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質(zhì)粒測序發(fā)現(xiàn)基因出現(xiàn)突變，對后續(xù)基因表達(dá)有影響嗎,？

意料之外的同義突變,，雖不改變蛋白質(zhì)氨基酸的序列，但可能出乎意料的賦予蛋白質(zhì)別樣的“人生”,。

本文共1480字,，需要約5min讀完。

基因的同義突變

由于密碼子的簡并性,，基因的同義突變不改變原有密碼子所編碼的氨基酸,，因此，蛋白質(zhì)的氨基酸序列保持不變,。

好像我們一直以來,，都去了解蛋白的氨基酸的序列是否改變，卻沒有想過：同義突變后的蛋白,，雖然氨基酸序列未發(fā)生改變,，但其表達(dá)水平是真的沒有變化嗎？

于是我們準(zhǔn)備了這篇文章,，希望能讓大家更好地了解這一現(xiàn)象,。

同義突變帶來的蛋白表達(dá)變化

先看一個同義突變后的小鼠c-Fos蛋白外源性表達(dá)的情況。大致是這樣子的：c-Fos蛋白在大腸桿菌中外源性不表達(dá),。因此,，構(gòu)建兩個同義突變的c-Fos基因M1和M2的表達(dá)載體,，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，誘導(dǎo)表達(dá)后,，分別檢測表達(dá)量變化,。

圖1【1】A. 同義密碼子改造。M1:140位氨基酸至146位氨基酸中的精氨酸使用*化的密碼子的c-Fos蛋白,。M2：119位氨基酸至159位氨基酸中的精氨酸使用*化的密碼子的c-Fos蛋白,。B.IPTG誘導(dǎo)重組質(zhì)粒的表達(dá)，3h后Western Blot測定表達(dá)量,。1：未經(jīng)突變的c-Fos蛋白,；2：M1；3：M2,；4：c-Fos純化蛋白,。

聰明的你，一定會發(fā)現(xiàn)：相較于未發(fā)生突變的c-Fos蛋白,，同義突變后的M1蛋白表達(dá)量無變化,，M2蛋白表達(dá)量增加。因此,，同義突變對于蛋白而言,，除了氨基酸序列不變外，正如你我明日的生活,，前路漫漫,，不可預(yù)測，驚喜連連,。

同義突變影響蛋白表達(dá)的原因

與你一樣,，我也對什么樣的同義突變會引起蛋白表達(dá)量變化產(chǎn)生了疑問？

簡并性的密碼子也被稱為同義密碼子,。在基因組中,，同義密碼子的使用頻率存在差異，這種現(xiàn)象被稱為密碼子使用偏好性,。那些使用頻率高的密碼子,，我們叫做偏愛密碼子；剩余的則為稀有密碼子,。那么,，那些被偏愛的密碼子是否有恃無恐地協(xié)助蛋白表達(dá)呢，下面列舉幾種同義密碼子影響蛋白表達(dá)水平的機制,。

一,、翻譯選擇機制

認(rèn)為翻譯速率和翻譯準(zhǔn)確性的自然選擇導(dǎo)致優(yōu)先選擇偏愛密碼子。

1.偏愛密碼子具有更高的翻譯延伸速度，可節(jié)約蛋白的翻譯時間,，同時節(jié)省細(xì)胞內(nèi)有限的核糖體資源,。此外，較高的延伸速度可提升細(xì)胞翻譯起始過程的進行,，有利于細(xì)胞所有基因的表達(dá)。

2.對那些偏愛密碼子,，正確的氨基酸會很快被連接上,；但對稀有密碼子，要經(jīng)過多次相互辨認(rèn)才能找到正確的氨基酸,，這樣蛋白合成受阻,。當(dāng)稀有密碼子較多時，會發(fā)生明顯停頓,，抑制蛋白合成,。同時，非對應(yīng)氨基酸錯誤摻入率增加,，蛋白翻譯出錯率增高,，合成的蛋白對于細(xì)胞而言，是浪費甚至是有毒性的,。

圖2 Degenerate codons do not necessarily lead to equally efficient expression of an amino acid.

二,、同義突變也會影響mRNA水平

除了翻譯過程中，對于密碼子偏好性的選擇外,，密碼子使用偏好對mRNA水平的調(diào)控作用也是影響蛋白表達(dá)水平的因素,。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所錢文峰研究組揭示同義密碼子對于mRNA水平的調(diào)控于今年8月底發(fā)表于Molecular Biology and Evolution。課題組在酵母中合成了GFP的同義密碼子突變體,，發(fā)現(xiàn)同義密碼子的使用可以調(diào)控mRNA水平,，同義突變后，偏愛密碼子使用率高的同義突變體,，其mRNA的水平高,。

圖3 同義密碼子調(diào)控mRNA水平，并且該調(diào)控可能通過影響mRNA降解速率而實現(xiàn),。CAI：密碼子適應(yīng)指數(shù),。同義突變中，偏愛密碼子越多,，CAI值越大,。Log₂(mRNA)：mRNA的豐度。

mRNA的表達(dá)水平是由其產(chǎn)生和降解的平衡所決定的,，為了證明調(diào)控可能是通過影響mRNA的穩(wěn)定性（即影響降解過程）實現(xiàn)的,，在使用轉(zhuǎn)錄抑制劑硫藤黃素thiolutin后，檢測不同時間點的同義突變體的mRNA水平。發(fā)現(xiàn)偏愛密碼子的同義突變體的mRNA更穩(wěn)定,。文章進一步解釋了密碼子使用偏好與鄰近序列也有關(guān)系,。

如何優(yōu)化或避免同義突變？

由實驗需求的不同,，可能需要出現(xiàn)同義突變或避免出現(xiàn)同義突變,。對于需要通過密碼子優(yōu)化改變蛋白表達(dá)量的實驗（如蛋白純化等），提供一篇關(guān)于密碼子優(yōu)化的參考文章：Codon bias and heterologous protein expression（Trends in Biotechnology）,。

而對于擔(dān)心同義突變造成蛋白表達(dá)變化的實驗,，構(gòu)建載體時，克隆基因使用高保真度,、突變率低的DNA聚合酶至關(guān)重要,！

參考文獻(xiàn)

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翊圣生物根據(jù)市場需求，研制出超高保真度-Canace DNA聚合酶,。其保真度是普通Taq DNA聚合酶的52倍,，突變率極低，對片段擴增能力強,，是基因克隆和測序的重要候選DNA酶制品,。

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