同義突變通過表觀轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制改變了黃瓜果實(shí)長(zhǎng)短。受訪者供圖
從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)的遺傳學(xué)“中心法則”，正被科學(xué)家重新解讀。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員楊學(xué)勇、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員黃三文和英國(guó)約翰·英納斯中心研究員丁一倞聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次在遺傳上證明了同義突變通過調(diào)控m6A修飾和mRNA結(jié)構(gòu)構(gòu)象決定馴化的重要農(nóng)藝性狀。這是首次為高等生物同義突變的功能性影響提供確鑿的遺傳學(xué)證據(jù)。7月1日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《細(xì)胞》。
這項(xiàng)始于黃瓜果實(shí)馴化的基礎(chǔ)研究，意外解開了基因組深處被忽視的調(diào)控密碼。
“沉默突變”的研究困局
遺傳學(xué)的中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)，完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程；也可以從DNA傳遞給DNA，完成DNA的復(fù)制過程。這是所有有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物遵循的法則。
DNA是一本用4個(gè)字母密碼（A、T、C、G）寫成的生命說明書，每3個(gè)字母組成一個(gè)“密碼子”，對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的氨基酸，即蛋白質(zhì)的組成單元。同義突變就像某個(gè)詞換成它的同義詞，比如把“快跑”換成“狂奔”，雖然這個(gè)詞變了，但它最終指令制造的氨基酸種類沒有變。過去，人們認(rèn)為這種變化就像換個(gè)說法，不影響最終的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能，所以也叫“沉默突變”。
“自上世紀(jì)中葉分子遺傳學(xué)興起，中心法則構(gòu)建的認(rèn)知框架將DNA序列變化嚴(yán)格分為兩類：改變氨基酸的‘異義突變’直接影響蛋白質(zhì)功能，而不改變氨基酸的‘同義突變’則被認(rèn)定為進(jìn)化中的中性事件，自然選擇不會(huì)對(duì)它起作用?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡唿S三文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這是早期分子進(jìn)化理論的核心觀點(diǎn)之一。
“無論是同義突變還是異義突變，在精準(zhǔn)基因編輯工具問世之前，要在生物體內(nèi)研究突變功能都是非常困難的，長(zhǎng)期以來主要是用替代方法，比如敲除或者過表達(dá)基因。”論文共同通訊作者楊學(xué)勇在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，由于非同義突變的效應(yīng)比較明顯，可以在體外進(jìn)行生化或結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，吸引了主要的研究力量。
而同義突變的研究則陷入雙重困境：體外實(shí)驗(yàn)中突變蛋白與野生型的生化性質(zhì)毫無二致；體內(nèi)研究則因缺乏精準(zhǔn)基因編輯工具，難以在高等生物中驗(yàn)證其功能。
盡管21世紀(jì)初人類基因組計(jì)劃已發(fā)現(xiàn)某些疾病與同義突變存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的關(guān)聯(lián)，但始終未能找到直接的遺傳學(xué)證據(jù)。同義突變具有功能性的想法，尚停留在假設(shè)層面。
一直到2022年，《自然》首次報(bào)道酵母中75%的同義突變影響酵母的生長(zhǎng)速度，是非中性突變。但該報(bào)道很快引起了巨大爭(zhēng)論：?jiǎn)渭?xì)胞生長(zhǎng)速率能否反映高等生物的復(fù)雜性狀？生物體內(nèi)是否存在如此高比例的非中性的同義突變？
從此，同義突變逐漸受到更多關(guān)注。
從黃瓜果實(shí)長(zhǎng)短到遺傳學(xué)秘密
與此同時(shí)，CRISPR基因編輯與高通量測(cè)序技術(shù)的成熟打破了僵局。
“最初目標(biāo)是解析黃瓜果實(shí)變長(zhǎng)的馴化機(jī)制。”楊學(xué)勇說，野生黃瓜僅幾厘米長(zhǎng)的果實(shí)，如何在馴化中演變成幾十厘米的栽培品種？當(dāng)時(shí)，他們未料到這項(xiàng)看似傳統(tǒng)的農(nóng)學(xué)研究，將揭開遺傳學(xué)領(lǐng)域埋藏半個(gè)世紀(jì)的秘密。
他們注意到，在野生短果和栽培長(zhǎng)果黃瓜間，決定果長(zhǎng)馴化的基因ACS2上沒有任何異義突變，也沒有氨基酸差異。然而，高通量測(cè)序顯示，僅在野生黃瓜材料中，ACS2基因就積累了3個(gè)同義突變。
通常情況下，同義突變會(huì)被“拋棄”。楊學(xué)勇團(tuán)隊(duì)沒有丟掉這條線索，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)他們“已經(jīng)關(guān)注到同義突變可能具有功能性”。
2023年，黃三文團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》發(fā)表了一項(xiàng)成果，對(duì)茄科100個(gè)基因組（93個(gè)物種）進(jìn)行比較，追逐12億年的進(jìn)化痕跡，發(fā)現(xiàn)了茄科基因組的進(jìn)化規(guī)律。其中提到，一些同義突變?cè)谶M(jìn)化中高度保守：如果它真是中性突變，不同物種間應(yīng)呈現(xiàn)隨機(jī)分布，但實(shí)際上在進(jìn)化高度保守的突變中，同義突變占15%，以相當(dāng)高的比例存在，而保守的同義突變應(yīng)該有功能。
“我們的工作是與茄科全基因組比對(duì)工作同時(shí)開始的。他們的研究從進(jìn)化基因組學(xué)角度提出證據(jù)，而我們打算從功能遺傳學(xué)層面完成驗(yàn)證?！睏顚W(xué)勇說，他們覺得，黃瓜果實(shí)長(zhǎng)短基因ACS2上的3個(gè)同義突變可能暗藏玄機(jī)。
通過單堿基編輯技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在栽培黃瓜中精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)了野生型的基因變異。當(dāng)ACS2基因第1287位堿基發(fā)生C變成T的突變時(shí)，這個(gè)看似無害的變化雖仍編碼天冬氨酸（密碼子GAC變?yōu)镚AU），卻摧毀了RNA表觀修飾的關(guān)鍵識(shí)別位點(diǎn)。
在這里，他們又“巧合”地發(fā)現(xiàn)了m6A的秘密。
m6A是真核生物中最豐富的RNA修飾之一，其修飾的動(dòng)態(tài)變化影響RNA的穩(wěn)定性及剪接、翻譯和轉(zhuǎn)運(yùn)等過程。然而，m6A修飾決定生物學(xué)性狀的直接遺傳證據(jù)仍然匱乏。
“簡(jiǎn)單來說，m6A修飾就是在RNA腺嘌呤（A）堿基上添加甲基基團(tuán)?！睏顚W(xué)勇介紹，它相當(dāng)于RNA分子的“身份證”標(biāo)簽，決定RNA的命運(yùn)軌跡——是否被送到“碎紙機(jī)”降解通路，是否優(yōu)先進(jìn)入“翻譯工廠”核糖體，是否被儲(chǔ)存到“檔案室”等。此前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種修飾是可逆的，就像用鉛筆寫字，可以隨時(shí)寫上去，也能被“橡皮”擦除。
“m6A甲基轉(zhuǎn)移酶就像嚴(yán)格的座位管理員。”楊學(xué)勇說，在決定黃瓜果實(shí)長(zhǎng)短時(shí)，它包含GAC的位置給RNA貼上修飾標(biāo)簽。當(dāng)同義突變把GAC變成GAU，“管理員”就直接跳過了這個(gè)座位，僅一個(gè)堿基的差異，直接撕掉了RNA的“座位標(biāo)簽”，m6A修飾再也找不到安裝位點(diǎn)，導(dǎo)致ACS2蛋白水平和乙烯劑量降低，果實(shí)伸長(zhǎng)。
更令人驚訝的是，RNA的結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生了變化，并且極大影響了黃瓜果實(shí)的大小。
論文共同通訊作者丁一倞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，m6A安裝出錯(cuò)導(dǎo)致RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)從松散態(tài)轉(zhuǎn)為緊密態(tài)?！斑@好比把平坦公路變成盤山道——核糖體翻譯時(shí)能耗增加，效率降低?！倍∫粋娬f。
論文第一作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所已畢業(yè)博士生辛同旭介紹，在ACS2基因旁邊還有一個(gè)連鎖基因YTH1，被稱為閱讀器蛋白。它既像裝配線上的質(zhì)檢員，又像“信號(hào)放大器”，結(jié)合m6A標(biāo)簽后，招募翻譯增強(qiáng)因子，使野生型蛋白合成效率翻倍。這種“修飾-閱讀”雙模塊“設(shè)計(jì)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙烯合成酶ACS2的精密劑量控制。
論文評(píng)審人說，這是首次描述了一種位點(diǎn)特異性的RNA甲基化對(duì)蛋白質(zhì)翻譯的調(diào)控作用。
萬中有一的發(fā)現(xiàn)：被忽視的遺傳寶庫(kù)
“這如同發(fā)現(xiàn)了基因組編碼區(qū)的‘暗物質(zhì)’。”黃三文說，此前，人們認(rèn)為基因組的“暗物質(zhì)”就是非編碼區(qū)，沒有考慮過在編碼區(qū)也會(huì)有“暗物質(zhì)”。
團(tuán)隊(duì)耗時(shí)3年構(gòu)建遺傳定位群體，在溫室中培育篩選了上萬株重組單株。這項(xiàng)工作堪稱“大海撈針”——通過野生種與栽培種的雜交回交，逐步分離出僅目標(biāo)基因片段存在差異的近等基因系。
“最密集的一季種了1萬株幼苗?！毙镣裾f，“我們像查戶口般用分子標(biāo)記篩查每株幼苗，只為找出4類關(guān)鍵重組體。”這4類材料承載著ACS2基因與其連鎖基因YTH1的特定組合，其中野生型組合的果實(shí)比栽培型短約40%，完美復(fù)現(xiàn)了祖先表型。
“盡管在作物基因編碼區(qū)，如黃瓜中，同義突變僅占不足1%，卻可能是尚未開采的寶藏?！睏顚W(xué)勇援引團(tuán)隊(duì)最新分析發(fā)現(xiàn)，在番茄的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因中，也檢測(cè)到保守的可能具有功能的同義突變位點(diǎn)。
研究帶來的不僅是理論突破，更開辟出育種新路徑。該團(tuán)隊(duì)已建立實(shí)用技術(shù)體系：基因編輯可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)同義突變調(diào)控作物，不改變蛋白功能，僅通過RNA修飾或結(jié)構(gòu)影響表達(dá)水平，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的性狀改良。
楊學(xué)勇將其比作“基因組暗物質(zhì)探測(cè)技術(shù)”——當(dāng)常規(guī)育種通過基因敲除或過表達(dá)進(jìn)行“粗調(diào)”時(shí)，同義突變編輯可實(shí)現(xiàn)“微調(diào)”。這種“密碼子微手術(shù)”避免了基因過表達(dá)的能耗負(fù)擔(dān)，為培育理想作物提供了新思路。
“這是首次在多細(xì)胞生物中完成同義突變-表型的因果驗(yàn)證?！睏顚W(xué)勇強(qiáng)調(diào)，從DNA變異到RNA修飾、結(jié)構(gòu)變化、翻譯效率下降、蛋白劑量改變，最終體現(xiàn)為肉眼可見的形態(tài)差異——全鏈條機(jī)制在高等生物中貫通。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.007
