Biotechnologia Acta

...

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
Home Archive 2020 № 6 EXPRESSION OF NUCLEOCAPSID VIRAL PROTEINS IN THE BACTERIAL SYSTEM OF Escherichia coli: THE INFLUENCE OF THE CODON COMPOSITION AND THE UNIFORMITY OF ITS DISTRIBUTION WITHIN GENE E. G. Fomina, E. E. Grigorieva, V. V. Zverko, A. S. Vladyko
Print PDF

ISSN 2410-7751 (Print)
ISSN 2410-776X (Online)

Biotechnologia Acta V. 13, No 6, 2020
Р.
30–40, Bibliography 20, English
Universal Decimal Classification: 577.21
https://doi.org/10.15407/biotech13.06.030

EXPRESSION OF NUCLEOCAPSID VIRAL PROTEINS IN THE BACTERIAL SYSTEM OF Escherichia coli: THE INFLUENCE OF THE CODON COMPOSITION AND THE UNIFORMITY OF ITS DISTRIBUTION WITHIN GENE

E. G. Fomina, E. E. Grigorieva, V. V. Zverko, A. S. Vladyko

State Institution "Republican Scientific and Practical Center for Epidemiology and Microbiology", Republic of Belarus, Minsk

A heterologous host has got a unique expression ability of each gene. Differences between the synonymous sequences play an important role in regulation of protein expression in organisms from Escherichia coli to human, and many details of this process remain unclear. The work was aimed to study the composition of codons, its distribution over the sequence and the effect of rare codons on the expression of viral nucleocapsid proteins and their fragments in the heterologous system of E.coli. The plasmid vector pJC 40 and the BL 21 (DE 3) E. coli strain were used for protein expression. The codon composition analysis was performed using the online resource (www.biologicscorp.com). 10 recombinant polypeptides were obtained encoding the complete nucleotide sequence of nucleocapsid proteins (West Nile and hepatitis C viruses) and the fragments including antigenic determinants (Lassa virus, Marburg, Ebola, Crimean-Congo hemorrhagic fever (CCHF), Puumaravala, Hantaan, and lymphocytic choriomeningitis (LHM)). Hybrid plasmid DNAs provide efficient production of these proteins in the prokaryotic system with the recombinant protein yield varying by a factor of 8: from 5 to 40 mg per 1 liter of bacterial culture. No correlation was found between the level of protein expression and the frequency of occurrence of rare codons in the cloned sequence: the maximum frequency of occurrence of rare codons per cloned sequence was observed for the West Nile virus (14.6%), the minimum was for the CCHF virus (6.6%), whereas the expression level for these proteins was 30 and 5 mg/L culture, respectively. The codon adaptation index (CAI) values, calculated on the basis of the codon composition in E. coli, for the cloned viral sequences were in the range from 0.50 to 0.58, which corresponded to the average expressed proteins. The analysis of the distribution profiles of CAI in the cloned sequences indicated the absence of clusters of rare codons that could create difficulties in translation. A statistically significant difference between the frequencies of the distribution of amino acids in the cloned sequences and their content in E. coli was observed for the nucleocapsid proteins of the Marburg, Ebola, West Nile, and hepatitis C viruses.

Key words: recombinant nucleocapsid proteins, expression, rare codons, codon adaptation index.

© Palladin Institute of Biochemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, 2020

  • References
    • 1. Boël G., Letso R., Neely H., Price W. N., Wong K. H., Su M., Luff J., Valecha M., Everett J. K., Acton T. B., Xiao R., Montelione G. T., Aalberts D. P., Hunt J. F. Codon influence on protein expression in E. coli correlates with mRNA levels. Nature. 2016, V. 529, P. 358‒363. https://doi.org/10.1038/nature16509

      2. Robinson M., Lilley R., Little S., Emtage J. S., Yarranton G., Stephens P., Millican A., Eaton M., Humphrey G. Codon usage can affect efficiency of translation of genes in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 1984, V. 12, P. 6663–6671.
      https://doi.org/10.1093/nar/12.17.6663

      3. Goodman D. B., Church G. M., Kosuri S. Causes and effects of N-terminal codon bias in bacterial genes. Science. 2013, 342 (6157), 475‒479. https://doi.org/10.1126/science.1241934

      4. Castillo-Mendez M. A., Jacinto-Loeza E., Olivares-Trejo J. J., Guarneros-Pena G., Hernandez-Sanchez J. Adenine-containing codons enhance protein synthesis by promoting mRNA binding to ribosomal 30S subunits provided that specific tRNAs are not exhausted. Biochimie. 2012, V. 94, P. 662–672. https://doi.org/10.1016/ j.biochi.2011.09.019

      5. Bentele K., Saffert P., Rauscher R., Ignatova Z., Bluthgen N. Efficient translation initiation dictates codon usage at gene start. Mol. Syst. Biol. 2013, V. 9, P. 675. https://doi.org/10.1038/msb.2013.32

      6. Cannarozzi G., Schraudolph N., Mahamadou_Faty, Peter von Rohr, Friberg M., Roth A., Gonnet P., Gonnet G., Barral Y. A role for codon order in translation dynamics. Cell. 2010, V. 141, P. 355–367. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.02.036

      7. Vivanco-Dominguez S., Bueno-Martínez J., León-Avila G., Nobuhiro Iwakura, Kaji A., Kaji H., Guarneros G. Protein synthesis factors (RF1, RF2, RF3, RRF, and tmRNA) and peptidyl-tRNA hydrolase rescue stalled ribosomes at sense codons. J. Mol. Biol. 2012, V. 417, P. 425–439. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2012.02.008

      8. Li G. W., Burkhardt D., Gross C., Weissman J. S. Quantifying absolute protein synthesis rates reveals principles underlying allocation of cellular resources. Cell. 2014, V. 157, P. 624–635. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.033

      9. Sato T., Terabe M., Watanabe H., Gojobori T., Hori-Takemoto C., Miura K. Codon and base biases after initiation codon of the open reading frames in the Escherichia coli genome and their influence on translation efficiency. J. Biochem. 2001, V. 129, P. 851–860. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.jbchem.a002929

      10. Gonzalez de Valdivia E. I., Isaksson L. A. A codon window in mRNA downstream of the initiation codon where NGG codons give strongly reduced gene expression in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 2004, V. 32, P. 5198–5205. https://doi.org/10.1093/nar/gkh857

      11. Ude S., Lassak S., Starosta A., Kraxenberger T., Wilson D., Jung K. Translation elongation factor EF-P alleviates ribosome stalling at polyproline stretches. Science. 2013, V. 339, P. 82–85. https://doi.org/10.1126/science.1228985

      12. Clos J., Brandau S. pJC20 and pJC40 – two high-copy-number vectors for T7 RNA polymerase-dependent expression of recombinant genes in Escherichia coli. Protein Expr. Purif. 1994, V. 5, P. 133–137. https://doi.org/10.1006/prep.1994.1020

      13. Lee S., Weon S., Kang C. Relative codon adaptation index, a sensitive measure of codon usage bias. Evol. Bioinform. Online. 2010, V. 6, P. 47–55. https://doi.org/10.4137/ebo.s4608

      14. Vladimirov N. V., Likhoshvai V. A., Matushkin Yu. G. Correlation of codon biases and potential secondary structures with mRNA translation efficiency in unicellular organisms. Mol. Biol. 2007, 41 (5), 843‒850. (In Russian).
      https://doi.org/10.1134/S0026893307050184

      15. Kirienko N. V., Lepikhov K. A., Zheleznaya L. A., Matvienko N. I. Significance of codon usage and irregularities of rare codon distribution in genes for expression of BspLU11III methyltransferases. Biochem. 2004, 69 (5), 647–657. (In Russian).
      https://doi.org/10.1023/B:BIRY.0000029851.96180.92

      16. Tyulko J. S., Yakimenko V. V. Strategy of synonymous codon usage in encoding sequences of the Thick-borne encephalitis virus. Voprosy virusologii. 2015, 60 (6), 37–41. (In Russian).

      17. Kaur J., Kumar A. Strategies for optimization of heterologous protein expression in E. coli: roadblocks and reinforcements. Int. J. Biol. Macromol. 2018, V. 106, P. 803–822. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.08.080

      18. Kane J. Effects of rare codon clusters on high-level expression of heterologous proteins in Escherichia coli. Curr. Opin. Biotechnol. 1995, V. 6, P. 494‒500. https://doi.org/10.1016/0958-1669(95)80082-4

      19. Jia B., Jeon C. O. High-throughput recombinant protein expression in Escherichia coli: current status and future perspectives. Open Biol. 2016. V. 6, P. 160‒196. https://doi.org/10.1098/rsob.160196

      20. Gopal G., Kumar A. Strategies for the production of recombinant protein in Escherichia coli. Protein J. 2013, 32 (6), 419‒425. https://doi.org/10.1007/s10930-013-9502-5


Normal 0 false false false EN-US X-NONE X-NONE

Ж-л "Biotechnologia Acta" Т. 13, №6 , 2020

С. 24-29, библиогр. 20, англ.

УДК: 577.21

https://doi.org/10.15407/biotech13.06.030

Экспрессия нуклеокапсидных вирусных протеинов в бактериальной системе Escherichia coli: влияние кодонового состава и равномерности его распределения внутри гена

Е. Г. Фомина, Е. Е. Григорьева, В. В. Зверко, А. С. Владыко

Государственное учреждение «Республиканский научно-практический центр эпидемиологии и микробиологии», Республика Беларусь, Минск

E-mail: feg1@tut.by

Экспрессионная способность каждого гена уникальна у гетерологичного хозяина. Различия между синонимичными последовательностями играют важную роль в регуляции экспрессии протеина в организмах от Escherichia coli до человека, и многие детали этого процесса остаются неясными. Цель исследования: изучить состав кодонов, его распределение по последовательности и влияние редких кодонов на экспрессию вирусных нуклеокапсидных протеинов и их фрагментов в гетерологичной системе E. coli. Для экспрессии протеинов использовали плазмидный вектор pJC 40 и штамм BL 21 (DE 3) E. coli. Анализ состава кодонов выполнен с использованием on-line ресурса (www.biologicscorp.com). Получены 10 рекомбинантных полипептидов, кодирующих полную нуклеотидную последовательность нуклеокапсидных белк протеинов (вирусы Западного Нила и гепатита С) и их фрагменты, включающие антигенные детерминанты (вирус Ласса, Марбург, Эбола, Крымской-Конго геморрагической лихорадки (ККГЛ), Пуумала, Хантаан, Добрава-Белград и лимфоцитарного хориоменингита (ЛХМ)). Гибридные плазмидные ДНК обеспечивают эффективное продукцирование этих протеинов в прокариотической системе с выходом рекомбинатного протеина, варьирующим в 8 раз: от 5 до 40 мг на 1 литр бактериальной культуры. Не выявлена корреляция уровня экспрессии протеинов с частотой встречаемости редких кодонов в клонированной последовательности: максимальная частота встречаемости редких кодонов на клонированную последовательность наблюдалась для вируса Западного Нила (14,6 %), минимальная – для вируса ККГЛ (6,6 %), в то время как уровень экспрессии для этих белков составлял 30 и 5 мг/л культуры соответственно. Значения индекса адаптации кодонов (CAI), рассчитанные на основе кодонового состава у E. coli, для клонированных вирусных последовательностей находятся в диапазоне от 0,50 до 0,58, что соответствует среднеэкспрессируемым протеинам. Проведенный анализ профилей распределения СAI в клонированных последовательностях указывает на отсутствие кластеров редких кодонов, способных создавать затруднения при трансляции. Статистически значимое отличие между частотами распределения аминокислот в клонированных последовательностях и их содержанием в E. coli наблюдалось для нуклеокапсидных протеинов вирусов Марбург, Эбола, Западного Нила и гепатита С.

Ключевые слова: рекомбинантные нуклеокапсидные протеины, экспрессия, редкие кодоны, индекс адаптации кодонов.

 

Additional menu

Site search

Site navigation

Home Archive 2020 № 6 EXPRESSION OF NUCLEOCAPSID VIRAL PROTEINS IN THE BACTERIAL SYSTEM OF Escherichia coli: THE INFLUENCE OF THE CODON COMPOSITION AND THE UNIFORMITY OF ITS DISTRIBUTION WITHIN GENE E. G. Fomina, E. E. Grigorieva, V. V. Zverko, A. S. Vladyko

Invitation to cooperation

Dear colleagues, we invite you to publish your articles in our journal.
© Palladin Institute of Biochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008.
All rights are reserved. Complete or partial reprint of the journal is possible only with the written permission of the publisher.
E-mail
for information: biotech@biochem.kiev.ua.