新冠病毒密碼子演化規律揭示，疫苗優化成為可能

2023年6月2日，北京大學生命科學學院陸劍教授課題組與中國醫學科學院病原生物學研究所錢朝暉研究員課題組合作，在Advanced Science雜志在線發表了題為“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以來，新冠病毒基因組中密碼子使用的規律及可能的作用機制。研究發現，新冠病毒的密碼子使用情況與人類差異較大，傾向使用人類基因組中非偏好性的密碼子。隨著新冠病毒變異株的涌現與演化，密碼子適應系數（CAI）存在一定波動，但總體而言，病毒密碼子使用方面并沒有呈現出更加適應人類的趨勢。此外，該研究提出了基于人類密碼子使用情況優化新冠病毒mRNA疫苗序列的新策略，設計并驗證了表達刺突蛋白（Spike，S）的mRNA疫苗候選序列，為未來高效疫苗的研發提供技術支撐。

生物體中的蛋白質主要由20種常見氨基酸組成，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。多個密碼子編碼同一氨基酸的現象被稱作密碼子的簡并性。以往研究通常認為同義突變（不改變蛋白質序列）由于不改變蛋白序列，因此不會對細胞功能及生物體的適應性產生影響。但近年來研究表明，許多同義突變是非中性的，同義密碼子能影響包括mRNA的結構和穩定性、蛋白質翻譯效率及蛋白質折疊等多個生物過程，從而影響基因的表達。新冠疫情暴發以來，研究者對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（能改變蛋白質序列），尤其是S蛋白的非同義替換對病毒傳播性、致病性及免疫逃逸能力等方面的影響，但對于同義突變的研究相對較少。

為了探究新冠病毒流行過程中密碼子使用的變化趨勢，該研究使用CAI系數對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行了評估。結果顯示，病毒的CAI隨著時間的推移而逐漸下降，但存在一定波動（圖1a）。進一步發現造成CAI波動的主要驅動因素是非同義替換和同義替換聯合作用引起的密碼子使用改變造成的，單純考慮同義替換對CAI的影響則相對較小。該研究還發現新冠病毒在演化過程中，基因組的同義替換位點存在大量的C>U突變熱點，這些C>U同義突變通常會降低病毒在人類細胞中的密碼偏好性，推測這些C>U突變是由于人類細胞中的APOBEC酶家族介導的C>U編輯機制對抗病毒的后果。另一方面，每個病毒基因組中發生的其他類型的變異能夠抵消C>U突變對密碼子優化使用的影響，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。

該研究通過雙熒光素酶實驗評估了70對含同義突變的新冠病毒序列對蛋白翻譯效率的影響。結果顯示，新冠病毒偏好性密碼子傾向于增強蛋白表達效率，而非偏好性密碼子則降低蛋白表達效率（圖1b），暗示密碼子使用的改變可能在病毒的適應過程中發揮了重要作用。該研究首次大規模揭示了新冠病毒同義替換對病毒蛋白質表達效率的影響，暗示人類細胞中APOBEC家族介導的C>U編輯系統對抗病毒的一個可能機制是降低病毒蛋白的翻譯效率，為深入理解病毒與寄主細胞的相互作用機制提供了新視角。

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

mRNA的翻譯效率是mRNA疫苗設計中的一個重要考慮因素。提高mRNA的翻譯效率可以通過使用更小劑量的疫苗、減少注射次數來實現更高效的病毒免疫，這是一種經濟有效的策略。鑒于密碼子在蛋白質表達中的重要性，該研究基于人類細胞翻譯組的密碼子使用情況，提出了密碼子優化的新策略。他們對Omicron BA.2.12.1、BA.4/5和XBB.1.5變異毒株的S基因進行了密碼子優化，并通過western blotting實驗證實，優化后的mRNA序列具有更高的蛋白質表達產量（圖1c），其表達效果與Moderna商業化的mRNA-1273疫苗相當。

總的來說，該研究強調了密碼子使用在病毒進化中的重要性，同時提出了密碼子優化的策略，為mRNA和DNA疫苗的開發提供了理論參考。研究結果揭示了同義突變在密碼子使用和蛋白質表達效率方面的影響，為深入理解病毒與宿主細胞的相互作用機制提供了新的視角。此外，該研究對于設計更高效的疫苗、優化疫苗序列以提高蛋白質表達效率具有一定意義。

陸劍和錢朝暉為該研究的通訊作者，北大生命科學學院博士研究生吳鑫凱、科興中維-北京大學聯合培養博士后單科家和醫科院病原所的碩士研究生昝富文為本文的共同第一作者，北大生命科學學院博士后唐小鹿也為該工作作出了重要貢獻。該工作得到了國家科技部、北京市自然科學基金委、北京大學生命科學學院啟東產業創新基金和醫科院創新工程基金等的支持。