藥用植物人參和三七的密碼子用法分析

倪志華

（福建生物工程職業技術學院 保健營養學系，福建 福州 350008）

藥用植物人參和三七的密碼子用法分析

倪志華

（福建生物工程職業技術學院 保健營養學系，福建 福州 350008）

采用高頻密碼子分析法，對人參屬藥用植物人參（PanaxginsengC. A. Mey.）和三七[PanaxNotoginseng (Burk.) F. H. Chen]的蛋白質編碼基因序列（coding DNA sequence，CDS）進行了同義密碼子相對使用頻率（relative frequency of synonymous coden，RFSC）分析，確定了人參高頻密碼子6個和三七高頻密碼子7個。將人參和田七的密碼子使用頻率進行比較，結果顯示兩者的密碼子偏愛性具有較高的一致性。分析結果為外源基因在人參和三七中的表達提供參考。

人參；三七；高頻密碼子；密碼子偏愛性

密碼子是核酸與蛋白質聯系的紐帶，是生物體內遺傳信息傳遞的基本環節。編碼天然蛋白質20種氨基酸的密碼子共有61種，每種氨基酸可由1～6個密碼子編碼，所以存在簡并性。密碼子的這種簡并性特征造成了不同物種的密碼子使用偏愛性不同，即編碼同一個氨基酸的密碼子在不同物種中具有不同的使用頻率。這種現象會導致外源基因在宿主細胞中的表達量降低。分析表達外源基因物種的密碼子用法，可為提高外源基因在該物種中的表達提供依據。

人參（Panax ginseng C. A. Mey.，簡稱為P.g）和三七（Panax Notoginseng (Burk.) F. H. Chen，簡稱為P.N）同為五加科人參屬珍貴藥材，古即有“南三七，北人參”之說法，千百年來一直被醫家廣泛運用。人參含有人參皂苷、人參多糖等多種物質，可增強機體對各種應激刺激的非特異抵抗力，具有抗衰老、免疫調節、降血糖、保肝護肝、抗腫瘤等多種醫療保健功效[1]；三七含有三七皂苷、三七多糖等多種物質，具有滋補強壯、止血、活血化瘀、消腫止痛、抗肝炎、降壓、降血脂、降血糖、抗衰老等多方面的藥理作用和保健功能[2,3]。目前，基因工程等方面的研究已經在人參和三七中得到開展，如人胰島素已在人參愈傷組織細胞中成功表達[4]，鯊烯合酶基因在三七根、莖、蘆頭中的轉錄表達研究[5]，人參SQS基因的干擾載體構建及轉化人參愈傷組織[6]，人參愈傷組織的PSY基因遺傳轉化[7]等。為在翻譯水平提高外源基因的表達提供參考，本研究對人參和三七的密碼子用法進行了分析。

1 材料和方法

1.1 人參、三七基因樣本的獲取

人參、三七基因序列由GeneBank（http://www.ncbi.nlm. nih.gov/genbank）中獲得，樣本選擇原則如下[8]：（1）樣本為全長蛋白質編碼基因序列（coding DNA sequence，CDS）；（2）對于基因家族成員仍包含于分析樣本內；（3）不包括非植物基因序列（如質粒、細菌、真菌、病毒、轉座子等基因序列）；（4）不包括在葉綠體與線粒體中翻譯的基因。

1.2 人參、三七蛋白質編碼基因序列的同義密碼子相對使用頻率（relative frequency of synonymous codon，RFSC）的計算

相對同義密碼子使用頻率反映的是樣本中各個同義密碼子的使用頻率。計算式為某一密碼子在樣本中的實際觀察數與該密碼子對應的氨基酸在樣本中的實際觀察數的比值。它避免了由于樣本選擇中各基因的長短與氨基酸豐度的影響。

1.3 高頻密碼子（High-frequency codon，HF）的確定

根據RFSC的計算結果，利用高頻密碼子分析法[9]來篩選人參和三七的偏愛密碼子。如某一密碼子相對同義密碼子使用頻率單值超過60%或者超過該組同義密碼子平均占有頻率的1.5倍的密碼子即為高頻密碼子。

1.4 人參和三七密碼子偏愛性比較

用1/1 000（即在1 000個密碼子中出現的次數）代表密碼子在編碼基因總密碼子中出現的頻率，統計人參和三七各密碼子的1/1 000并進行數據比較，比值如在0.50～2.00之間，表示兩物種對該密碼子的偏愛性較為接近，反之則差別較大[10]。

2 結果與分析

2.1 人參、三七高頻密碼子（HF）的確定

按照1.1中樣本選擇原則進行篩選后，獲得人參全長CDS總數為57個、三七全長CDS總數為29個（表1），根據1.2所述的計算方法，對人參57個基因共16 509個密碼子、三七29個基因共13 781個密碼子的RFSC分別進行了統計，結果如表2所示（Count為每種密碼子在所統計的所有基因中出現的次數）。根據1.3所述的篩選標準，篩選出人參高頻密碼子6個（含終止密碼子1個），它們是TGA（終止子）、GTT（編碼Val）、AAT（編碼Asn）、GAT（編碼Asp）、GAA（編碼Glu）和AGA（編碼Arg）；三七高頻密碼子7個（含終止密碼子1個），它們是TGA（終止子）、ATT（編碼Ile）、GCT（編碼Ala）、CAT（編碼His）、CAA（編碼Gln）、GAT（編碼Asp）和AGA（編碼Arg）。

表1 人參、三七密碼子分析的基因樣本

表2 人參、三七蛋白編碼序列的同義密碼子相對使用頻率（RFSC）和高頻密碼子（HF）

（續表2）

2.2 人參和三七的密碼子偏愛性比較

人參（P.g）和三七（P.N）的密碼子使用頻率和偏愛性的比較結果如表3所示。

從表3可以看出，人參和三七各密碼子出現頻率的比值均在0.50～2.00之間，即人參和三七的密碼子偏愛性基本一致。

表3 人參與三七密碼子偏愛性比較表

（續表3）

3 討論

遺傳密碼子是生物體生存的根本，研究其使用對基因表達及蛋白質的工作原理具有重要意義。在密碼子的使用上，影響因素很多[11-14]。傳統的密碼子用法計算方法為高表達優越密碼子分析法[15]，此法計算方法十分繁瑣，且對于目的生物遺傳背景要求高，分析起來十分不便。采用高頻密碼子分析法，方法簡便、快速、可靠[9]。

本研究通過分析比較人參和三七各密碼子的使用頻率，發現兩者的密碼子偏愛性存在較高的一致性，這符合其較近的親緣關系。同時兩者之間高頻密碼子的使用又不完全相同，雖然樣本庫的大小會造成高頻密碼子的計算誤差，但也表明物種在進化過程中同屬不同物種間密碼子的使用存在“搖擺性”的變化。通過利用三七和人參密碼子偏愛性存在較高的一致性，可將設計的含人參偏愛密碼子的外源基因轉入三七中，從而可能實現高效表達。利用這種“通用性”可以減少重復性、節約資源、節省時間，對加快三七在基因工程方面的研究有十分重要的意義。

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（責任編輯、校對：李春香）

Analysis of Codon Usage in Panax Ginseng C. A. Mey. and Panax Notoginseng (Burk.) F. H. Chen

NI Zhi-hua
(Department of Nutrition and Health Sciences, Fujian Vocational College of Bioengeering, Fuzhou 350008, China)

Fifty-seven coding DNA sequences(CDS) in Panax ginseng C. A. Mey. and twenty-nine coding DNA sequences(CDS) inPanax Notoginseng (Burk. )F. H. Chen were used to analyze the relative frequency of synonymous codon(RFSC), and 6 high-frequency codons in Panax ginseng C. A. Mey. and 7 high-frequency codons in Panax Notoginseng (Burk. ) F. H. Chen were revealed by high-frequency codon analysis．When the frequency of codon usage of Panax ginseng C. A. Mey. was compared to Panax Notoginseng(Burk.) F. H. Chen, we found that the codon preference was identical in the two species．The data can be consulted to the research of exogene expression in Panax ginsengC. A. Mey. and Panax Notoginseng (Burk. ) F. H. Chen．

Panax ginseng C. A. Mey.; Panax Notoginseng (Burk.)F. H. Chen; high-frequency condon; Condon preference

R282.2

A

1009-9115(2012)05-0054-04

2012-07-24

倪志華（1979-），男，福建福州人，碩士，助教，研究方向為微生物與生化藥學。