PNAS：浙江大学马为锐团队发现密码子优化的“副作用”，摧毁了天然基因内置的移框翻译刹车
来源：iNature 2026-08-24 08:37
作者发现密码子优化系统性地从治疗序列的−1阅读框中耗竭这些终止密码子，该发现将替代阅读框中的终止密码子分布确定为蛋白编码核酸治疗药物中一个易于处理的设计参数。
由核糖体移码或非经典起始产生的移框翻译事件，是翻译的一个不可避免的特征。它们的后果取决于终止密码子在替代阅读框中的分布，这决定了那些阅读框的允许性：移框翻译是快速终止还是产生延伸产物。
2026年8月13日，浙江大学马为锐独立通讯在PNAS在线发表题为Codon optimization depletes stop codons in alternative reading frames of protein-coding nucleic acid therapeutics的研究论文。
该研究显示这些终止密码子作为分子检查点发挥作用，终止移框翻译。跨10个生物体的全基因组分析揭示，天然编码序列在替代阅读框中维持密集的终止密码子分布，中位间距约为20个氨基酸。密码子优化——增强翻译的标准方法——系统地耗尽这种保护机制。
因为所有三个终止密码子（UAA、UAG、UGA）都以尿苷开头，且最佳人类密码子排除第三位的尿苷，终止密码子在-1阅读框中在密码子优化的序列中变得结构上不可能。对120个治疗序列的分析，包括FDA批准的COVID-19信使RNA（mRNA）疫苗，确认了广泛的-1框终止密码子耗竭：移框产物平均为164个氨基酸，是天然人类基因的六倍长。
通过同义替换对终止密码子进行策略性恢复，在质谱分析中消除了可检测的移框产物，同时保留了预期蛋白质。尽管在COVID-19 mRNA疫苗接受者中已检测到此类产物和免疫反应，但没有证据表明它们造成临床伤害；尽管如此，作者的方法提供了一种通过知情的序列设计单独消除它们的简单方法，而无需改变制造或监管框架。
作者的发现将终止密码子分布确定为蛋白编码核酸治疗药物的关键设计参数。
通过翻译将遗传信息从核酸传递到蛋白质是所有细胞生命的基础。尽管该过程表现出显著的保真性，但它并非无错误。在各种类型的翻译错误中，框外翻译——即核糖体在替代阅读框中解码信使RNA（mRNA）——特别值得关注，因为它产生具有完全非预期氨基酸序列的多肽。
框外翻译通过两种主要机制产生：核糖体移码——其中核糖体在延伸期间滑动+1或−1个核苷酸——以及非经典翻译起始——由AUG或近同源NUG起始密码子（如CUG、GUG、UUG）或重复相关非AUG（RAN）翻译介导。
这些事件是翻译机器的内在属性：核糖体以高但不完美的保真度运作，并且框外翻译甚至在正常细胞条件下也发生在天然mRNA模板上。随机移码错误的发生频率约为每密码子10⁻⁵，而程序性核糖体移码的特异性信号可将滑动效率提高至80%。因此，框外翻译事件不能被完全阻止；它是蛋白质合成的固有成本。
蛋白编码核酸治疗药物的出现将翻译保真度从基础生物学问题转变为紧迫的实际关注。无论是作为从DNA模板体外转录（IVT）的mRNA递送，还是通过从基于DNA的载体产生的腺相关病毒（AAVs）递送，这些疗法都依赖于外源遗传模板的细胞内递送以驱动功能蛋白的表达，因此完全依赖于将设计序列准确翻译为功能蛋白。
当前设计策略已通过密码子优化、修饰核苷酸、优化的非翻译区以及近来的深度生成模型在增强表达方面取得了显著成功。然而，通过近同源起始密码子的非经典起始产生的框外产物并未被滑动序列耗竭所解决。
此外，移码不仅发生在定义的热点；它也随机地在翻译过程中发生。因此，仅旨在降低读框进入事件频率的方法不能完全防止框外产物的积累。
图1. 全基因组范围分析揭示了在替代阅读框中存在密集的终止密码子分布（摘自PNAS）
作者提出了一种根本不同的策略，该策略不侧重于减少框外翻译事件，而是通过控制替代阅读框的允许性来限制其后果。该问题的两个方面是不同的：读框进入事件的频率取决于mRNA序列特征、核苷酸修饰和核糖体动力学，而替代阅读框的允许性（一旦启动，框外翻译可以进行的程度）主要由终止密码子在这些框中的分布决定。
后者是序列内在属性，可直接进行工程化设计。如果终止密码子在替代阅读框中以足够密度存在，它们将快速终止框外翻译事件，在延伸产物积累之前——无论是来自移码还是非经典起始，无论是发生在定义热点还是随机发生。关键问题在于这一原理是否在天然编码序列（CDS）中运作，以及它是否已在工程化的治疗序列中得到保留。
在此，作者显示替代阅读框中的终止密码子充当终止框外翻译的分子检查点，并且这种保护机制在多种生物体中是保守的。作者发现密码子优化系统性地从治疗序列的−1阅读框中耗竭这些终止密码子，并且作者证明通过同义替换恢复它们可消除可检测的框外产物，同时保留预期蛋白质。这些发现将替代阅读框中的终止密码子分布确定为蛋白编码核酸治疗药物中一个易于处理的设计参数。
参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2606609123
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