2023年6月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陸劍教授課題組與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所錢(qián)朝暉研究員課題組合作，在Advanced Science雜志在線(xiàn)發(fā)表了題為“Optimization and deoptimization of codons in SARS-CoV-2 and related implications forvaccine development”的論文。該研究揭示了自新冠病毒疫情暴發(fā)以來(lái)，新冠病毒基因組中密碼子使用的規(guī)律及可能的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒的密碼子使用情況與人類(lèi)差異較大，傾向使用人類(lèi)基因組中非偏好性的密碼子。隨著新冠病毒變異株的涌現(xiàn)與演化，密碼子適應(yīng)系數(shù)（CAI）存在一定波動(dòng)，但總體而言，病毒密碼子使用方面并沒(méi)有呈現(xiàn)出更加適應(yīng)人類(lèi)的趨勢(shì)。此外，該研究提出了基于人類(lèi)密碼子使用情況優(yōu)化新冠病毒mRNA疫苗序列的新策略，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了表達(dá)刺突蛋白（Spike，S）的mRNA疫苗候選序列，為未來(lái)高效疫苗的研發(fā)提供技術(shù)支撐。

生物體中的蛋白質(zhì)主要由20種常見(jiàn)氨基酸組成，由61種密碼子編碼。除甲硫氨酸與色氨酸外，其余氨基酸都由2到6種不同的密碼子編碼。多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸的現(xiàn)象被稱(chēng)作密碼子的簡(jiǎn)并性。以往研究通常認(rèn)為同義突變（不改變蛋白質(zhì)序列）由于不改變蛋白序列，因此不會(huì)對(duì)細(xì)胞功能及生物體的適應(yīng)性產(chǎn)生影響。但近年來(lái)研究表明，許多同義突變是非中性的，同義密碼子能影響包括mRNA的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)翻譯效率及蛋白質(zhì)折疊等多個(gè)生物過(guò)程，從而影響基因的表達(dá)。新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，研究者對(duì)新冠病毒基因組序列變異研究大多集中在基因組中非同義突變（能改變蛋白質(zhì)序列），尤其是S蛋白的非同義替換對(duì)病毒傳播性、致病性及免疫逃逸能力等方面的影響，但對(duì)于同義突變的研究相對(duì)較少。

為了探究新冠病毒流行過(guò)程中密碼子使用的變化趨勢(shì)，該研究使用CAI系數(shù)對(duì)9,164,789條新冠病毒基因組序列上累積變異造成的密碼子使用情況進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，病毒的CAI隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，但存在一定波動(dòng)（圖1a）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)造成CAI波動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是非同義替換和同義替換聯(lián)合作用引起的密碼子使用改變?cè)斐傻?，單純考慮同義替換對(duì)CAI的影響則相對(duì)較小。該研究還發(fā)現(xiàn)新冠病毒在演化過(guò)程中，基因組的同義替換位點(diǎn)存在大量的C>U突變熱點(diǎn)，這些C>U同義突變通常會(huì)降低病毒在人類(lèi)細(xì)胞中的密碼偏好性，推測(cè)這些C>U突變是由于人類(lèi)細(xì)胞中的APOBEC酶家族介導(dǎo)的C>U編輯機(jī)制對(duì)抗病毒的后果。另一方面，每個(gè)病毒基因組中發(fā)生的其他類(lèi)型的變異能夠抵消C>U突變對(duì)密碼子優(yōu)化使用的影響，從而維持新冠病毒基因組總體傾向大量使用非偏好性密碼子的趨勢(shì)。

該研究通過(guò)雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)評(píng)估了70對(duì)含同義突變的新冠病毒序列對(duì)蛋白翻譯效率的影響。結(jié)果顯示，新冠病毒偏好性密碼子傾向于增強(qiáng)蛋白表達(dá)效率，而非偏好性密碼子則降低蛋白表達(dá)效率（圖1b），暗示密碼子使用的改變可能在病毒的適應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。該研究首次大規(guī)模揭示了新冠病毒同義替換對(duì)病毒蛋白質(zhì)表達(dá)效率的影響，暗示人類(lèi)細(xì)胞中APOBEC家族介導(dǎo)的C>U編輯系統(tǒng)對(duì)抗病毒的一個(gè)可能機(jī)制是降低病毒蛋白的翻譯效率，為深入理解病毒與寄主細(xì)胞的相互作用機(jī)制提供了新視角。

圖1. 新冠病毒密碼子使用的變化趨勢(shì)以及密碼子使用對(duì)蛋白表達(dá)的潛在影響（Wu et al., 2023, Adv. Sci.）

mRNA的翻譯效率是mRNA疫苗設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。提高mRNA的翻譯效率可以通過(guò)使用更小劑量的疫苗、減少注射次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高效的病毒免疫，這是一種經(jīng)濟(jì)有效的策略。鑒于密碼子在蛋白質(zhì)表達(dá)中的重要性，該研究基于人類(lèi)細(xì)胞翻譯組的密碼子使用情況，提出了密碼子優(yōu)化的新策略。他們對(duì)Omicron BA.2.12.1、BA.4/5和XBB.1.5變異毒株的S基因進(jìn)行了密碼子優(yōu)化，并通過(guò)western blotting實(shí)驗(yàn)證實(shí)，優(yōu)化后的mRNA序列具有更高的蛋白質(zhì)表達(dá)產(chǎn)量（圖1c），其表達(dá)效果與Moderna商業(yè)化的mRNA-1273疫苗相當(dāng)。

總的來(lái)說(shuō)，該研究強(qiáng)調(diào)了密碼子使用在病毒進(jìn)化中的重要性，同時(shí)提出了密碼子優(yōu)化的策略，為mRNA和DNA疫苗的開(kāi)發(fā)提供了理論參考。研究結(jié)果揭示了同義突變?cè)诿艽a子使用和蛋白質(zhì)表達(dá)效率方面的影響，為深入理解病毒與宿主細(xì)胞的相互作用機(jī)制提供了新的視角。此外，該研究對(duì)于設(shè)計(jì)更高效的疫苗、優(yōu)化疫苗序列以提高蛋白質(zhì)表達(dá)效率具有一定意義。

陸劍和錢(qián)朝暉為該研究的通訊作者，北大生命科學(xué)學(xué)院博士研究生吳鑫凱、科興中維-北京大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后單科家和醫(yī)科院病原所的碩士研究生昝富文為本文的共同第一作者，北大生命科學(xué)學(xué)院博士后唐小鹿也為該工作作出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了國(guó)家科技部、北京市自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院?jiǎn)|產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金和醫(yī)科院創(chuàng)新工程基金等的支持。

來(lái)源：北京大學(xué)