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2024-04-29T17:53:39Z

Anwendung – Codon-Optimierung: doppelten Link entfernt

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'''Codonverwendung''' ({{enS|''Codon Usage''}}), auch {{lang|en|'''Codon Bias'''}}, beschreibt das Phänomen, dass Varianten des universellen [[Genetischer Code|genetischen Codes]] von verschiedenen [[Art (Biologie)|Spezies]] unterschiedlich häufig verwendet werden. Bestimmte [[Genetischer Code#Codon|Codons]] des degenerierten Codes werden bevorzugt benutzt, was letztlich der [[tRNA]]-Konzentration innerhalb der Zelle entspricht. Die Codonverwendung spielt eine große Rolle bei der Regulation der [[Proteinbiosynthese]]. Selten verwendete Codons können die [[Translation (Biologie)|Translation]] bremsen, während häufig genutzte Codons die Translation beschleunigen können.

== Anwendung – Codon-Optimierung ==
Die heterologe Genexpression wird in vielen biotechnologischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Proteinproduktion, des [[Metabolic Engineering]] und bei mRNA-[[Impfstoffdesign|Impfstoffen]]. Da die tRNA-Pools zwischen verschiedenen Organismen variieren, kann die Transkriptions- und Translationsrate einer bestimmten kodierenden Sequenz weniger effizient sein, wenn sie in einem nicht-nativen Kontext platziert wird. So achtet man zum Beispiel bei der (aus Kostengründen häufig bevorzugten) [[Gentechnologie|gentechnischen]] Produktion menschlicher Proteine in Bakterien auf die Tatsache, dass das Bakterium, beispielsweise ''E. coli'', über eine andere Codonverwendung verfügt als der Mensch. Damit die Bakterien das artfremde menschliche Gen ebenfalls schnell und effizient für die Translation ablesen können wie ihre eigenen Gene, wird es gentechnisch verändert. Das Resultat ist eine angepasste Gensequenz, die dem Codonverwendungs-Repertoire des Bakterienstamms weitgehend entspricht, aber noch für dasselbe Protein codiert.

Eine weitere Möglichkeit ist die ''Codon-Optimierung'', wodurch bei der Herstellung eines [[Rekombinantes Protein|rekombinanten Proteins]] die Expressionsrate gesteigert werden kann. Dabei werden bevorzugt diejenigen 20 Aminosäurecodons verwendet werden, deren tRNA im exprimierenden Organismus in größerer Menge vorhanden ist<ref>{{Literatur |Autor=Ekaterini Kotsopoulou, V. Narry Kim, Alan J. Kingsman, Susan M. Kingsman, Kyriacos A. Mitrophanous |Titel=A Rev-Independent Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1)-Based Vector That Exploits a Codon-Optimized HIV-1gag-pol Gene |Sammelwerk=Journal of Virology |Band=74 |Nummer=10 |Datum=2000-05-15 |Seiten=4839–4852 |DOI=10.1128/JVI.74.10.4839-4852.2000 |PMID=10775623}}</ref><ref name="PMID15245907">C. Gustafsson, S. Govindarajan, J. Minshull: ''Codon bias and heterologous protein expression.'' In: '' Trends in Biotechnology.'' Band 22, Nummer 7, Juli 2004, S. 346–353, {{DOI|10.1016/j.tibtech.2004.04.006}}, PMID 15245907.</ref> oder die [[mRNA]] resistenter gegen Abbau macht.<ref name="PMID25768907">V. Presnyak, N. Alhusaini, Y. H. Chen, S. Martin, N. Morris, N. Kline, S. Olson, D. Weinberg, K. E. Baker, B. R. Graveley, J. Coller: ''Codon optimality is a major determinant of mRNA stability.'' In: ''[[Cell (Zeitschrift)|Cell]].'' Band 160, Nummer 6, März 2015, S. 1111–1124, {{DOI|10.1016/j.cell.2015.02.029}}, PMID 25768907, {{PMC|4359748}}.</ref> Außerdem kann die aus der Codonverwendung resultierende Faltung der mRNA eine Rolle spielen: Da die [[Sekundärstruktur]] des 5'-Endes der mRNA die Translationseffizienz beeinflusst, können synonyme Veränderungen in diesem Bereich der mRNA zu tiefgreifenden Auswirkungen auf die Genexpression führen. Die Codonverwendung in [[Nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure|nicht-kodierenden]] DNA-Regionen kann daher eine wichtige Rolle für die RNA-Sekundärstruktur und die nachgeschaltete [[Proteinexpression]] spielen. Insbesondere kann eine ungünstige Sekundärstruktur an der Ribosomen-Bindungsstelle oder am Initiationscodon die Translation hemmen, und die mRNA-Faltung am [[5'-Ende]] kann die Proteinexpression in hohem Maße beeinflussen.<ref>{{Literatur |Autor=Eva Maria Novoa, Lluís Ribas de Pouplana |Titel=Speeding with control: codon usage, tRNAs, and ribosomes |Sammelwerk=Trends in Genetics |Band=28 |Nummer=11 |Datum=2012-11 |ISSN=0168-9525 |Seiten=574–581 |DOI=10.1016/j.tig.2012.07.006}}</ref> Weiterhin kann die Faltung des gebildeten Proteins bereits während der [[Translation (Biologie)|Translation]] am [[Ribosom]] von der Translationsgeschwindigkeit abhängen, weshalb die Codonverwendung auch einen Einfluss auf die [[Konformation]] des kodierten Proteins haben kann.<ref>{{Literatur |Titel=GENETIC CODE REDUNDANCY AND ITS INFLUENCE ON THE ENCODED POLYPEPTIDES |Sammelwerk=Computational and Structural Biotechnology Journal |Band=1 |Nummer=1 |Datum=2012-04-01 |ISSN=2001-0370 |Seiten=e201204006 |DOI=10.5936/csbj.201204006 |PMC=3962081 |PMID=24688635}}</ref>

== Codon Usage Tabelle ==
In folgender Tabelle ist die Häufigkeit der Nutzung eines bestimmten Codons pro 1000 [[Nukleinbasen|Codons]] einer DNA-Sequenz gezeigt. Verglichen wurde der ''codon bias'' des ''[[E. coli]]'' Sicherheitstamms K12 mit dem der [[Bäckerhefe]] und dem des Menschen.<ref>[http://www.kazusa.or.jp/codon/ Daten aus der Codon Usage Database], die ihrerseits die [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/GenbankOverview.html NCBI-GenBank]-Daten nutzt.</ref>

{| class="wikitable"
|- style="background:#99CCFF; vertical-align:bottom;" align="center"
|style="font-weight:bold" width="78" height="14" | Aminosäure
|style="font-weight:bold" width="45" | Codon
| width="100" | ''[[E. coli]]'' K12
|style="font-style:Italic" width="82" | [[Backhefe|S. cerevisiae]]
|style="font-style:Italic" width="90" | [[Mensch|H. sapiens]]
|style="font-weight:bold" width="84" | Aminosäure
|style="font-weight:bold" width="44" | Codon
| width="78" | ''E. coli'' K12
|style="font-style:Italic" width="82" | S. cerevisiae
|style="font-style:Italic" width="90" | H. sapiens

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" height="13" | [[Valin]] (V)
| GUU
| 16,8
| 22,1
| 11,0
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | [[Alanin]] (A)
| GCU
| 10,7
| 21,2
| 18,4

|- align="center"
| GUC
| 11,7
| 11,8
| 14,5
| GCC
| 31,6
| 12,6
| 27,7

|- align="center"
| GUA
| 11,5
| 11,8
| 7,1
| GCA
| 21,1
| 16,2
| 15,8

|- align="center"
| GUG
| 26,4
| 10,8
| 28,1
| GCG
| 38,5
| 6,2
| 7,4

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" height="13" | [[Leucin]] (L)
| CUU
| 11,9
| 12,3
| 13,2
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | [[Prolin]] (P)
| CCU
| 8,4
| 13,5
| 17,5

|- align="center"
| CUC
| 10,5
| 5,4
| 19,6
| CCC
| 6,4
| 6,8
| 19,8

|- align="center"
| CUA
| 5,3
| 13,4
| 7,2
| CCA
| 6,6
| 18,3
| 16,9

|- align="center"
| CUG
| 46,9
| 10,5
| 39,6
| CCG
| 26,7
| 5,3
| 6,9

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | Leucin (L)
| UUA
| 15,2
| 26,2
| 7,7
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | [[Serin]] (S)
| UCU
| 5,7
| 23,5
| 15,2

|- align="center"
| UUG
| 11,9
| 27,2
| 12,9
| UCC
| 5,5
| 14,2
| 17,7

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Phenylalanin]] (F)
| UUU
| 19,7
| 26,1
| 17,6
| UCA
| 7,8
| 18,7
| 12,2

|- align="center"
| UUC
| 15,0
| 18,4
| 20,3
| UCG
| 8,0
| 8,6
| 4,4

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="3" height="13" | [[Isoleucin]] (I)
| AUU
| 30,5
| 30,1
| 16,0
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | [[Threonin]] (T)
| ACU
| 8,0
| 20,3
| 13,1

|- align="center"
| AUC
| 18,2
| 17,2
| 20,8
| ACC
| 22,8
| 12,7
| 18,9

|- align="center"
| AUA
| 3,7
| 17,8
| 7,5
| ACA
| 6,4
| 17,8
| 15,1

|- align="center" style="vertical-align:bottom"
|style="background-color:#C0C0C0" height="14" | [[Methionin]] (M)
| AUG
| 24,8
| 20,9
| 22,0
| ACG
| 11,5
| 8,0
| 6,1

|- style="background:#99CCFF; vertical-align:bottom;" align="center"
|style="font-weight:bold" height="14" | Aminosäure
|style="font-weight:bold" | Codon
| width="78" | ''E. coli'' K12
|style="font-style:Italic" | S. cerevisiae
|style="font-style:Italic" | H. sapiens
|style="font-weight:bold" | Aminosäure
|style="font-weight:bold" | Codon
| width="78" | ''E. coli'' K12
|style="font-style:Italic" | S. cerevisiae
|style="font-style:Italic" | H. sapiens

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Asparaginsäure]] (D)
| GAU
| 37,9
| 37,6
| 21,8
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | [[Glycin]] (G)
| GGU
| 21,3
| 23,9
| 10,8

|- align="center"
| GAC
| 20,5
| 20,2
| 25,1
| GGC
| 33,4
| 9,8
| 22,2

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Glutaminsäure]] (E)
| GAA
| 43,7
| 45,6
| 29,0
| GGA
| 9,2
| 10,9
| 16,5

|- align="center"
| GAG
| 18,4
| 19,2
| 39,6
| GGG
| 8,6
| 6,0
| 16,5

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Tyrosin]] (Y)
| UAU
| 16,8
| 18,8
| 12,2
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" | [[Cystein]] (C)
| UGU
| 5,9
| 8,1
| 10,6

|- align="center"
| UAC
| 14,6
| 14,8
| 15,3
| UGC
| 8,0
| 4,8
| 12,6

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" height="14" | Stopp
| UAA
| 1,8
| 1,1
| 1,0
|style="background-color:#C0C0C0" | Stopp
| UGA
| 1,0
| 0,7
| 1,6

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" height="14" | Stopp
| UAG
| 0,1
| 0,5
| 0,8
|style="background-color:#C0C0C0" | [[Tryptophan]] (W)
| UGG
| 10,7
| 10,4
| 13,2

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Asparagin]] (N)
| AAU
| 21,9
| 35,7
| 17,0
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" | Serin (S)
| AGU
| 7,2
| 14,2
| 12,1

|- align="center"
| AAC
| 24,4
| 24,8
| 19,1
| AGC
| 16,6
| 9,8
| 19,5

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Lysin]] (K)
| AAA
| 33,2
| 41,9
| 24,4
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" | [[Arginin]] (R)
| AGA
| 1,4
| 21,3
| 12,2

|- align="center"
| AAG
| 12,1
| 30,8
| 31,9
| AGG
| 1,6
| 9,2
| 12,0

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Histidin]] (H)
| CAU
| 15,8
| 13,6
| 10,9
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="4" | Arginin (R)
| CGU
| 21,1
| 6,4
| 4,5

|- align="center"
| CAC
| 13,1
| 7,8
| 15,1
| CGC
| 26,0
| 2,6
| 10,4

|- align="center"
|style="background-color:#C0C0C0" rowspan="2" height="13" | [[Glutamin]] (Q)
| CAA
| 12,1
| 27,3
| 12,3
| CGA
| 4,3
| 3,0
| 6,2

|- align="center"
| CAG
| 27,7
| 12,1
| 34,2
| CGG
| 4,1
| 1,7
| 11,4
|}

== Codon Adaption Index (CAI) ==
Der {{lang|en|Codon Adaption Index}} (CAI, „Codon-Adaptions-Index“) beschreibt, wie gut die Codons eines heterolog exprimierten Gens der Codonverwendung des Wirtsorganismus entsprechen. Ein CAI von 1,0 wäre optimal, ein CAI > 0,9 ist sehr gut, d. h., er erlaubt einen hohen Expressionslevel.

== Weblinks ==
* [http://www.kazusa.or.jp/codon/ Codon Usage Database]
* [http://gcua.schoedl.de/ Graphical Codon Usage Analyser]
* [http://www.jcat.de/ JCat – Java Codon Usage Adaptation Tool]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Genetik]]

Codonverwendung - Versionsgeschichte

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