、NAD5、COX3及NAD2等8个基因位于标准曲线下方；在对应性分析中，第一、第二、第三、第四向量轴的贡献率分别23.12%、15.19%、13.17%和9.63%，前4轴累计差异为61.12%。综合高频密码子与高表达密码子，最终筛选出4个最优密码子（UUU、GUU、ACU和CAU），且均以U结尾。【结论】瓜螺线粒体全基因组密码子偏好以A/U结尾的形式，筛选出的4个最优密码子（UUU、GUU、ACU和CAU）均以U结尾。除了自然选择在瓜螺线粒体全基因组密码子偏好性形成中占主导地位外，突变压力和碱基组成也影响其密码子偏好。因此，可通过瓜螺目的基因密码子优化，有效提高外源基因表达且优化性状决定基因，从而加速瓜螺优良亲本培育的进程。     

7种睡莲属植物叶绿体基因组密码子偏好性分析

以7种睡莲属植物叶绿体基因组为研究对象,分析其叶绿体基因组的密码子使用偏好性,探讨影响其密码子偏好性形成的主要因素。结果表明,7种睡莲叶绿体密码子使用偏好性相似,基因组序列富含A/T碱基,密码子第3位碱基以A/T结尾为主;有效密码子数（ENc）分别为40.14~61.00、40.14~61.00、40.55~57.61、39.77~57.61、39.55~57.30、39.56~61.00和40.10~61.00,均明显大于35,表明其密码子使用偏好性较弱。ENc-plot、PR2-plot和中性绘图分析表明,它们的叶绿体密码子偏好性形成受自然选择、碱基突变等多种因素共同影响,其中自然选择起主导作用。通过同义密码子RSCU值分析,发现以A/T结尾的高频密码子27个,以G/C结尾的低频密码子26个,进一步依据密码子RSCU和△RSCU值,最终确定出4个最优密码子。此外,基于7种睡莲叶绿体基因组密码子使用偏好特征RSCU值、CDS序列及其全基因组序列分别构建系统进化树,分析发现3种方法构建的物种间进化关系相似,均划分为2大分支,其中Nymphaea alba var.rubra、Nymphaea alba、Nymphaea ampla、Nymphaea capensis、Nymphaea jamesoniana和Nymphaea lotus划归第1分支,Nymphaea mexicana单独形成第2分支。研究结果进一步支持了物种内遗传关系与密码子使用偏好性之间存在一定关系。     

螯虾次目功能基因密码子偏好性研究

以螯虾次目功能基因组中的208个蛋白质编码基因序列为数据来源,应用CodonW　14软件对螯虾次目功能基因中密码子组成、同义密码子使用频率、密码子3个位置的G+C含量、有效密码子数等进行分析。结果显示,螯虾次目密码子第三位的G+C含量明显高于第一/二位,表现出对以G或C碱基结尾的密码子的偏好性使用,并确定了9个螯虾次目最优密码子。上述研究结果为今后螯虾次目新基因的发现、功能基因表达调控研究、蛋白质结构和功能预测、以及与其他虾类的比较基因组学研究、螯虾分子标记育种等提供了理论基础。     

8种植物类甜蛋白家族基因进化及密码子特征分析

类甜蛋白(thaumatin-like proteins, TLP)被归为病程相关蛋白第5家族，在植物防御和生长发育过程中发挥作用。使用Mega X、CodonW及EMBOSS网站在线软件，分析8种植物(莱茵衣藻、小立碗藓、拟南芥、水稻、谷子、高粱、小麦、玉米)类甜蛋白家族进化和密码子使用偏性。结果表明，植物类甜蛋白主要归为10个聚类组，其中聚类组Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ中的TLP数目相对较多；5种禾本科作物TLP家族基因主要以G和C作为第3位密码子，密码子具有较强的偏好性，多数类甜蛋白基因ENC值较小，GC3s值分布较集中；8个最优密码子第3位均为G或C结尾，禾本科植物类甜蛋白家族基因密码子偏好G/C结尾。本研究分析了8种植物中类甜蛋白家族基因的进化特征及密码子使用偏性，为该家族基因的分子进化以及转基因应用提供了理论依据。     

13种哺乳动物OTR密码子使用偏性及其聚类分析

目的研究13种哺乳动物催产素受体基因（OTR）密码子使用偏性,并探讨其影响因素;通过对偏性情况进行聚类分析,研究其与系统发育的关系．方法计算RSCU,CBI,ENC等密码子偏性指标,与可能的几种影响因素做相关性分析,采用SPASS15．0软件,以相对同义密码子使用度为变量对偏性情况进行聚类分析．结果与结论1）CUG,GUG,GCC,UUC,AUC,CGC为哺乳动物OTR使用频率较高的密码子;2）密码子第3位碱基的GC含量是影响哺乳动物OTR密码子偏性的主要因素,基因的GC含量次之,而芳香族氨基酸的含量和蛋白疏水水平对其密码子使用偏性的影响不大;3）对于功能相同的基因,亲缘关系相近的物种密码子使用偏性指标较接近,但某些物种仍有一定差异．     

玉米同义密码子使用偏性分析

利用玉米B73全基因组53 764个基因的表达序列数据,使用多重变量分析软件CodonW对影响密码子用法的因素进行分析。结果表明:在59种同义密码子中有27种为玉米最优密码子。同时还指出,最优密码子的使用频率(FOP)与基因的G+C含量(GC),尤其是第3位密码子的G+C百分含量(GC3S)、密码子适应指数(CAI)和密码子偏爱指数(CBI)之间均呈现极显著的正相关(相关系数分别为r=0.780 7、0.822 3、0.731 4和0.986 3),而与有效等位基因数ENc存在显著负相关(相关系数r=-0.681 5)。表明基因GC含量直接影响玉米密码子使用的偏性,同时基因的表达水平越高,对密码子的使用偏向性越强。27个最优密码子的首次确定将对玉米转基因具有重要指导意义。     

楸树叶绿体基因组密码子偏性分析

【目的】分析楸树叶绿体基因组密码子使用偏性,为楸树乃至梓属植物叶绿体基因组学、物种进化特征及遗传多样性分析等研究提供理论依据。【方法】利用Codon W 1.4.2及EMBOSS expiorer的cusp和chips软件对51个楸树叶绿体基因的编码区（CDS）序列进行密码子相关参数、中性绘图、ENC-plot和PR2-plot等分析,并通过构建高、低表达偏性基因库,以ENC值和RSCU值为参考标准,最终筛选最优密码子。【结果】51个基因密码子的平均GC_all含量为38.48%,密码子不同位置GC含量为:GC₁（47.03%）>GC₂（39.93%）>GC₃（28.09%）,说明第3位的GC并非均匀分布;ENC为34.93~56.50,平均为46.87。GC₂与GC₁呈极显著正相关（P<0.01）,而GC₃与GC₁和GC₂无显著正相关（P>0.05）;ENC与GC_all、GC₁、GC₃和N均呈显著正相关（P<0.05,下同）;密码子数（N）与GC3和ENC呈显著正相关。RSCU>1的密码子共有30个,其中,以A或U结尾的密码子有29个。中性绘图分析结果显示,GC₃与GC₁₂相关系数为0.0188,二者无显著相关性,回归系数为0.143。ENC-plot分析结果显示,大部分基因偏离了ENC预期标准曲线,少数分布在预期曲线附近;有7个密码子分布在GC₃含量-0.05~0.15区间,其余区间共有44个密码子,而这44个基因离ENC标准曲线较远。PR2-plot分析结果显示,落在中线上的基因较少,平面图右下方的基因分布较多,表明在各碱基使用频率方面存在偏性,即T>A,G>C。各碱基使用频率存在偏性（T>A,G>C）,说明基因组密码子的偏性更多受选择效应的影响。最终筛选出7个为最优密码子UUU、CUU、CCU、AAA、GAU、CGA和GGU。【结论】楸树叶绿体基因组密码子偏性较弱,偏好使用A或U结尾的密码子,主要受选择压力的影响,受突变等其他因素影响较小。     

香花枇杷质体基因组序列密码子偏性分析

选取香花枇杷质体基因组进行密码子使用偏好性的生物信息学分析,用于理解其密码子使用偏性的主要原因,为今后该属植物基因的进化、起源以及转化体系中载体构建等方面研究提供借鉴。利用Codon W 1.4.2、SPSS statistics 17.0、Excel 2016和cusp等软件对筛选出的37条基因编码序列密码子进行最优密码子分析、中性绘图分析、ENC-plot和PR2-plot绘图分析。结果表明,ENC平均值为47.02;GC₃与GC₁、GC₂的相关性均不显著;GC_all为39.08%,GC₁（48.79%）>GC₂（40.18 %）>GC₃（28.44%）;RSCU>1的29个密码子中有28个以A或U结尾;PR2-plot绘图分析显示多数位点偏离中心,落于左下方位置;确定了UUU、UUG、CUU等15个最优密码子。香花枇杷叶绿体基因组中,同义密码子的使用偏性较弱（47.02）;密码子的第1、 2位碱基组成比较相似,但均不同于第3位;整体A、U含量大于C、G,末位碱基以A、U为主,且嘧啶的使用频率高于嘌呤;香花枇杷叶绿体基因组密码子的使用模式主要受到选择、突变的和其他因素的综合作用影响。     

桦木科叶绿体基因组密码子偏好性及系统发育分析

为分析桦木科叶绿体基因组编码区密码子的使用特征，利用CodonW1.4.2、Origin、SPSS25.0、 MEGA7.0软件和在线程序CUSP对50种桦木科植物叶绿体基因组密码子的偏好性及物种间的系统发育进行分析。结果表明，桦木科叶绿体基因组密码子适应指数（codon adaptation index,CAI）在0.163～0.166之间，平均0.165，有效密码子数（effective number of codon,ENC）范围在49.29～50.46之间，平均49.78，密码子偏好性弱。密码子不同位置的GC含量表现为GC1(45.4%)>GC2(37.4%)>GC3(29.7%)，表明桦木科叶绿体密码子偏好于使用A/U结尾。ENC与密码子GC2、GC3及平均GC含量呈极显著正相关（P<0.01）。中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析表明，自然选择是桦木科叶绿体基因组密码子偏好性的主要影响因素。桦木科叶绿体基因组共有15个最优密码子，分别为CUC、CUG、AUC、GUC、GUG、GGG、UGC、CCA、ACG、GCC、CGA、CGG、CAG、GAG...     

小粒咖啡铁皮卡叶绿体基因组密码子偏好性分析

为了解铁皮卡叶绿体基因组密码子的使用特征及其成因,以筛选的52条蛋白编码序列为研究对象,利用CodonW和CUSP在线软件对其密码子使用特征进行系统分析。结果表明,基因组各位置的GC含量GC₁、GC₂、GC₃分别为47.47%、39.52%、27.92%,30个高频密码子中,以U结尾占比53.33%,以A结尾占比43.33%,以G结尾占比3.33%,说明铁皮卡叶绿体基因偏好使用NNA 和NNU 型密码子,尤其偏好使用NNU型密码子。有效密码子数（ENC）、密码子适应指数（CAI）、最优密码子频率（Fop）分别为46.85、0.167、0.352,均揭示该基因组的密码子偏性较弱。中性绘图、ENC-plot、PR2-plot以及对应分析揭示密码子的偏好性受到选择及其他因素共同作用,最终确定了AUU、GUU和UCU等20个最优密码子。表明铁皮卡叶绿体基因组密码子的偏性较弱,偏好AU结尾的密码子。密码子的使用偏好性受到突变及选择等多种作用共同影响。     

梨同义密码子用法的初步分析

生物体内密码子使用偏性对外源基因表达存在较大影响。本研究采用CodonW软件和高频密码子分析法,对白梨(Pyrus bretschneideri Rehd)、西洋梨(Pyrus communis Linn)、砂梨(Pyrus pyrifolia Nakai)、秋子梨(Pyrusussuriensis Maxim)4种梨蛋白质编码基因序列(Codon DNA sequence,CDS)进行了同义密码子相对使用频率(relativefrequency of synonymous,RFSC)分析,确定了梨高频密码子共23个,结果同时显示梨不同种之间在密码子使用上具有较高的一致性。     

罗氏沼虾转录组密码子使用偏好性分析

以罗氏沼虾转录组数据为数据来源,通过研究罗氏沼虾转录组的密码子使用参数(如有效密码子的数量和相关密码子碱基的具体组成信息等),并且采用Codon W 1.4.4深入开展了统计和计算。研究结果显示,同义密码子第三位核苷酸和表达基因密码子GC含量均值分别为0.40和0.45。从整体上看,ENC的平均值等于52.72,其中绝大部分的ENC值小于35。采用高频密码子的研究方法获得GAU、GAA、UUU、AAU、CCA等5个高频密码子。通过最优码子分析法确定16个最优密码子,编码10个氨基酸,最优密码子除UUG外均以A/T结尾。而且把它和大肠杆菌、酵母、果蝇以及人类等6种生物的密码子使用频率开展比较,结果表明,与大肠杆菌和果蝇存在较大差异,而与酵母最为接近。研究结果可为罗氏沼虾功能基因和分子育种等提供理论基础。     

20个物种同义密码子偏性的比较分析

对6种双子叶植物、4种单子叶植物、7种多细胞真核动物、2种单细胞真核生物及1种原核生物(大肠杆菌)的编码序列(CodingDNASequence,CDS)进行了比较研究。结果发现,各供试物种密码子的用法存在明显的位置依赖,编码区域不同区段对密码子选择使用的程度差异很大,表明基因的同义密码子偏性与其编码区不同区域的碱基环境密切相关;基因组差异是造成密码子使用偏性的首要因素。对"翻译起始区"和"翻译终止区"的特征分析发现,大部分供试物种编码序列中的"翻译起始区"碱基偏置强烈,"翻译终止区"相对较弱,暗示"翻译起始区"的密码子使用对提高蛋白翻译的效率和精确性更为重要。不同物种中G+C含量对其同义密码子偏性的贡献率差异很大,但并非是影响同义密码子使用偏性的唯一因素。可以认为,基因编码区域密码子偏性的研究能为搜寻物种进化的分子机理提供线索。     

三种块菌(松露)全基因组密码子使用偏性及其影响因素

块菌又称松露,为珍稀野生药食兼用的大型真菌,具有极高的营养保健价值。密码子使用偏性分析可为块菌的遗传进化与资源开发提供理论依据。基于黑孢块菌(Tuber melanosporum)、白块菌(T. magnatum)和波氏块菌(T. borchii)的基因组数据,利用CodonW 1.4.2、Mega X软件和EMBOSS在线网站,系统分析3种块菌基因组密码子使用特征及其影响因素。结果显示,3种块菌基因组密码子使用模式高度相似,密码子第3位偏好鸟嘌呤或胞嘧啶(G/C),有效密码子数值较高,其中,黑孢块菌与波氏块菌密码子使用性相似度最高,白块菌鸟嘌呤或胞嘧啶碱基相关参数均较高。3种块菌最优密码子中G/C结尾的分别占81.8%、78.9%和61.9%,三者共有的高频密码子24个,共有的最优密码子14个,均偏好鸟嘌呤或胞嘧啶或胸腺嘧啶结尾的密码子,但总体偏好性不强。奇偶偏性、ENC-GC3s关联、中性绘图和对应性分析显示,3种块菌密码子使用偏性形成受选择压力等多种因素影响,其中黑孢块菌主要受翻译选择压力影响,白块菌主要受翻译选择外的其他因素影响,波氏块菌受选择压力影响相对较弱。研究表明,3种块菌基因组密码子使用模式相似,偏性较弱,表达潜力较低,受多种因素影响,研究结果可为块菌的物种演化研究和遗传育种提供理论基础。     

Comparative analysis of flower-meristem-identity gene APETALA2 (AP2) codon in different plant species

The flower-meristem-identity gene APETALA2(AP2), one of class-A genes, is involved in the establishment of the floral meristem and the forming of sepals and petals. Codon usage bias(CUB) identifies differences among species, meanwhile dynamic analysis of base composition can identify the molecular mechanisms and evolutionary relationships of a specific gene. In this study, eight coding sequences(CDS) of AP2 gene were selected from different plant species using the Gen Bank database. Their nucleotide composition(GC content), genetic index, relative synonymous codon usage(RSCU) and relative codon usage bias(RCUB) were calculated with R Software to compare codon bias and base composition dynamics of AP2 gene codon usage patterns in different plant species. The results showed that the usage of AP2 gene codons from different plant species were influened by GC bias, especially GC3 s. Overall, base composition analysis indicated that the usage frequency of codon AT in the gene coding sequence was higher than GC among AP2 gene CDS from different plant species. Furthermore, most AP2 gene CDSs ended with AT; AGA, GCU and UGU had relatively high RSCU values as the most dominant codon; the usage characteristic of the AP2 gene codon in Malus domestica was similar to that of Vitis vinifera; Paeonia lactiflora was similar to Paeonia suffruticosa and Solanum lycopersicum was similar to Petunia×hybrida. There was a moderate preference in the usage of AP2 gene codon among different plant species from relatively low frequency of optimal codon(Fop) values and high effective number of codons(ENC) value. This study has revealed the usage characteristics of the AP2 gene codon from the comparision of AP2 gene codon preference and base dynamics in different plant species and provide a platform for further study towards transgenic engineering and codon optimization.     

香蕉基因组密码子使用偏好性分析

[目的]分析香蕉基因组的密码子组成及使用偏好性,探讨影响密码子偏好性形成的主要因素,为提高香蕉外源基因的表达水平及转基因抗病育种提供参考.[方法]以香蕉基因组的36242条高置信蛋白编码基因CDS序列为研究对象,运用CodonW 1.4.4统计分析香蕉基因组的密码子组成及使用参数,确定最优密码子,并分析密码子使用参数间相关性.[结果]从香蕉基因组数据中筛选获得36242个高置信蛋白编码基因CDS序列,平均长度为1035 bp,GC含量为3.0%~75.8%,其中低于20.0%的仅13个序列,全基因组中GC总含量为50.4%;同义密码子第3位出现G或C的频率为52.9%,比出现A或T的频率高.香蕉基因组的有效密码子数(ENC)介于20.0~61.0,平均为50.7;共有17个最优密码子,其中有15个密码子的第3位是G或C;基因编码区的长度和ENC存在正相关,随着基因编码区长度的增加,对以G或C结尾的密码子使用偏好性逐渐降低,且编码区长度为400~600 bp的基因具有较高的基因表达水平.[结论]香蕉基因组中多数基因的密码子使用偏好性较弱,但少部分基因具有强偏好性,偏好使用以G或C结尾的密码子,且偏好性受核苷酸组成、基因突变及自然选择等因素的影响.     

豆科植物IPI基因密码子偏好性

异戊烯基焦磷酸异构酶（isopentenyl diphosphate isomerases,IPI）作为2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate,MEP）和甲羟戊酸（mevalonate,MVA）途径的关键酶,参与植物萜类化合物的生物合成。豆科植物含多种萜类物质,研究豆科植物IPI基因密码子偏好性对促进豆科植物IPI基因表达、增加萜类物质产率具有重要意义。运用Codon W、EMBOSS等程序分析32个IPI基因的碱基组成、相对密码子使用度（RSCU）、有效密码子数（ENc）、密码子适应指数（CAI）等参数,并结合ENC-GC3s与PR2-plot方法确定豆科植物IPI基因的密码子偏好性。结果表明,豆科植物IPI基因偏好性较强（RSCU>1）的密码子有7个,最优密码子是GGU,第3位碱基的GC含量（GC3s）[落花生2 (Arachis hypogaea 2)除外]与同义密码子GC含量（GC）<0.5,密码子偏好以A/U结尾。ENc为46.69~55.00,CAI为0.23~0.27,IPI基因表达水平偏低。ENc-GC3s与PR2-plot分析结果表明,自然选择是形成豆科植物IPI基因密码子偏好性的主要原因。相较于RSCU聚类树,基于编码序列的系统进化树更能反映物种真实的系统发育关系。大肠埃希菌、烟草与拟南芥可以作为豆科植物IPI基因外源表达的宿主,研究结果将为开展IPI基因的密码子改造与遗传工程操作奠定基础。