大家在研究基因表达时，常常会遇到由于基因的宿主来源不同导致蛋白质表达量较低或不表达，因此会采用密码子优化（Codon Optimization）的方式来提高蛋白质表达效率。

什么是密码子优化？

密码子代表将信息从基因转移到 mRNA 再到蛋白质的遗传密码。由于冗余和进化限制，包括 tRNA共受体、TATA box、Shine-Dalgarno 序列等的可用性，导致同一氨基酸优先使用一个密码子而不是另一个密码子。这种现象称为密码子偏向。密码子优化是一种通过适应宿主生物体的密码子偏好性来改善基因表达和提高目标基因翻译效率的过程。

密码子优化的基本原理：

密码子优化的基本原理是：不同的物种编码某氨基酸所使用的密码子偏好性不同，因为不同物种细胞内某种氨基酸对应的tRNA丰度不同，因此当连续存在两个以上的稀有密码子的时候，很可能导致蛋白质翻译的效率下降、甚至翻译终止的现象。

例如，这种情况常见于原核生物的基因或病毒来源的基因在真核细胞中表达量极低或几乎不表达，又或将真核细胞基因进行原核表达时，也可能出现表达量极低或几乎不表达的情况。

通常我们在进行密码子优化时，只是简单的把基因原始密码子替换为该物种使用频率最高的那个密码子（同义密码子替换），在密码子优化数量较少时，这种方式往往是有效的。但是如果需要对基因的所有密码子都进行优化时，就可能适得其反。

那么，影响密码子优化是否成功的因素有哪些呢？

在进行密码子优化时，将稀有密码子替换成高频使用的密码子时，还需要考虑目的基因整体的GC含量、限制性酶切位点和mRNA的稳定性（比如mRNA二级结构，RNA修饰等）等因素。另外还需要考虑整体的密码子协调性和密码子敏感性。

密码子的协调性是指在进行密码子优化时需要用表达宿主中使用频率相似的同义密码子替换掉基因原始序列的密码子。并不是使用频率越高的密码子对蛋白质的翻译越好，有时候往往会起到反作用，因为当蛋白质翻译速度过快时，会造成错误折叠（错误折叠的蛋白质会被降解），产生的有活性的蛋白质反而更少，表达量更低。例如在进行原核表达时，往往采用低温诱导的方式，目的就是降低蛋白质的翻译速度，从而产生更多的正确折叠的蛋白质，从而提高表达水平。

密码子的敏感性是指tRNA和氨基酸的亲和力，亲和力越高，敏感性就越高。然而，敏感性越高的密码子对培养基中的氨基酸浓度变化越敏感，也就是当某种氨基酸快速消耗时，其不能很好地适应氨基酸浓度的变化，导致该tRNA转运氨基酸的能力下降，蛋白质翻译效率降低。