GeneOptimizer 成功优化基因的流程

什么是基因优化

基因优化充分利用了基因密码简并的优势。由于简并，一个蛋白可由多种核酸序列编码。密码子偏好（密码子选择）因不同的生物体而异，其会造成难以在异源表达体系中表达重组蛋白，进而造成表达率低、不可靠。自体表达也可能存在这种问题，因为野生型序列不仅需要对表达产量进行优化，还要优化降解、调控和其他性质。

即便如此，密码子优化也不是有效蛋白表达的唯一关联因素。

我们的 GeneOptimizer算法可实现真正的多参数优化，处理大量涉及基因表达多方面内容的序列相关参数，如转录、剪接、翻译和mRNA降解。其在单次运算中考虑到了所有的相关优化参数，可为你提供依据您的技术规格设计、为最大限度发挥您的体系性能而优化的DNA序列。（表 1）。

理性权衡优化参数组合（例如，密码子调整、mRNA从头合成及稳定性，转录和翻译效率）对于实现指定蛋白最高效率表达非常重要。

图1：蛋白表达演示图。

合成序列的另一个优势是，您不必依赖现有的DNA模板，可以根据自己的要求精确设计序列。可以根据需要添加或去除限制位点、启动/停止密码子、标签和其他基序。

采用GeneOptimizer软件进行序列优化是GeneArt™基因合成和DNA片段服务的一个可选步骤。为了充分利用这一服务，在通过我们的在线客户主页定制请求时，请选择您的表达宿主。该在线软件随即引导您完成整个项目设计流程，包括序列优化。至于如下所述的最终优化性能，不过是GeneArt DNA 提供的额外附加价值之一。

它的工作原理是什么？

通过我们的在线客户主页，可在几分钟内轻松采用GeneOptimizer技术进行基因优化。您可上传自己的序列、选择表达体系、指定克隆载体和序列详情（包括开放读取框、未翻译区域以及克隆位点），设计自己的合成基因。提交您的请求后，GeneOptimizer会根据与指定宿主生物相关的所有参数考量以及您的单独序列要求，生成最符合您的研究需求的 DNA 序列。

有效性验证

我们已经进行了若干项内部研究，许多客户报告显示， GeneArt密码子和序列优化在不损失蛋白功能的情况下，实现了更高的蛋白表达。

在首个此项研究中[1]，我们选择了五个重要的蛋白分类进行优化：蛋白激酶、转录因子、核糖体蛋白、细胞因子和膜蛋白。随后从 NCBI 数据库中选择了50个人类基因来表达五种蛋白类别。 选定的基因采用 GeneOptimizer算法进行单独优化[2]。为了进行比较，通过NCBI数据库提供的天然序列，对相应的野生型基因进行亚克隆。随后每种基因在HEK293T细胞中表达三次。优化之后，50个基因均表现出了可靠表达，86%表现出了更高的表达水平（图2中的实例）。后续的分析表明，蛋白可溶性和功能性未发生实质性变化，如JNK1、JNK3和CDC2所示（未显示相关数据）。

本研究中使用的 GeneOptimizer 算法的结果是：

• 86%的基因经过优化后，提高了蛋白质表达水平
• 优化基因的蛋白产量提高达15倍
• 优化基因100%表达，而野生型基因进行88%表达

图 2：代表不同蛋白类别的野生型和优化基因的表达分析结果比较。 (A)采用抗His抗体，通过免疫印迹法分析细胞培养上清（分泌型蛋白）或细胞裂解物。图示为每种蛋白类别的一个实例。用60kDa蛋白使蛋白量标准可测，包含在空白载体阴性对照中。各图左侧：分子量值(kDa)。图右侧：特定蛋白条带的标识符。(B)野生型或优化结构的相对表达水平（三次独立转染的平均值）。显示了优化结构的各种蛋白表达量增加倍数。采用野生型构造体，未检测到IL-2表达。（图片摘自Fath et al., 2011 [1]）。

图3：展示的另一则实例， 在通过GeneOptimizer软件优化序列后，HIV gag蛋白的mRNA和蛋白产量均观测到增加。

图 3：展示的另一则实例， 在通过GeneOptimizer软件优化序列后，HIV gag蛋白的mRNA和蛋白产量均观测到增加。转染COS7、CHO和HeLa细胞后，获得了与此相似的结果。此研究在雷根斯堡大学医院R.Wagner小组内进行[3]。

为了展示GeneOptimizer软件的指标，我们比较了不同供应商优化序列的蛋白表达水平。选择三种人类激酶的基因优化和合成，或者采用五种其他供应商进行类似的优化和合成。HEK293细胞的三次表达研究表明，GeneArt优化不仅表达水平高于野生型基因，且在各种条件下的性能均优于五种其他供应商的优化算法（图4）。

图4：野生型基因，以及GeneArt技术和五种其他供应商优化的同一基因的表达水平。 相对蛋白表达值是以GeneArt序列为标准的。

参考文献

1. Fath et al.: Multiparameter RNA and Codon Optimization
2. Raab et al.: The GeneOptimizer algorithm: using a sliding window approach to cope with the vast sequence space in multiparameter DNA sequence optimization
3. Graf et al.: Codon-Optimized Genes that Enable Increased Heterologous Expression in Mammalian Cells and Elicit Efficient Immune Responses in Mice after Vaccination of Naked DNA

在线索取更多有关 GeneArt 优化和我们的基因合成服务的信息，或发送邮件至geneartsupport@thermofisher.com