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Codon Usage-Anpassung – Unausgewogenheit auch in der Natur


differences in codon usage in E.Coli and human

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Mehr Möglichkeiten als Atome im Universum

Wenn Sie ein Protein mit 881 Aminosäuren herstellen möchten, dann gibt es dafür 10442 Möglichkeiten. Die Zahl aller Atome im Universum wird auf ca. 1080 geschätzt. Warum also hat die Natur ausgerechnet die mRNA zur Kodierung von Aminosäuren ausgewählt?

Leider können wir diese Frage heute noch nicht beantworten. Aber wir wissen, dass es Codon Bias gibt. Das bedeutet, dass bestimmte Codons in unterschiedlichen Organismen verschieden stark genutzt werden, da einzelne mRNA’s unterschiedlich stark in unterschiedlichen Organismen hergestellt werden.

DieserCodon Biasführt oft zu niedrigen Expressionsraten, wenn ein bestimmtes Gen in einen anderen Organismus transfiziert wird. Hier finden sie ein Beispiel dazu.

Wie funktioniert die GENEius Codon Usage-Anpassung?

  1. GENEius assembliert die DNA-Sequenz in Abstimmung mit der Codon Usage-Tabelle für diesen Organismus
  2. GENEius harmonisiert die verwendeten Codons – häufig genutzte Codons werden in der entwickelten Gensequenz öfter eingesetzt als weniger häufig genutzte Codons
  3. GENEius vermeidet sehr seltene Codons
  4. GENEius sucht parallel unerwünschte Motive (weitere Informationen)
  5. GENEius verwendet einen speziellen Algorithmus zur Bestimmung der optimalen Sequenz. Jeder Optimierungsschritt führt dabei dann zu einer anderen DNA Sequenz.


Testen Sie unsere Optimierungssoftware GENEius direkt bei Ihrer Gen-Bestellung. Denn GENEius ist Teil unseres Online-Bestellsystems, Ecom.

Beispiel für eine Codon Usage-Anpassung

Achten Sie auf die beiden Codon Usage-Tabellen in der rechten Leiste.

In einem menschlichen Gen wird die Aminosäure Arginin hauptsächlich von cgc und cgt kodiert (linke Spalte, zum Vergrößern anklicken). Wird E.coli als Expressionssystem für ein menschliches Gen verwendet, werden voraussichtlich nur geringe Proteinmengen hergestellt, wenn die Sequenz nicht zuvor optimiert bzw. angepasst wurde. Der Grund hierfür ist, dass nur eine sehr geringe Menge an tRNA für cgt für die Translation der Codons in die jeweilige Aminosäurensequenz zur Verfügung steht.

Dies kann durch eine Codon Usage-Anpassung ausgeglichen werden. Dazu wird die kodierende Sequenz des ursprünglichen Organismus an den Gastorganismus angepasst – im obigen Beispiel werden dann für die Aminosäure Arginin vor allem die Codons cgg-, aga- und agg verwendet. Hier ist die Menge an tRNA dann deutlich höher und somit kann eine höhere Proteinausbeute erzielt werden (rechte Spalte, zum Vergrößern anklicken).

Eine kleine Veränderung kann also einen großen Unterschied bewirken. Eine gute Codon Usage-Anpassung zwischen dem ursprünglichem Organismus und dem Wirtsorganismus ist demnach entscheidend für die optimale Proteintranslation in heterologen Expressionssystemen.

 

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