竹节参转录组使用密码子偏好性分析

梁㊀娥ꎬ齐敏杰ꎬ丁延庆ꎬ等.竹节参转录组使用密码子偏好性分析[Ｊ].江苏农业科学ꎬ２０１９ꎬ４７(２):５９－６３.ｄｏｉ:１０.１５８８９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２－１３０２.２０１９.０２.０１３

竹节参转录组使用密码子偏好性分析

梁㊀娥１ꎬ齐敏杰１ꎬ丁延庆２ꎬ张㊀来２

(１.贵州师范大学生命科学学院ꎬ贵州贵阳５５００００ꎻ２.安顺学院农学院ꎬ贵州安顺５６１０００)

㊀㊀摘要:竹节参是我国珍稀濒危中药材ꎬ研究其基因密码子使用模式ꎬ可为利用基因工程技术实现人参皂苷异源生物合成及竹节参分子育种改良提供理论依据ꎮ以竹节参转录组测序结果为数据来源ꎬ筛选编码蛋白基因序列(ｃｏｄｉｎｇ

ｓｅｑｕｅｎｃｅꎬ简称ＣＤＳ)碱基数不小于３００ｂｐ的１１１９９条完整开放阅读框序列作为研究对象ꎬ利用Ｃｏｄｏｎ和ＳＰＳＳ软件分别统计竹节参基因密码子ＧＣ含量㊁密码子第３位的(Ｃ＋Ｇ)含量(ＧＣ３)和密码子第１㊁第２位(Ｇ＋Ｃ)含量的平均值(ＧＣ１２)㊁同义密码子的相对使用度(ＲＳＣＵ)㊁有效密码子数(ＥＮＣ)等密码子偏好性指标ꎬ通过中性绘图(ＧＣ１２ｖｓ.ＧＣ３)㊁ＰＲ２绘图和ＥＮＣ－ＧＣ３ｓ绘图分析影响竹节参密码子使用模式的因素ꎮ结果表明ꎬ竹节参基因的平均ＧＣ㊁ＧＣ１２和ＧＣ３ｓ含量分别为４４.６７％㊁４６.９７％和３９.８０％ꎬ其密码子使用模式受到突变和选择等多重因素的影响ꎬ确定了３１个竹节参最优密码子ꎬ除了ＵＵＧ外ꎬ其余最优密码子均以Ａ或Ｔ结尾ꎮ竹节参密码子使用模式与大肠杆菌和酿酒酵母相比差异较大ꎬ选取毕赤酵母作为竹节参基因的异源表达宿主更为合适ꎮ㊀㊀关键词:竹节参ꎻ转录组ꎻ密码子使用模式ꎻ最优密码子

㊀㊀中图分类号:Ｑ７５５ꎻＳ５６７.５＋１０.１㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１００２－１３０２(２０１９)０２－００５９－０５收稿日期:２０１７－０８－２７

基金项目:国家自然科学基金(编号:３１６６０２５２)ꎻ贵州省优秀青年科技人才专项(编号:黔科合人字[２０１５]１８号)ꎻ贵州省教育厅创新群体重大研究项目(编号:黔教合ＫＹ[２０１６]０４９号)ꎮ

作者简介:梁㊀娥(１９９４ )ꎬ女ꎬ贵州遵义人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事微生物学研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:１０１３６５３６７１＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ

通信作者:张㊀来ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要从事植物次生代谢调控研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:９７５５７５６８１＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ

㊀㊀遗传密码子是生物体ＤＮＡ与蛋白质之间信息传递的基本单位ꎬ具有简并性ꎬ即同一氨基酸有多个对应的密码子ꎬ编码同一种氨基酸的密码子叫作同义密码子ꎬ同义密码子在同一物种不同基因间或不同物种内的使用频率大有不同ꎬ这种不均衡使用模式称为密码子使用偏好性ꎬ通常把使用频率较高的一种或几种同义密码子称为最优密码子[１－２]ꎮ研究显示ꎬ不同物种之间基因密码子偏好性是由突变压力(如ＧＣ含量㊁基因碱基组成)和自然选择作用(如翻译起始信号㊁基因表达水平㊁蛋白结构与长度㊁ｔＲＮＡ丰度等)引起的ꎬｍＲＮＡ的二级结构及其稳定性㊁翻译的速度和准确度㊁蛋白质折叠等因素也与密码子的偏好性有关[３－４]ꎮ对物种密码子偏好性开展研究ꎬ有助于理解物种进化发展及密码子使用偏好性的调控机制ꎮ密码子偏好性在基因异源表达研究方面也显示了重要作用ꎬ基因的表达量越大ꎬ其密码子偏好性越强[５]ꎬ根据这一原理ꎬ替换基因低表达密码子可以提高外源基因表达量ꎬ同时根据密码子使用偏好性可以选择更为合适的宿主表达系统ꎮ有报道表明ꎬ可通过优化密码子的方式来提高外源基因在宿主细胞中的表达量[６－７]ꎮ周宗梁等通过优化密码子的方法提高了苏云金芽孢杆菌基因ｃｒｙ１Ａｈ在玉米和水稻中的表达量

[８－９]

ꎻ杨金玲等通过优化蝎毒镇痛活性肽基因ＢｍＫＡｎｇＭ１ꎬ

将其导入毕赤酵母后该基因表达量得到显著提高[１０]

ꎻ通过使

用最优密码子ꎬ在草菇

[１１]

㊁拟南芥

[１２]

㊁川母贝

[１３]

㊁菠萝

[１４]

等

生物中均得到了很好的研究成果ꎮ

竹节参(ＰａｎａｘｊａｐｏｎｉｃｕｓＣ.Ａ.Ｍｅｙ)为多年生草本植物ꎬ属于五加科(Ｐａｅｏｎｉａｃｅａｅ)人参属ꎬ是我国珍稀濒危的 七类中草药 之一ꎬ具有抗炎㊁延缓衰老㊁降血糖等药理作用ꎬ有着极高的药用和保健价值ꎮ竹节参中富含活性物质三萜皂苷ꎬ也是其特征性成分ꎮ目前在竹节参种质资源[１５－１６]㊁毛状根的培养[１７]㊁基因工程代谢的调控[１８]㊁生药学鉴定[１９]㊁精油成分分析[２０]和三萜皂苷代谢追踪[２１]等几个研究领域已经开展了许多研究工作ꎬ但直接从竹节参中通过分离提取的方法获得三萜皂苷对资源消耗极大ꎬ技术难度较高ꎮ若利用生物合成的方法则可以很好地解决这一困难ꎬ实现有效成分的生物合成ꎬ选择适合关键酶基因高效表达的异源表达系统是一个重要步骤ꎮ本研究以竹节参转录组数据为材料ꎬ通过分析竹节参基因密码子组成的各项指标ꎬ研究竹节参表达基因密码子使用偏好性及其影响因素ꎬ以期为竹节参相关基因表达系统的选择及分子育种提供理论基础ꎮ１　材料与方法１.１㊀数据来源

竹节参转录组数据来源于文献[２２]ꎬ通过Ｐｅｒｌ语言程序

对竹节参转录组数据进行过滤筛选ꎬ筛选出碱基数ȡ３００ｂｐ的蛋白质编码序列共１１１９９条ꎬ作为密码子分析的数据来源ꎮ本研究中使用到的大肠杆菌(Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ)㊁酿酒酵母(Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ)和毕赤酵母(Ｐｉｃｈｉａｐａｓｔｏｒｉｓ)的密码子偏好性数据来自ＣｏｄｏｎＵｓａｇｅｄａｔａｂａｓｅ(ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｋａｚｕｓａ.ｏｒ.ｊｐ/ｃｏｄｏｎ/)ꎮ

１.２㊀竹节参基因ＧＣ含量分析及中性绘图利用ＣｏｄｏｎＷ１.４.２(ｈｔｔｐ://ｃｏｄｏｎｗ.ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ.ｎｅｔ/)统

计分析竹节参基因密码子的碱基组成规律ꎬ测得鸟嘌呤和胞嘧啶总体含量Ｇ＋Ｃ㊁密码子第３位碱基组成(Ａ３㊁Ｇ３㊁Ｃ３㊁

９５ 江苏农业科学㊀２０１９年第４７卷第２期