코돈 최적화

코돈(Codon)은 DNA 또는 RNA에 들어 있는 정보를 상응하는 단백질 서열로 전환하는 과정을 결정하는 유전 코드를 구성함으로써 단백질 합성에 있어서 중요한 역할을 합니다. .

똑같은 아미노산이 다수의 코돈에 의해서 코딩될 수 있으며, 유기체에 따라서 특정한 코돈을 선호하는 경향을 볼 수 있습니다.  이러한 코돈 편향성이 존재하는 이유에 대해서는 밝혀져 있지 않지만, 단백질의 발현에 중요한 영향을 줍니다. 따라서 재조합 단백질 발현 연구에서 최적의 발현 수준을 얻기 위해서는 발현 숙주의 코돈 성향에 따라서 유전자 염기 서열을 최적화하는 것이 중요합니다.  특정한 유기체에서 유래된 유전자를 그 유전자를 자연적으로 발현하지 않는 숙주 유기체에서 발현해야 하는 경우 이러한 코돈 최적화는 특히 중요합니다.  이외에도 코돈 최적화는 GC 함량과 반복된 염기서열 최적화를 통한 DNA 클로닝 효율 향상, mRNA 안정성 향상, DNA 복제 및 전사 효율 향상 등을 위하여 다양하게 이용될 수 있습니다.

VectorBuilder의 코돈 최적화 도구는 고객에 의해 선택된 모든 유기체의 유전자에 대해서 최적의 코돈 적응 지수 (codon adaptation index, CAI) 를 얻을 수 있도록 만들어졌습니다.  광범위한 종을 포함하며, VectorBuilder의 온라인 벡터 디자인 플랫폼에 원활하게 적용이 되어 벡터 디자인을 하는 과정에서 원하시는 유전자를 최적화할 수 있습니다.  또한 염기 서열의 코돈 최적화를 하는 동안 선택된 제한 효소 절단 부위가 포함되는 것을 방지할 수 있으며, 높은 GC함량과 단순 서열의 반복 등을 최적화 함으로써  고효율의 유전자 합성과 DNA 클로닝 등에 이용될 수 있습니다.

Start codon optimization

아래에 VectorBuilder 코돈 최적화 도구의 다양한 기능들에 대한 예들을 보여드립니다.

1. Optimizing sequences for codon usage in desired target species View more

Figure 1 은 코돈 최적화 도구를 이용하여 Trichoplusia ni 에서 유래된 piggyBac transposase의 염기 서열을 인간의 코돈으로 최적화했을 때 CAI가 0.93이 되는 것을 보여 주고 있습니다.  코돈 최적화를 하기 전에는 CAI가 0.69였습니다.  해당 종의 CAI는 그 종에서 높은 수준으로 발현되는 유전자들에서 선호되는 코돈의 사용 빈도를 정량화한 것으로, 0 과 1 사이의 값을 갖습니다.  특정한 종을 위한 유전자의 CAI가 높을수록 그 종에서 최적으로 발현될 가능성이 높아집니다.

Figure 1. VectorBuilder의 코돈 최적화 도구를 사용한 타겟 종에 맞춘 코돈을 위한 염기 서열 최적화.

2. Optimizing sequences with high GC content View more

Figure 2 GC 함량이 높은 염기 서열의 최적화 – Figure 2는 코돈 최적화 도구를 사용하였을 때69.3% 였던 생쥐의 Hoxa4 유전자의 전체 GC 함량이 59.5%로 감소한 것을 보여 주고 있습니다.  클로닝 과정에서 유전자를 합성해야 하는 경우에 유전자 합성 성공 가능성을 높이기 위해서는 GC 함량이 60% 정도가 가장 좋습니다.

Figure 2. VectorBuilder의 코돈 최적화 도구를 사용한 높은 GC함량을 가진 염기 서열의 최적화.

3. Optimizing sequences with repetitive regions View more

Figure 3 은 코돈 최적화 도구를 사용한 최적화 전후의 인간 immunoglobulin heavy chain 유전자의 염기 서열을 비교한 dot plot들입니다.  최적화하기 전의 dot plot에서는 여러 개의 대각선들로 표시되는 것처럼 반복 서열이 많이 존재하는 것을 볼 수 있지만, 최적화를 한 후에는 이러한 반복되는 서열들이 많이 줄어든 것을 dot plot에서 볼 수 있습니다.

Figure 3. VectorBuilder의 코돈 최적화 도구를 사용한 반복되는 염기 서열들의 감소.

Note: Genbank와 FASTA 형식의 염기 서열이 이 도구에서 입력으로 인식이 됩니다.