陆剑/​钱朝晖团队揭示新冠病毒密码子演化规律，提出mRNA疫苗优化策略

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。

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。研究团队对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。

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

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，为我们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。

北京大学生命科学学院陆剑教授和医科院病原所钱朝晖研究员为该研究的通讯作者，北京大学生科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论文共同第一作者，北京大学生科院博士后唐小鹿也为该工作做出了重要贡献。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。