备课素材：密码子及其特点-2024-2025学年度第二学期高中生物学必修二

密码子及其特点 在遗传信息传递的过程中，对遗传信息进行有效的编码和解码十分重要。蛋白翻译这个过程就是以mRNA作为模板，tRNA作为氨基酸的运载体，在核糖体中合成蛋白。翻译过程涉及mRNA中碱基排列的解码，并最终生成对应的蛋白质。在这个过程中，密码子（Codon）指的就是mRNA链上决定一个氨基酸的相邻的三个碱基，也被叫做三联体密码子（Triplet Codons），密码子在翻译过程中的位置如下图所示。 密码子位置示意图 密码子的特点 1.通用性 通用性体现在目前绝大多数的生物都共用同一套密码子表，包括动物、植物、细菌和病毒。当然，也有极少部分情况使用非标准密码子表，比如线粒体、叶绿体基因组，或是像在Ascoidea asiatica这种酵母中，CUG有50%的概率翻译为丝氨酸，50%的概率翻译为亮氨酸。 2.连续性和不重叠性 在成熟的mRNA链上，每两个密码子之间，不存在不参与编码的核苷酸。在翻译的过程中，从mRNA 的5'端开始，按照5'至3'的方向，逐个地进行阅读，直到终止密码子时停止翻译，在mRNA链上任何两个相邻的密码子不共用核苷酸也不存在间断区域。 3.简并性 研究人员发现20种常用氨基酸对应了61种密码子，除了甲硫氨酸（ATG）和色氨酸（UGG）外，每一种氨基酸都对应多个密码子，这使得密码子具有简并性。 密码子的简并性，是对基因进行同义优化的基础。对应同样的翻译产物，可以有不同的基因序列。而不同的密码子，对编码产物的表达效率也会有不同影响。 4.不同物种存在密码子偏好性 科学家发现在不同物种中，同义密码子的使用并不是随机的，某些物种更偏向于使用某几种密码子，这就造成了密码子的使用偏好性（Codon Usage Bias）。 除了单密码子的使用存在偏好性以外，密码子对也存在偏好性。因为密码子和密码子对存在偏好性，所以一个物种中被高频使用的密码子和密码子对被称为最优密码子（Optimal Codon）和最优密码子对（Optimal Codon Pair）。 密码子的偏好性 密码子偏好性的研究已经逐渐成为揭示物种进化历程中不可或缺的一环，研究人员已经分析得到了很多物种的全基因组和部分基因家族的偏好性信息。除了研究进化，研究还发现可以利用密码子偏好性预测基因的表达量，从而分析推测该基因在生物中的作用。目前，从全基因组到特定的基因家族研究水平上都有密码子偏好性的研究。 在全基因组水平上研究并比较多个物种的密码子偏好模式、形成原因、进化过程中的选择压力具有重要的意义。 在植物基因组研究中，王占军等研究了两种茶树全基因组的密码子偏好性，发现两种茶树密码子偏好性主要受到突变压力的影响，并一定程度受到自然选择的压力。 在叶绿体基因组研究领域，吴秒丽等通过分析三种竹亚科植物的叶绿体基因组密码子偏好性，发现其叶绿体密码子的使用偏性是由自然选择和碱基突变共同作用形成的，其中主要由选择压力造成。 在病毒基因组研究领域，Juan Cristina等分析了埃博拉病毒（EBOV）中几种病毒的密码子偏好性，发现其最优密码子偏好使用A结尾，从而得出突变是造成该病毒密码子偏好性的主要因素。 在基因家族研究领域中，孙雪丽等通过分析香蕉Aux/AA基因家族的密码子偏好性，发现该家族成员最优密码子与香蕉基因组最优密码子相差较大，密码子偏好使用GC结尾，其偏好性主要是由突变造成。 雷梦林在研究小麦抗逆转录因子DREB密码子偏好性研究中发现该基因偏好使用GC结尾的密码子，并通过比较，发现与烟草和番茄相比，小麦DREB密码子使用模式与拟南芥更相似。 宗秋芳在研究猪Clausin家族基因密码子偏好性时发现突变压力是形成该家族密码子偏好性的主要原因。 密码子的优化方法 1.密码子优化的基本原则 目前，密码子优化的方法主要是通过分析表达宿主的密码子偏好性，计算出优势密码子，然后对需要表达的基因进行同义密码子替换，再根据自己试验的特殊性，对其他指标比如GC含量、mRNA自由能、CAI值、CBI值等做调整，本质是通过同义密码子替换的方式进行。 除了单密码子替换，目前还有科学家尝试利用密码子对偏好性的方式进行密码子优化，其原理为计算出宿主细胞密码子对偏好性的指标，然后利用该指标作为优化参数，对需要表达的基因做密码子对的替换，提高密码子对偏好性，从而优化蛋白的表达效率。 ‌①密码子偏好性匹配 1.根据宿主物种的密码子使用频率，替换基因序列中的稀有密码子（如大肠杆菌中AGG为精氨酸的稀有密码子），以提高核糖体翻译效率。 2.使用密码子适应指数（Codon Adaptation Index, CAI）量化优化效果，CAI≥0.80视为高效表达阈值。 ‌②调控GC含量‌ 1.调整基因编码区的GC含量（通常控制在40%-60%），避免极端值导致mRNA不稳定或翻译停滞。 2.通过平衡GC分布减少局部高GC区域，降低核酸酶识别风险。 ③‌消除不利序列结构‌ 1.破坏mRNA二级结构（如发夹结构），特别是核糖体结合位点（RBS）邻近区域 2.去除重复序列、隐蔽剪切位点及限制性酶切位点。 2.典型应用案例 mRNA疫苗设计 Moderna新冠疫苗将原始病毒AUU密码子替换为人源高频AUC，GC含量提升至60%，显著增强表达稳定性。 BioNTech通过密码子去优化策略降低免疫原性，同时维持抗原产量。 ‌异源蛋白表达 大肠杆菌表达人胰岛素时，优化后序列的CAI从0.65升至0.92，产量提高10倍。 古菌UAG密码子重编程已实现20种非天然氨基酸定点插入。 通过系统整合密码子偏好性、序列结构及宿主特性，密码子优化已成为基因工程与药物研发的核心技术。未来结合冷冻电镜动态解析与AI预测模型，将实现从静态优化向动态调控的跨越。 学科网（北京）股份有限公司 $$