沉默突變：攻克癌癥的方向？

同義密碼子的核苷酸序列不同，而編碼的氨基酸相同，所以才稱之為“同義”。但是，路昕等人的研究表明，事情并不是“同義互換”那么簡(jiǎn)單——同義密碼子間并不是完全可以互換的。實(shí)際上，特定序列的密碼子可以影響基因表達(dá)調(diào)節(jié)蛋白（如轉(zhuǎn)錄因子）與DNA調(diào)控位點(diǎn)的結(jié)合，還可以影響剪接蛋白與mRNA前體的相互作用。例如，有的mRNA前體本來(lái)是表達(dá)抑癌基因的，但一些同義突變破壞了它的剪接，結(jié)果促進(jìn)了腫瘤生長(zhǎng)[4]。

同義突變也可能改變非同義突變帶來(lái)的影響，即，通過(guò)影響mRNA的剪接來(lái)促進(jìn)非同義突變基因的表達(dá)[5]。例如，研究人員利用基因編輯技術(shù)將各種突變?cè)O(shè)計(jì)到人類癌細(xì)胞系中，發(fā)現(xiàn)由于堿基種類發(fā)生了改變，原來(lái)的剪接位點(diǎn)被破壞了，非同義突變產(chǎn)生一個(gè)新的剪接位點(diǎn)，有效地從mRNA中去除了部分突變蛋白的編碼序列，使得突變蛋白無(wú)法完整表達(dá)，但是同義突變卻可以破壞非同義突變產(chǎn)生的剪接位點(diǎn)，最終又導(dǎo)致突變蛋白完整表達(dá)[6]。也就是說(shuō)，有些非同義突變需要和某些同義突變一起發(fā)生，才能共同表達(dá)突變蛋白。這樣奇怪的設(shè)置，令科學(xué)家們驚訝不解。

不同的同義密碼子也影響著mRNA的二維結(jié)構(gòu)，從而影響到mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的存活時(shí)間及其與核糖體的結(jié)合。例如，編碼人類多巴胺受體D2基因中的同義突變，會(huì)使mRNA折疊成不太穩(wěn)定的構(gòu)象，導(dǎo)致翻譯成蛋白質(zhì)的mRNA不足量[7]。

密碼子還影響著mRNA的翻譯效率。不同的物種，甚至生物體內(nèi)不同的組織和基因，都會(huì)優(yōu)先使用某些同義密碼子來(lái)編碼特定的氨基酸，以優(yōu)化其特定的翻譯機(jī)制。一個(gè)很少使用的同義密碼子，往往比一個(gè)常用的密碼子需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)翻譯，因?yàn)樵诜g過(guò)程中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）數(shù)量較少。在人類細(xì)胞中，已經(jīng)觀察到同義突變通過(guò)用罕見(jiàn)的密碼子替換常用的密碼子來(lái)減慢翻譯速度，或者通過(guò)將罕見(jiàn)的密碼子轉(zhuǎn)換為常見(jiàn)的密碼子來(lái)加速翻譯，從而最終改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)或濃度[8, 9]。

至此，同義突變對(duì)基因表達(dá)的影響可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1、改變調(diào)節(jié)蛋白與DNA的結(jié)合位點(diǎn)；

2、破壞剪接位點(diǎn)；

3、影響mRNA的穩(wěn)定性；

4、影響mRNA的翻譯。

更深層次的追尋

過(guò)去，大多數(shù)對(duì)癌癥有影響的同義突變都是偶然被發(fā)現(xiàn)的，對(duì)其缺少系統(tǒng)分析，直到2019年的一項(xiàng)研究才取得了一些進(jìn)展。在這項(xiàng)研究中，科研人員分析了一個(gè)包含近300萬(wàn)個(gè)突變的數(shù)據(jù)庫(kù)，這些突變來(lái)自88種腫瘤的1.8萬(wàn)多個(gè)組織樣本。以此為基礎(chǔ)，他們新建了一個(gè)包含65萬(wàn)多個(gè)同義突變的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)表明，與非同義突變一樣，同義突變也傾向于聚集在與癌癥相關(guān)的基因中[10]。

基于這一結(jié)論，研究小組選擇了大名鼎鼎的KRAS致癌基因，找出其中的同義突變，繼續(xù)做進(jìn)一步詳細(xì)研究。他們一個(gè)接一個(gè)地用質(zhì)粒（詳見(jiàn)《啥是質(zhì)粒？從生物武器到轉(zhuǎn)基因食物都跟它有關(guān)》）在人類細(xì)胞系中表達(dá)了突變基因。正如預(yù)期的那樣，一些同義突變會(huì)導(dǎo)致KRAS蛋白水平上升，也就是增加了生物體的患癌風(fēng)險(xiǎn)。

前文提到，同義突變可能會(huì)影響mRNA的折疊方式，從而影響基因的表達(dá)。為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，研究小組檢測(cè)了mRNA與含核苷酸溶液的化學(xué)相互作用，通過(guò)這個(gè)方法來(lái)確定mRNA的實(shí)際結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同義突變確實(shí)會(huì)影響mRNA的折疊。這是第一個(gè)證明同義突變可以改變癌癥基因mRNA結(jié)構(gòu)的證據(jù)[11]。

不過(guò)，這項(xiàng)研究還稱不上完美。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)引入的質(zhì)粒是已經(jīng)拼接好的遺傳物質(zhì)，不足以評(píng)估突變對(duì)剪接的影響，如果能夠系統(tǒng)地將同義突變引入細(xì)胞的核基因組，取得的數(shù)據(jù)就會(huì)更具有說(shuō)服力；當(dāng)然，這對(duì)技術(shù)也提出了更大的挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，另一些科學(xué)家也在尋找新的方法，以預(yù)測(cè)同義突變對(duì)基因表達(dá)——主要是蛋白質(zhì)翻譯——的影響。以色列特拉維夫大學(xué)的計(jì)算與合成生物學(xué)家 Tamir Tuller就在建立計(jì)算模型，預(yù)測(cè)同義突變對(duì)蛋白質(zhì)翻譯起始的影響以及對(duì)翻譯速度的影響。

瑞典隆德大學(xué)的分子遺傳學(xué)家Helena Persson則將常用密碼子突變成罕見(jiàn)密碼子的頻率作為新的指標(biāo)，來(lái)反映同義突變對(duì)蛋白質(zhì)翻譯的影響，因?yàn)轭l率變化可以反映出翻譯速度。Persson的團(tuán)隊(duì)在雌激素受體（一種與乳腺癌有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子）中引入某種同義突變，將常見(jiàn)密碼子轉(zhuǎn)化為罕見(jiàn)密碼子，他們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的翻譯速度隨之降低了，而翻譯速度又是蛋白質(zhì)正確折疊的關(guān)鍵，這就導(dǎo)致蛋白質(zhì)可能無(wú)法正確折疊。然而，奇怪的是，這種現(xiàn)象只有多種同義突變共同發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生影響，這表明不同的同義突變之間可能存在某種聯(lián)系。這種聯(lián)系可能有助于解釋，為什么一些具有特定突變的患者對(duì)針對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的藥物沒(méi)有反應(yīng)。

總的來(lái)說(shuō)，研究同義突變?nèi)绾蜗嗷プ饔?，不僅是了解腫瘤產(chǎn)生的關(guān)鍵，也是了解腫瘤敏感性和耐藥性的關(guān)鍵。目前，Persson團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行同義突變組合的研究，來(lái)解釋這種聯(lián)系。

與“腫瘤治療”的距離

研究同義突變，除了加深人們對(duì)癌癥的理解外，或許也能給病人帶來(lái)一些福音。例如可以借助它來(lái)完善像乳腺癌這樣家族性癌癥的篩查[12]。目前大約5 - 10%的乳腺癌病例是遺傳性的，但科學(xué)家們只發(fā)現(xiàn)了其中一小部分的致病突變，其它的致病突變或許能夠在同義突變中得到答案。未來(lái)我們或許可以將這些突變納入癌癥篩查范圍，從而完善癌癥篩查指標(biāo)。

此外，在開(kāi)發(fā)更通用的癌癥診斷和預(yù)后工具方面，同義突變研究也具有一定作用。在2021年的一項(xiàng)研究中[13]，研究人員通過(guò)使用人類癌癥樣本中發(fā)現(xiàn)的同義突變數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以預(yù)測(cè)癌癥類型以及患者在初步診斷后10年存活的可能性。當(dāng)他們?cè)谝粋€(gè)新的數(shù)據(jù)子集上測(cè)試算法時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些算法的準(zhǔn)確性與僅針對(duì)非同義突變進(jìn)行訓(xùn)練的算法一樣好。同義突變的這種預(yù)測(cè)能力并不一定指向疾病驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，但它可以簡(jiǎn)單地反映出癌癥基因組中的突變情況。這為科學(xué)家提供了充分的理由，可以將同義突變作為生物標(biāo)志物納入用于腫瘤分類和確定適當(dāng)治療方法的工具。

對(duì)于癌癥的種種研究，最終都是要奔著治療去的，而同義突變導(dǎo)致的癌癥似乎比非同義突變導(dǎo)致的癌癥更難治療。大多數(shù)針對(duì)非同義突變引發(fā)的癌癥的療法都是為了抑制由突變基因產(chǎn)生的致病性蛋白質(zhì)而設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)同義突變卻可能壓根不會(huì)影響最終蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但話又說(shuō)回來(lái)，即使同義突變不影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，而是對(duì)基因表達(dá)的其它過(guò)程有影響，也可以用對(duì)非同義突變的相同治療方法來(lái)解決。比如那些導(dǎo)致mRNA結(jié)構(gòu)改變的突變，可以使用一種反義寡核苷酸（反義寡核苷酸與靶標(biāo)基因的RNA結(jié)合后可通過(guò)各種不同的機(jī)制影響靶標(biāo)基因的表達(dá)）來(lái)阻斷同義突變帶來(lái)的影響。目前，反義寡核苷酸已被批準(zhǔn)用于治療部分疾病，如糾正導(dǎo)致杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良的缺陷基因剪接[14]。

近幾十年來(lái)，癌癥基因組學(xué)在非同義突變中的機(jī)制研究以及治療取得了重大進(jìn)展，但對(duì)同義突變的研究才剛剛起步。而最近幾年，不斷有新的證據(jù)表明它們對(duì)癌癥有影響；雖然以前同義突變一直被忽略，但現(xiàn)在科學(xué)家應(yīng)該重新拾起對(duì)同義突變的關(guān)注，或許能開(kāi)辟一條新的研究路線，造福人類。

參考文獻(xiàn)

[1]Liu, F., Calhoun, B., Alam, M.S. et al. Case report: a synonymous VHL mutation (c.414A > G, p.Pro138Pro) causes pathogenic familial hemangioblastoma through dysregulated splicing. BMC Med Genet 21, 42 (2020). https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7

[2]https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/

[3]https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7

[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972

[7]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1135308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

[9]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272

[10]https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2

[11]https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249

[12]https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/

[13]https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1

[14]https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligonucleotide-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype

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