[发明专利]一种用于木本植物遗传密码子优化的CodonNX系统及其优化方法

说明书

本发明公开了一种用于木本植物遗传密码子优化的CodonNX系统及其优化方法，该系统包括输入模块、处理模块、输出模块；其中，输入模块用于用户输入基因序列和密码子使用频率排序表，并选定具体处理模式；处理模块用于接收输入的密码子信息内容、密码子使用频率排序表信息内容，并依据用户选择的处理模式，进行有效处理，并通过输出模块，输出对应的结果。本CodonNX系统提供了完备的可发展的全系统基因优化功能，提高工作效率，节省成本，系统的参数可选择，尤其是最优密码子可选择，几乎所有参数都公开、透明、可选择，并且可以由用户自己进行设置。该系统适合植物表达载体平台，针对性较强，经试验验证，在转基因植株中能得到高表达蛋白。

技术领域

本发明属于基因工程技术领域，具体涉及一种用于木本植物遗传密码子优化的CodonNX系统及其优化方法。

背景技术

生物技术的核心能力是使细胞产生本身不能合成的蛋白质。这些蛋白质本身可能很有用，例如可以治疗疾病或是作为工业催化剂。他们可使细胞产生新的化合物或与其他细胞相互作用。这些异源蛋白其序列一定是有宿主细胞来指导并进行翻译的氨基酸序列。合成生物学家对未来的展望是通过合成新的全新的基因，导入宿主细胞，通过合理设计和挖掘新陈代谢途径表达全新的蛋白。在设计过程中最值得关注的一个方面，就是DNA编码序列的设计，这是合成生物学的中心，这是因为遗传密码会直接选择要编码任何蛋白质的DNA序列。同时除了需要DNA序列外，还要确保有足够的mRNA合成，并且密码子选择不能限制了表达。

随着基因测序数据的不断增长，即使未知物理定位的序列也可以通过快速扩增得到的基因，目前的技术已经可以非常方便的通过构建cDNA文库或是PCR扩增克隆获得外源基因。然后这些基因都会做一些简单的改造，例如增加酶切位点便于载体构建，而基因改造的更大的原因是异源基因的表达量很少，甚至所表达的基因来自于该宿主本身，也会出现表达较少的现象。

尽管目前已经做了很多的研究，但是异源表达基因的设计并没有一个统一而可靠的原则。这主要的原因有以下两点：(1)基因的人工合成也仅仅是这几年开始开始成本下降后而开始广泛的应用，以前只能使用定点突变或随机突变来进行研究。所以基因设计参数和实际表达水平之间系统严格的对照实验并没有实际研究。(2)蛋白质合成是一个复杂的生物过程，可能由特定宿主变量和环境条件等基因序列的多个属性决定。

将特定的外源基因构建在植物表达载体中并转入受体植物，并不是植物遗传转化的最终目的。理想的转基因植物往往需要外源基因在特定部位和特定时间内高水平表达，产生人们期望的表型性状。然而，近二十年的发展历史却表明，外源基因在受体植物内往往会出现表达效率低、表达产物不稳定甚至基因失活或沉默等不良现象，导致转基因植物无法投入实际应用。

在基因表达研究中，研究者比较注意选择合适的表达载体和宿主系统，而往往忽视基因本身是否与载体和宿主系统为最佳匹配这样一个实质性问题。基因的最佳化表达可以通过对基因的重新设计和合成来实现，如消除稀有密码子而利用最佳化密码子，二级结构最小化，调整GC含量等。

迄今，科学家仍在思索是什么进化压力导致了密码子使用偏性。每种生物内同义密码子之间的突变-选择平衡至少可部分解释基因组GC含量对密码子分布的影响及密码子使用形式的改变。一些研究者推断，旨在减少同工tRNAs多样性的密码子偏性能够降低新陈代谢负荷，因此，有利于生物在快速生长条件下节约部分能量。不管是什么原因导致了密码子偏性，已日益清楚的是密码子偏性对异源蛋白表达有深远的影响。