药用植物人参和三七的密码子用法分析

倪志华

（福建生物工程职业技术学院 保健营养学系，福建 福州 350008）

药用植物人参和三七的密码子用法分析

倪志华

（福建生物工程职业技术学院 保健营养学系，福建 福州 350008）

采用高频密码子分析法，对人参属药用植物人参（PanaxginsengC. A. Mey.）和三七[PanaxNotoginseng (Burk.) F. H. Chen]的蛋白质编码基因序列（coding DNA sequence，CDS）进行了同义密码子相对使用频率（relative frequency of synonymous coden，RFSC）分析，确定了人参高频密码子6个和三七高频密码子7个。将人参和田七的密码子使用频率进行比较，结果显示两者的密码子偏爱性具有较高的一致性。分析结果为外源基因在人参和三七中的表达提供参考。

人参；三七；高频密码子；密码子偏爱性

密码子是核酸与蛋白质联系的纽带，是生物体内遗传信息传递的基本环节。编码天然蛋白质20种氨基酸的密码子共有61种，每种氨基酸可由1～6个密码子编码，所以存在简并性。密码子的这种简并性特征造成了不同物种的密码子使用偏爱性不同，即编码同一个氨基酸的密码子在不同物种中具有不同的使用频率。这种现象会导致外源基因在宿主细胞中的表达量降低。分析表达外源基因物种的密码子用法，可为提高外源基因在该物种中的表达提供依据。

人参（Panax ginseng C. A. Mey.，简称为P.g）和三七（Panax Notoginseng (Burk.) F. H. Chen，简称为P.N）同为五加科人参属珍贵药材，古即有“南三七，北人参”之说法，千百年来一直被医家广泛运用。人参含有人参皂苷、人参多糖等多种物质，可增强机体对各种应激刺激的非特异抵抗力，具有抗衰老、免疫调节、降血糖、保肝护肝、抗肿瘤等多种医疗保健功效[1]；三七含有三七皂苷、三七多糖等多种物质，具有滋补强壮、止血、活血化瘀、消肿止痛、抗肝炎、降压、降血脂、降血糖、抗衰老等多方面的药理作用和保健功能[2,3]。目前，基因工程等方面的研究已经在人参和三七中得到开展，如人胰岛素已在人参愈伤组织细胞中成功表达[4]，鲨烯合酶基因在三七根、茎、芦头中的转录表达研究[5]，人参SQS基因的干扰载体构建及转化人参愈伤组织[6]，人参愈伤组织的PSY基因遗传转化[7]等。为在翻译水平提高外源基因的表达提供参考，本研究对人参和三七的密码子用法进行了分析。

1 材料和方法

1.1 人参、三七基因样本的获取

人参、三七基因序列由GeneBank（http://www.ncbi.nlm. nih.gov/genbank）中获得，样本选择原则如下[8]：（1）样本为全长蛋白质编码基因序列（coding DNA sequence，CDS）；（2）对于基因家族成员仍包含于分析样本内；（3）不包括非植物基因序列（如质粒、细菌、真菌、病毒、转座子等基因序列）；（4）不包括在叶绿体与线粒体中翻译的基因。

1.2 人参、三七蛋白质编码基因序列的同义密码子相对使用频率（relative frequency of synonymous codon，RFSC）的计算

相对同义密码子使用频率反映的是样本中各个同义密码子的使用频率。计算式为某一密码子在样本中的实际观察数与该密码子对应的氨基酸在样本中的实际观察数的比值。它避免了由于样本选择中各基因的长短与氨基酸丰度的影响。

1.3 高频密码子（High-frequency codon，HF）的确定

根据RFSC的计算结果，利用高频密码子分析法[9]来筛选人参和三七的偏爱密码子。如某一密码子相对同义密码子使用频率单值超过60%或者超过该组同义密码子平均占有频率的1.5倍的密码子即为高频密码子。

1.4 人参和三七密码子偏爱性比较

用1/1 000（即在1 000个密码子中出现的次数）代表密码子在编码基因总密码子中出现的频率，统计人参和三七各密码子的1/1 000并进行数据比较，比值如在0.50～2.00之间，表示两物种对该密码子的偏爱性较为接近，反之则差别较大[10]。

2 结果与分析

2.1 人参、三七高频密码子（HF）的确定

按照1.1中样本选择原则进行筛选后，获得人参全长CDS总数为57个、三七全长CDS总数为29个（表1），根据1.2所述的计算方法，对人参57个基因共16 509个密码子、三七29个基因共13 781个密码子的RFSC分别进行了统计，结果如表2所示（Count为每种密码子在所统计的所有基因中出现的次数）。根据1.3所述的筛选标准，筛选出人参高频密码子6个（含终止密码子1个），它们是TGA（终止子）、GTT（编码Val）、AAT（编码Asn）、GAT（编码Asp）、GAA（编码Glu）和AGA（编码Arg）；三七高频密码子7个（含终止密码子1个），它们是TGA（终止子）、ATT（编码Ile）、GCT（编码Ala）、CAT（编码His）、CAA（编码Gln）、GAT（编码Asp）和AGA（编码Arg）。

表1 人参、三七密码子分析的基因样本

表2 人参、三七蛋白编码序列的同义密码子相对使用频率（RFSC）和高频密码子（HF）

（续表2）

2.2 人参和三七的密码子偏爱性比较

人参（P.g）和三七（P.N）的密码子使用频率和偏爱性的比较结果如表3所示。

从表3可以看出，人参和三七各密码子出现频率的比值均在0.50～2.00之间，即人参和三七的密码子偏爱性基本一致。

表3 人参与三七密码子偏爱性比较表

（续表3）

3 讨论

遗传密码子是生物体生存的根本，研究其使用对基因表达及蛋白质的工作原理具有重要意义。在密码子的使用上，影响因素很多[11-14]。传统的密码子用法计算方法为高表达优越密码子分析法[15]，此法计算方法十分繁琐，且对于目的生物遗传背景要求高，分析起来十分不便。采用高频密码子分析法，方法简便、快速、可靠[9]。

本研究通过分析比较人参和三七各密码子的使用频率，发现两者的密码子偏爱性存在较高的一致性，这符合其较近的亲缘关系。同时两者之间高频密码子的使用又不完全相同，虽然样本库的大小会造成高频密码子的计算误差，但也表明物种在进化过程中同属不同物种间密码子的使用存在“摇摆性”的变化。通过利用三七和人参密码子偏爱性存在较高的一致性，可将设计的含人参偏爱密码子的外源基因转入三七中，从而可能实现高效表达。利用这种“通用性”可以减少重复性、节约资源、节省时间，对加快三七在基因工程方面的研究有十分重要的意义。

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[15]Frank W. The efective number of codons usage used in a gene[J]. Gene, 1990, 87: 23-29.

（责任编辑、校对：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

倪志华（1979-），男，福建福州人，硕士，助教，研究方向为微生物与生化药学。