GeneOptimizer成功優化基因的流程

GeneOptimizer Process for Successful Gene Optimization

定製基因合成的強大優勢，在於可根據您的需求進行專屬於您的DNA設計，而不受傳統基因選殖的限制。然而，對於大多數研發人員而言，相同重要的是透過合成基因獲得高產量的mRNA，並最終獲得更高產量的蛋白質。為了最大限度地提高所有現有表達體系中合成基因的表現量，我們開發了GeneArt GeneOptimizer軟體。在每個GeneArt項目，均可選擇序列進行基因優化。

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我們的工作不僅是優化密碼子

什麼是基因優化？

基因優化利用了遺傳基因密碼簡併的優勢。由於簡併性，一種蛋白質可選擇透過多種核酸序列進行編碼。密碼子偏好性（密碼子選擇偏差）因不同生物體而異，這可能會造成難以在異源表達系統中表達重組蛋白，進而導致表達率和可靠性降低。對於自體表達也可能存在這種問題，因為野生型序列不僅需要對表達產量進行優化，而且還需要針對降解、調控和其他特性方面進行基因優化。

然而，密碼子優化並不是高效蛋白質表達的唯一相關因素。

我們的GeneOptimizer演算法可實現真正的多參數基因優化，處理大量涉及基因表達多方面內容的序列相關參數，如轉錄、剪接、轉譯和mRNA降解。本演算法可在單次操作中考量所有的相關優化參數，並根據您技術規格來設計DNA序列並提供給您，該序列經過優化，可在您的系統中發揮最佳性能（表1）。

為了實現目標蛋白質的最高效率表達，合理權衡基因優化參數的組合（如密碼子適應、mRNA從頭合成及穩定性、轉錄和轉譯效率）顯得非常重要。

圖1. 蛋白質表達示意圖。

表1. 影響蛋白質表達的參數

轉錄層面	mRNA層面	轉譯層面
GC含量共有剪接位點隱蔽的剪接位點 SD序列 TATA boxes 終止信號人工重組位點	RNA不穩定性基序核醣體進入位點重複序列	密碼子使用未成熟的poly(A)位點核醣體進入位點二級結構

合成基因序列的另一項優勢，是您不必依賴現有的DNA模板，且可以完全根據自己的要求精確DNA設計序列。您可以根據需要添加或移除限制位點、啟動/終止密碼子、標籤和其他基序。

採用GeneOptimizer軟體進行序列優化，是所有GeneArt基因合成和DNA片段服務的一個自選步驟。為了充分利用此服務，請透過我們的線上客戶訂購中心主頁，於顧客設定頁面時選擇您的表達宿主。然後，該線上軟體將引導您完成整個項目設計流程，包括基因序列優化。由此衍生的優化性能（如下所述），僅是GeneArt DNA的額外附加價值之一。

（遺傳密碼（Genetic Code），也稱為遺傳編碼，是一套轉譯DNA或mRNA序列為蛋白質的規則。這個過程會把由三個核苷酸組成的「密碼子」（Codon）轉換為相對應的胺基酸序列，進一步組成蛋白質。簡單來說，遺傳密碼即是基因如何被讀取和轉換成生物體需要的蛋白質的規則。）

GeneOptimizer基因優化的工作原理是什麼？

透過在我們的線上客戶訂購中心裡使用GeneOptimizer技術，只需幾分鐘即可輕鬆完成基因優化。您可以透過上傳序列、選擇表達系統、指定選殖載體和序列詳情（包括開放讀取框、UTR和選殖位點），來設計自己的合成基因。提交您的申請後，GeneOptimizer基因優化軟體會根據與特定宿主生物相關的所有參數，以及您的獨特序列要求，設計與生成最適合您研究需求的DNA序列。

有效性驗證

我們已進行了若干內部研究，大量客戶報告顯示，GeneArt密碼子和基因序列優化可在不損失蛋白質功能的情況下，實現了更高的蛋白質表達。

在首項開創性研究[1]中，我們選擇了五種重要的蛋白質類別來進行優化：蛋白激酶、轉錄因子、核糖體蛋白、細胞因子和膜蛋白。然後從NCBI數據庫中選擇了50個人類基因來表達這五種蛋白質類別。採用GeneOptimizer演算法對選定的基因進行單獨優化[2]。為了進行比較，透過NCBI數據庫所提供的原生型序列，對相應的野生型基因進行了亞克隆。然後每種基因在HEK293T細胞中表達三次。經過優化後，50個基因均表現出可靠的表達，其中86%的基因表現量有所升高（圖2中的實例）。進一步的分析指出，對蛋白質的可溶性沒有不良影響，功能也未發生變化，如JNK1、JNK3和CDC2所示（未顯示相關數據）。

在本研究中，使用GeneOptimizer演算法可觀察到：

86%的優化基因表現出蛋白質表達的顯著性增加
透過優化基因，蛋白質產量提高達15倍
優化基因表達率達100%，而原生型基因的表達率則為88%

圖片顯示代表不同蛋白質類別的野生型與優化基因的表達分析結果比較。結果顯示，針對每種蛋白質，優化構建體的表達量增加倍數。採用野生型構建體，未檢測到IL-2表達。

圖2. 代表不同蛋白質類別的野生型與優化基因的表達分析結果比較。(A)採用抗-His抗體，透過western分析細胞培養物的上清液（分泌型蛋白）或細胞裂解物（所有其他蛋白）。圖中顯示了各類型蛋白質的實例之一。在空白載體陰性對照中，用60 kDa標準化蛋白來顯示結果。每張圖片的左側：分子量值（kDa）。每張圖片的右側：特定蛋白質條帶的標識。(B)野生型或優化構建體的相對表達水平（三次獨立轉染的平均值）。針對每種蛋白質，優化構建體的表達量增加倍數。採用野生型構建體，未檢測到IL-2表達。（圖片摘錄自Fath等人所著文獻，2011[1]）。

圖3展示了另一個實例，在使用GeneOptimizer軟體進行基因序列優化後，觀察到HIV gag蛋白的mRNA和蛋白產量均有增加。

圖片展示了在使用GeneOptimizer軟體進行基因序列優化後，觀察到HIV gag蛋白的mRNA和蛋白產量均有增加

圖3. 透過ELISA、Western和Northern印跡分析，對瞬時轉染H1299細胞中，HIV-1 Pr55gag的表達進行分析。轉染COS7、CHO和HeLa細胞後，獲得了類似的結果。這項研究是由雷根斯堡大學醫院，R. Wagner小組所執行[3]。

為了展示GeneOptimizer軟體的價值，我們比較了不同供應商優化基因序列的蛋白質表達情形。我們選擇三種不同人類激酶的基因，在公司內部進行了優化和合成，或者由五家不同的競爭對手進行類似的基因優化和合成。HEK293細胞的三次表達研究顯示，GeneArt優化不僅提高了野生型基因的表達，而且在各種條件下的性能均優於五家競爭對手的優化演算法（圖4）。