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W. Price
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Codon influence on protein expression in E. coli correlates with mRNA levels

Grégory Boël et al.Jan 12, 2016
Degeneracy in the genetic code, which enables a single protein to be encoded by a multitude of synonymous gene sequences, has an important role in regulating protein expression, but substantial uncertainty exists concerning the details of this phenomenon. Here we analyse the sequence features influencing protein expression levels in 6,348 experiments using bacteriophage T7 polymerase to synthesize messenger RNA in Escherichia coli. Logistic regression yields a new codon-influence metric that correlates only weakly with genomic codon-usage frequency, but strongly with global physiological protein concentrations and also mRNA concentrations and lifetimes in vivo. Overall, the codon content influences protein expression more strongly than mRNA-folding parameters, although the latter dominate in the initial ~16 codons. Genes redesigned based on our analyses are transcribed with unaltered efficiency but translated with higher efficiency in vitro. The less efficiently translated native sequences show greatly reduced mRNA levels in vivo. Our results suggest that codon content modulates a kinetic competition between protein elongation and mRNA degradation that is a central feature of the physiology and also possibly the regulation of translation in E. coli.
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Potential Liability for Physicians Using Artificial Intelligence

W. Price et al.Oct 4, 2019
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Systematic enhancement of protein crystallization efficiency by bulk lysine-to-arginine (KR) substitution

Nooriel Banayan et al.Jun 6, 2023
Structural genomics consortia established that protein crystallization is the primary obstacle to structure determination using x-ray crystallography. We previously demonstrated that crystallization propensity is systematically related to primary sequence, and we subsequently performed computational analyses showing that arginine is the most overrepresented amino acid in crystal-packing interfaces in the Protein Data Bank. Given the similar physicochemical characteristics of arginine and lysine, we hypothesized that multiple lysine-to-arginine (KR) substitutions should improve crystallization. To test this hypothesis, we developed software that ranks lysine sites in a target protein based on the redundancy-corrected KR substitution frequency in homologs. We demonstrate that three unrelated single-domain proteins can tolerate 5-11 KR substitutions with at most minor destabilization and that these substitutions consistently enhance crystallization propensity. This approach rapidly produced a 1.9 Å crystal structure of a human protein domain refractory to crystallization with its native sequence. Structures from bulk-KR-substituted domains show the engineered arginine residues frequently make high-quality hydrogen-bonds across crystal-packing interfaces. We thus demonstrate that bulk KR substitution represents a rational and efficient method for probabilistic engineering of protein surface properties to improve protein crystallization.