新冠病毒密码子演化规律揭示，疫苗优化成为可能

2023年6月2日，北京大学生命科学学院陆剑教授课题组与中国医学科学院病原生物学研究所钱朝晖研究员课题组合作，在Advanced Science杂志在线发表了题为“Optimization and deoptimization of codons in SARS-CoV-2 and related implications forvaccine development”的论文。该研究揭示了自新冠病毒疫情暴发以来，新冠病毒基因组中密码子使用的规律及可能的作用机制。研究发现，新冠病毒的密码子使用情况与人类差异较大，倾向使用人类基因组中非偏好性的密码子。随着新冠病毒变异株的涌现与演化，密码子适应系数（CAI）存在一定波动，但总体而言，病毒密码子使用方面并没有呈现出更加适应人类的趋势。此外，该研究提出了基于人类密码子使用情况优化新冠病毒mRNA疫苗序列的新策略，设计并验证了表达刺突蛋白（Spike，S）的mRNA疫苗候选序列，为未来高效疫苗的研发提供技术支撑。

生物体中的蛋白质主要由20种常见氨基酸组成，由61种密码子编码。除甲硫氨酸与色氨酸外，其余氨基酸都由2到6种不同的密码子编码。多个密码子编码同一氨基酸的现象被称作密码子的简并性。以往研究通常认为同义突变（不改变蛋白质序列）由于不改变蛋白序列，因此不会对细胞功能及生物体的适应性产生影响。但近年来研究表明，许多同义突变是非中性的，同义密码子能影响包括mRNA的结构和稳定性、蛋白质翻译效率及蛋白质折叠等多个生物过程，从而影响基因的表达。新冠疫情暴发以来，研究者对新冠病毒基因组序列变异研究大多集中在基因组中非同义突变（能改变蛋白质序列），尤其是S蛋白的非同义替换对病毒传播性、致病性及免疫逃逸能力等方面的影响，但对于同义突变的研究相对较少。

为了探究新冠病毒流行过程中密码子使用的变化趋势，该研究使用CAI系数对9,164,789条新冠病毒基因组序列上累积变异造成的密码子使用情况进行了评估。结果显示，病毒的CAI随着时间的推移而逐渐下降，但存在一定波动（图1a）。进一步发现造成CAI波动的主要驱动因素是非同义替换和同义替换联合作用引起的密码子使用改变造成的，单纯考虑同义替换对CAI的影响则相对较小。该研究还发现新冠病毒在演化过程中，基因组的同义替换位点存在大量的C>U突变热点，这些C>U同义突变通常会降低病毒在人类细胞中的密码偏好性，推测这些C>U突变是由于人类细胞中的APOBEC酶家族介导的C>U编辑机制对抗病毒的后果。另一方面，每个病毒基因组中发生的其他类型的变异能够抵消C>U突变对密码子优化使用的影响，从而维持新冠病毒基因组总体倾向大量使用非偏好性密码子的趋势。

该研究通过双荧光素酶实验评估了70对含同义突变的新冠病毒序列对蛋白翻译效率的影响。结果显示，新冠病毒偏好性密码子倾向于增强蛋白表达效率，而非偏好性密码子则降低蛋白表达效率（图1b），暗示密码子使用的改变可能在病毒的适应过程中发挥了重要作用。该研究首次大规模揭示了新冠病毒同义替换对病毒蛋白质表达效率的影响，暗示人类细胞中APOBEC家族介导的C>U编辑系统对抗病毒的一个可能机制是降低病毒蛋白的翻译效率，为深入理解病毒与寄主细胞的相互作用机制提供了新视角。

图1. 新冠病毒密码子使用的变化趋势以及密码子使用对蛋白表达的潜在影响（Wu et al., 2023, Adv. Sci.）

mRNA的翻译效率是mRNA疫苗设计中的一个重要考虑因素。提高mRNA的翻译效率可以通过使用更小剂量的疫苗、减少注射次数来实现更高效的病毒免疫，这是一种经济有效的策略。鉴于密码子在蛋白质表达中的重要性，该研究基于人类细胞翻译组的密码子使用情况，提出了密码子优化的新策略。他们对Omicron BA.2.12.1、BA.4/5和XBB.1.5变异毒株的S基因进行了密码子优化，并通过western blotting实验证实，优化后的mRNA序列具有更高的蛋白质表达产量（图1c），其表达效果与Moderna商业化的mRNA-1273疫苗相当。

总的来说，该研究强调了密码子使用在病毒进化中的重要性，同时提出了密码子优化的策略，为mRNA和DNA疫苗的开发提供了理论参考。研究结果揭示了同义突变在密码子使用和蛋白质表达效率方面的影响，为深入理解病毒与宿主细胞的相互作用机制提供了新的视角。此外，该研究对于设计更高效的疫苗、优化疫苗序列以提高蛋白质表达效率具有一定意义。

陆剑和钱朝晖为该研究的通讯作者，北大生命科学学院博士研究生吴鑫凯、科兴中维-北京大学联合培养博士后单科家和医科院病原所的硕士研究生昝富文为本文的共同第一作者，北大生命科学学院博士后唐小鹿也为该工作作出了重要贡献。该工作得到了国家科技部、北京市自然科学基金委、北京大学生命科学学院启东产业创新基金和医科院创新工程基金等的支持。