Nature Communications
2024年9月27日，北京大学生命科学学院陆剑课题组与合作者在Nature Communications发表题为“Genome-wide impact of codon usage bias on translation optimization in Drosophila melanogaster”的研究论文。针对密码子使用偏好性的翻译调控作用，研究选取黑腹果蝇作为模式生物，结合质谱、核糖体图谱等技术数据，系统揭示了真核生物中优化的密码子具有更高的翻译准确率和延伸速率这一现象，同时发现黑腹果蝇群体中从非优化的密码子向优化的密码子发生的同义突变受到广泛的正向选择，阐明了真核生物中密码子使用偏好性对翻译的调控和密码子优化的演化规律。
mRNA翻译是细胞内最重要的生理活动之一，其准确率和效率直接影响蛋白质的结构与功能。相比DNA复制与转录，翻译错误出现得更为频繁，在蛋白质合成过程中，每个氨基酸残基被错误地翻译成另一种氨基酸的概率约为10-3到10-4。翻译错误可能导致蛋白质错误折叠、功能丧失等问题。密码子使用偏好性（Codon usage bias，CUB）是指编码同一个氨基酸的同义密码子在基因组中的使用并非随机，而是具有偏好性。当然一般认为，优化的密码子（即高频使用的密码子）对应着更高的翻译效率，这可能是因为优化密码子对应的tRNA丰度较高，因此能够加快翻译延伸的速度。另一方面，优化的密码子可能具有更高的翻译准确率。早在1994年，Akashi提出假说，指出优化的密码子相较于其他密码子有更低的翻译错误率，即更少的错误。这一假说的理论基础是，自然选择可能偏好那些能够最小化翻译错误的密码子。然而，受技术手段限制，支撑该假说的实验证据始终不足，且缺乏系统性的梳理。此外，当前对密码子优化与蛋白质翻译效率及准确性三者之间的具体关系尚未达成共识。因此，亟需阐明密码子使用偏好性在基因组尺度上对真核生物翻译的综合影响。
图1. 翻译错误的检测。
a. 对于翻译错误这一现象的图示说明。b. 黑腹果蝇不同样本中翻译错误位点数量的统计。
图2. 翻译错误率的比较。
a. 使用降采样比较优化和非优化密码子的翻译错误率。b. 使用混合线性模型进行翻译错误率对密码子优化程度的回归。c. 选取(b)中的某一样本为例。d. 使用混合线性模型进行相对翻译错误率对密码子优化程度的回归。
针对翻译准确率，研究使用质谱分析方法，对黑腹果蝇蛋白组中的翻译错误现象进行了刻画（图1），并基于密码子使用偏好性进一步探索了翻译错误位点的性质。研究发现，优化的和非优化的密码子在蛋白组中的不平衡取样（sampling imbalance）会对翻译错误的检测产生干扰，即：由于翻译错误的小概率性和非优化密码子的稀有性，有更多的非优化密码子实际未能被检测到有翻译错误现象。针对这一问题，研究采用了三种不同的方法，使用降采样和混合线性模型等方法计算了翻译错误率，并对其与密码子使用之间的关系进行了探究（图2）。三种方法得到一致的结果，即优化的密码子具有更低的翻译错误率。
图3.通过比较核糖体覆盖度比较翻译延伸速率。
a. 核糖体覆盖度的计算方法。b. 优化/非优化的密码子的核糖体覆盖度对比。c. 对核糖体覆盖度最高/低的位点的选取。d-e. 优化/非优化密码子在核糖体覆盖度最低/高的位点中的富集。
针对翻译效率，研究进一步基于黑腹果蝇核糖体图谱数据，在基因组尺度上比较了不同密码子之间的延伸速率。研究发现，优化的密码子普遍比非优化的密码子有更低的核糖体覆盖度，且优化的/非优化的密码子普遍在核糖体覆盖度最低/最高的位点富集。（图3）而更低的核糖体覆盖度则对应着更快的延伸速率。总而言之，研究表明了优化的密码子具有更高的翻译延伸速率这一规律在不同黑腹果蝇发育阶段/组织中是广泛适用的。至此，研究阐明：高优化程度的密码子在翻译过程中“又快又准”--具有更低的翻译错误率和更高的延伸速率。
综上，本研究以黑腹果蝇为研究对象，通过质谱分析对翻译错误位点及其性质进行了刻画；在基因组尺度上系统揭示了真核生物物种中翻译准确率、翻译延伸速率与密码子使用偏好性的关系；并对自然选择与密码子优化之间的关系进行了探讨。该研究加深了在翻译调控的研究领域中对于密码子使用偏好性的理解；为针对翻译过程、翻译对细胞功能的影响及密码子适应与演化的关系等研究提供了基础；也为基因编辑、蛋白质设计与合成、药物开发等技术工作提供了理论指导。
北京大学生命科学学院陆剑教授、中山大学杨建荣教授为该论文的共同通讯作者。北京大学生命科学学院已毕业博士生吴鑫凯、2021级本科生徐梦泽为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、北京大学生命科学学院启东创新基金等机构和项目的支持。
陆剑：
北京大学生命科学学院教授、博士生导师，中共党员。
实验室研究领域：
生物的表型进化不仅可以通过改变基因功能，还可以通过基因表达模式变化而实现。由于自然选择的不完美性以及生存环境不断变化，生物进化过程常伴随着从基因型到表型多个层次的不断修补。然而当前对进化修补过程的分子基础及自然选择在此过程中的作用机理却缺乏深入了解。本实验室长期致力于群体遗传学、进化基因组学和基因表达调控等领域的研究，近五年以（共同）通讯作者身份在Molecular Biology and Evolution、National Science Review和Nature Communications等期刊发表论文25篇，多维度解析基因表达调控的进化机制和基因组进化规律，建立了功能与进化规律的关联。当前本实验室紧密结合进化与功能基因组学方法，从三个层面探索生物基因组和表型适应性演化的机制和规律：
1. 蛋白质合成调控的演化机制和规律。结合分子演化和基因学方法多维度探索上游开放读码框（uORF）、非编码小RNA和RNA编辑这三类元件/因子在蛋白质翻译调控中的功能和序列进化规律，探索翻译调控与疾病的关联。
2. 以果蝇为模式解析环境适应的遗传和进化机制。本实验从中国不同地区采集了10000多个果蝇品系，通过基因组测序和表型相关分析，探索果蝇适应复杂自然环境的遗传架构以及蝇环境适应中自然选择作用的靶点及机制。
3. 新冠病毒的分子演化和全球动态研究。本实验室通过新冠病毒基因组的分子演化研究，与合作者率先发现新冠病毒存在“L”和“S”两个主要谱系，建立了完善的亚谱系命名规则并揭示了变异的演进规律，探索新冠病毒分子演化动态及驱动因素。相关研究获得科技部等有关部门表彰。
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