Comparison of two codon optimization strategies to enhance recombinant protein production in Escherichia coli
Creators
- 1. National University of Rosario
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Description
Variations in codon usage between species are one of the major causes affecting recombinant protein expression levels, with a significant impact on the economy of industrial enzyme production processes. The use of codon-optimized genes may overcome this problem. However, designing a gene for optimal expression requires choosing from a vast number of possible DNA sequences and different codon optimization methods have been used in the past decade. Here, a comparative study of the two most common methods is presented using calf prochymosin as a model.Seven sequences encoding calf prochymosin have been designed, two using the "one amino acid-one codon" method and five using a "codon randomization" strategy. When expressed in Escherichia coli, the variants optimized by the codon randomization approach produced significantly more proteins than the native sequence including one gene that produced an increase of 70% in the amount of prochymosin accumulated. On the other hand, no significant improvement in protein expression was observed for the variants designed with the one amino acid-one codon method. The use of codon-optimized sequences did not affect the quality of the recovered inclusion bodies.The results obtained in this study indicate that the codon randomization method is a superior strategy for codon optimization. A significant improvement in protein expression was obtained for the largely established process of chymosin production, showing the power of this strategy to reduce production costs of industrial enzymes in microbial hosts.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تعد الاختلافات في استخدام الكودون بين الأنواع أحد الأسباب الرئيسية التي تؤثر على مستويات تعبير البروتين المؤتلف، مع تأثير كبير على اقتصاد عمليات إنتاج الإنزيمات الصناعية. قد يتغلب استخدام الجينات المحسنة للكودون على هذه المشكلة. ومع ذلك، فإن تصميم جين للتعبير الأمثل يتطلب الاختيار من بين عدد كبير من تسلسلات الحمض النووي المحتملة وطرق تحسين الكودونات المختلفة التي تم استخدامها في العقد الماضي. هنا، يتم تقديم دراسة مقارنة للطريقتين الأكثر شيوعًا باستخدام بروشيموسين العجل كنموذج. تم تصميم سبعة متواليات ترميز بروشيموسين العجل، اثنان باستخدام طريقة "حمض أميني واحد - كودون واحد" وخمسة باستخدام استراتيجية "عشوائية الكودون". عندما يتم التعبير عنها في الإشريكية القولونية، فإن المتغيرات التي تم تحسينها من خلال نهج التوزيع العشوائي للكودون أنتجت بروتينات أكثر بكثير من التسلسل الأصلي بما في ذلك جين واحد أنتج زيادة بنسبة 70 ٪ في كمية البروكيموسين المتراكمة. من ناحية أخرى، لم يلاحظ أي تحسن كبير في التعبير البروتيني للمتغيرات المصممة بطريقة كودون الحمض الأميني الواحد. لم يؤثر استخدام التسلسلات المحسنة للكودون على جودة أجسام التضمين المستردة. تشير النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة إلى أن طريقة التوزيع العشوائي للكودون هي استراتيجية متفوقة لتحسين الكودون. تم الحصول على تحسن كبير في التعبير البروتيني للعملية الراسخة إلى حد كبير لإنتاج الكيموسين، مما يدل على قوة هذه الاستراتيجية لتقليل تكاليف إنتاج الإنزيمات الصناعية في المضيفات الميكروبية.Translated Description (French)
Les variations dans l'utilisation des codons entre les espèces sont l'une des principales causes affectant les niveaux d'expression des protéines recombinantes, avec un impact significatif sur l'économie des processus industriels de production d'enzymes. L'utilisation de gènes optimisés pour les codons peut surmonter ce problème. Cependant, la conception d'un gène pour une expression optimale nécessite de choisir parmi un grand nombre de séquences d'ADN possibles et différentes méthodes d'optimisation des codons ont été utilisées au cours de la dernière décennie. Ici, une étude comparative des deux méthodes les plus courantes est présentée en utilisant la prochymosine de veau comme modèle. Sept séquences codant pour la prochymosine de veau ont été conçues, deux en utilisant la méthode « un acide aminé-un codon » et cinq en utilisant une stratégie de « randomisation des codons ». Lorsqu'ils sont exprimés chez Escherichia coli, les variants optimisés par l'approche de randomisation des codons ont produit significativement plus de protéines que la séquence native, y compris un gène qui a produit une augmentation de 70% de la quantité de prochymosine accumulée. En revanche, aucune amélioration significative de l'expression protéique n'a été observée pour les variants conçus avec la méthode un acide aminé - un codon. L'utilisation de séquences optimisées pour les codons n'a pas affecté la qualité des corps d'inclusion récupérés. Les résultats obtenus dans cette étude indiquent que la méthode de randomisation des codons est une stratégie supérieure pour l'optimisation des codons. Une amélioration significative de l'expression des protéines a été obtenue pour le processus largement établi de production de chymosine, montrant la puissance de cette stratégie pour réduire les coûts de production des enzymes industrielles chez les hôtes microbiens.Translated Description (Spanish)
Las variaciones en el uso de codones entre especies son una de las principales causas que afectan los niveles de expresión de proteínas recombinantes, con un impacto significativo en la economía de los procesos industriales de producción de enzimas. El uso de genes optimizados por codones puede superar este problema. Sin embargo, el diseño de un gen para una expresión óptima requiere elegir entre una gran cantidad de posibles secuencias de ADN y se han utilizado diferentes métodos de optimización de codones en la última década. Aquí, se presenta un estudio comparativo de los dos métodos más comunes utilizando proquimosina de ternera como modelo. Se han diseñado siete secuencias que codifican proquimosina de ternera, dos utilizando el método de "un aminoácido, un codón" y cinco utilizando una estrategia de "aleatorización de codones". Cuando se expresaron en Escherichia coli, las variantes optimizadas por el enfoque de aleatorización de codones produjeron significativamente más proteínas que la secuencia nativa, incluido un gen que produjo un aumento del 70% en la cantidad de proquimosina acumulada. Por otro lado, no se observó una mejora significativa en la expresión de proteínas para las variantes diseñadas con el método de un aminoácido-un codón. El uso de secuencias optimizadas por codones no afectó la calidad de los cuerpos de inclusión recuperados. Los resultados obtenidos en este estudio indican que el método de aleatorización de codones es una estrategia superior para la optimización de codones. Se obtuvo una mejora significativa en la expresión de proteínas para el proceso ampliamente establecido de producción de quimosina, lo que demuestra el poder de esta estrategia para reducir los costos de producción de enzimas industriales en huéspedes microbianos.Files
1475-2859-10-15.pdf
Files
(756.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:55dda904b2180c549f38df255908cf16
|
756.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- مقارنة بين استراتيجيتين لتحسين الكودونات لتعزيز إنتاج البروتين المؤتلف في الإشريكية القولونية
- Translated title (French)
- Comparaison de deux stratégies d'optimisation des codons pour améliorer la production de protéines recombinantes chez Escherichia coli
- Translated title (Spanish)
- Comparación de dos estrategias de optimización de codones para mejorar la producción de proteínas recombinantes en Escherichia coli
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2125135723
- DOI
- 10.1186/1475-2859-10-15
References
- https://openalex.org/W1589192533
- https://openalex.org/W1760665500
- https://openalex.org/W1974677665
- https://openalex.org/W1981078760
- https://openalex.org/W1981740353
- https://openalex.org/W1986439383
- https://openalex.org/W1987984230
- https://openalex.org/W1990876134
- https://openalex.org/W1992837075
- https://openalex.org/W1995160346
- https://openalex.org/W2002677631
- https://openalex.org/W2006607348
- https://openalex.org/W2009845005
- https://openalex.org/W2015192661
- https://openalex.org/W2017621033
- https://openalex.org/W2018147562
- https://openalex.org/W2024793354
- https://openalex.org/W2032227859
- https://openalex.org/W2035522315
- https://openalex.org/W2035673487
- https://openalex.org/W2037861389
- https://openalex.org/W2051242197
- https://openalex.org/W2058864686
- https://openalex.org/W2058908275
- https://openalex.org/W2072499238
- https://openalex.org/W2077557792
- https://openalex.org/W2078442500
- https://openalex.org/W2078755055
- https://openalex.org/W2081052985
- https://openalex.org/W2081592039
- https://openalex.org/W2094409918
- https://openalex.org/W2099435024
- https://openalex.org/W2104125532
- https://openalex.org/W2109925162
- https://openalex.org/W2111068500
- https://openalex.org/W2111260183
- https://openalex.org/W2123205277
- https://openalex.org/W2133719703
- https://openalex.org/W2138816428
- https://openalex.org/W2141157874
- https://openalex.org/W2143659089
- https://openalex.org/W2144342971
- https://openalex.org/W2144870003
- https://openalex.org/W2147967486
- https://openalex.org/W2149424410
- https://openalex.org/W2167868583