密码子偏好性分析

Abstract Lipopolysaccharide-binding protein(LBP) is key factor in identifying endotoxin of gram-negative bacterium and starting immune response. The aim of this study was to understand LBP gene codon use features and provide foundation for selecting appropriate receptor animals and expression systems. In this
摘 要 脂多糖结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein, LBP)是机体识别革兰氏阴性菌内毒素并启 动免疫反应的关键因子。为了了解 LBP 基因的密码子使用特性，为其选择合适的受体动物以及最佳外源 表达系统提供依据，本研究运用 CHIPS、CUSP 和 CodonW 在线程序分析自主电子克隆的猪(Sus scrofa) LBP 基因(GenBank 登录号: NM-001128435.1)的密码子偏好性，并与猪 8 种抗病相关基因、模式生物基因 组以及其他物种 LBP 基因相比较。结果表明，猪 LBP 基因大部分偏好使用以 G/C 结尾的密码子，27 种偏 好密码子(相对使用度(RSCU)＞1)中偏好性较强的有 GCC、CAC、CTG 和 TCC(RSCU≥2)，而猪 8 种抗病 相关基因有 23 种偏好密码子，全部以 G/C 结尾，并且偏好性较强的密码子有 GCC、ATC、CTG 和 GTG；通 过比较 14 种动物的 LBP 基因密码子偏好性，发现 14 个物种的 LBP 基因表达水平一般，并且都偏好以 G/C 结尾的密码子；聚类分析发现，偶蹄目猪与 2 种食肉目动物(猫(Felis catus)和狗(Canis))聚为一类，与系统 分类关系不一致；在密码子的使用频率上，猪 LBP 基因与小鼠(Mus musculus)基因组的差异小于大肠杆菌 (Escherichia coli)和酵母菌(Saccharomyces)等 2 种模式生物基因组，故小鼠更适合作为该 LBP 基因的外源表 达宿主。本研究结果为 LBP 基因在动物遗传改良中选择合适的受体动物、选择最佳的外源表达系统以及 提高其表达水平提供一定的理论依据。 关键词 猪，脂多糖结合蛋白基因(LBP)，密码子偏好性
究在不断发展，从研究方向来看，以前主要研究原核
脂 多 糖 结 合 蛋 白 (lipopolysaccharide- binding
生物以及低等真核生物中密码子偏性与基因表达的 protein, LBP)是机体识别革兰氏阴性菌内毒素并启
关系(Gustafsson et al., 2004)，随后更多的开始关注 动免疫反应的关键因子。目前关于猪(Sus scrofa)
哺乳动物、植物等高等生物的密码子偏性，这可以有 LBP 基因的研究报道较少，喻礼怀等(2012)利用电
效地分析动植物的基因表达差异以及分子进化机制 子克隆成功克隆出猪 l., 2007)，并且通过比较密码子偏性 Uenishi 等(2004)通过猪 EST 序列数据库成功拼接
突变和选择的影响，还受其他多种因素影响，如基 CodonW 在线程序，分析猪 LBP 基因的密码子偏
Online system:
农业生物技术学报 Journal of Agricultural Biotechnology
2013, 21(10):1135~1144 DOI: 10.3969/j.issn.1674-7968.2013.10.001
研究论文 Article
research, pig(Sus scrofa) LBP gene(GenBank Accession: NM- 001128435.1) based on electronic cloning sequence was analyzed by Codon W, CHIPS, and CUSP programs online, and then compared with eight disease resistance- related genes, genomes in model organisms and LBP genes from 14 animal species. The results showed that most of pig LBP genes were bias toward the synonymous codons with G and C at the third codon position. There were twenty- seven biased codons (relative synonymous codon usage(RSCU) ＞1), whose biased strongly codons were GCC, CAC, CTG and TCC (RSCU≥2). However, all of eight disease resistance-related genes were bias toward codons with G and C, and had twenty-three biased codons, whose biased strongly codons were GCC, ATC, CTG and GTG. The comparative analysis results of LBP genes from 14 animal species also showed that gene expression level was general in 14 animal species，and all of the LBP genes were bias toward the synonymous codons with G and C at the third codon position, which was possible due to special functions of these genes. Clustering analysis showed that pigs belonging to artiodactyla and animals belonging to carnivora were together for a class, which disagreed with taxonomic relationship. The differences in codon usage frequency between pig LBP gene and genome of Mus musculus were less than other two kinds of model organisms' (Escherichia coli and Saccharomyces Yeast) genome. Therefore, Mus musculus expression systems might be more suitable for expression of LBP gene. This study can provide certain theoretical basis for selecting the appropriate receptor animals in animal genetic improvement, selecting appropriate expression systems and improving the expression level of LBP gene. Keywords Pig, Lipopolysaccharide-binding protein gene(LBP), Codon bias
为同义密码子的末位碱基突变是中性选择的结果， 达水平的预测都有待解决，分析密码子偏好性有助
而这种选择不受自然选择压力的影响；选择-突变- 于指导外源基因进行分子改造，从而提高该基因的
漂变学说认为同义密码子的偏好性使用主要是用 表达效率以及新基因预测和基因组注释的准确性
于选择最优密码子。研究发现密码子偏性不仅受 ( 刘 汉 梅, 2010)。 本 研 究 运 用 CHIPS、CUSP 和
遗传信息是主要按照“中心法则”进行传递，即 Powell, 1997)、翻译的起始效应(Sakai et al., 2001)
从 DNA 转录为 mRNA，最后翻译成氨基酸的过程。 以及氨基酸保守性(张文娟, 2006)等。密码子偏性
其中，氨基酸是以三联体密码子形式编码，每个氨基 分析已经成功运用到转基因研究中，通过比较某一
基金项目：国家自然科学基金(No.31172183)，江苏省科技支撑计划(农业)(No. BE2012330, BE2010371, BE2013345)和江苏 省产学研前瞻性联合研究项目(No.BY2012157) 收稿日期：2013-05-21 接受日期：2013-07-15
农业生物技术学报 1136 Journal of Agricultural Biotechnology
猪脂多糖结合蛋白基因(LBP)的密码子偏好性分析
吴正常 1 王靖 1 赵乔辉 1 朱世平 1 訾臣 1 吴圣龙 1,2 包文斌 1,2*
1 扬州大学动物科学与技术学院，江苏省动物遗传繁育与分子设计重点实验室，扬州 225009；2 江苏省现代种猪分子选育工程技术研究中心， 常州 213149 *通讯作者，wbbao@
的差异程度，来分析物种间的亲缘关系。
出猪 LBP 基因的 mRNA 序列，GenBank 登录号为
密码子偏性现象存在 2 种理论，即中性理论和 NM_001128435。虽然已经预测出猪 LBP 基因的编
选择-突变-漂变学说(Bulmer, 1991)。中性理论认 码序列，但该基因最佳外源表达系统的选择以及表