GeneOptimizer 成功优化基因的流程
定制基因合成的强大优势在于您可以根据您的需求设计自己的 DNA，无需受到传统克隆方法的局限。对于大多数研究人员而言，同样重要的是要通过合成基因获得高产量的 mRNA，并最终获得更高产量的蛋白。为了最大限度提高所有现有表达体系的合成基因的表达水平，我们开发了 GeneArt GeneOptimizer 软件。在每个 GeneArt 项目中均可选择进行系列优化。
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，进而造成表达率和可靠性降低。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。该算法在单次运算中考虑到了所有的相关优化参数，可为您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）对于实现目的蛋白最高效率表达非常重要。
图 1.蛋白表达演示图。
| 转录水平 | mRNA 水平 | 翻译水平 |
|---|---|---|
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合成序列的另一项优势是，您不必依赖现有的 DNA 模板，而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/终止密码子、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，在通过我们的在线订购中心主页定制时，请选择您的表达宿主。该在线软件将引导您完成整个项目设计流程，包括序列优化。如下所述的性能优化仅仅是GeneArt DNA 提供的额外附加价值之一。
通过我们的在线订购中心，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、UTR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以及您的独特序列要求，生成最符合您的研究需求的 DNA 序列。
我们已经进行了若干项内部研究，大量客户报告显示，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，其中 86% 表现出了更高的表达（图 2 中的实例）。后续分析表明，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 GeneOptimizer 算法的结果是：
- 86% 的优化基因表现出了蛋白表达水平的显著性增加
- 优化基因的蛋白产量提高达 15 倍
- 优化基因表达率为 100%，而野生型基因则为 88%
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。在空白载体阴性对照中，用60 kDa标准蛋白来查看结果。各图左侧：分子量值 (kDa)。各图右侧：特定蛋白条带。(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）。针对每种蛋白质，优化构建体的表达量增加。采用野生型构造体，未检测到 IL-2 表达。（图片摘自 Fath 等人所著的文献, 2011 [1]）。
为了展示 GeneOptimizer 软件的价值，我们比较了不同供应商优化序列的蛋白表达水平。我们选择三种人类激酶的基因进行优化和合成，或者由五家不同的竞争对手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家竞争对手的优化算法（图 4）。
图 4.通过GeneArt技术优化的野生型基因的表达水平，以及由五家竞争对手优化的同一基因的表达水平。相对蛋白表达值以 GeneArt 序列为标准。
- Fath 等人：Multiparameter RNA and Codon Optimization
- Raab 等人：The GeneOptimizer algorithm: using a sliding window approach to cope with the vast sequence space in multiparameter DNA sequence optimization
- Graf 等人：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获取信息。
