2024年9月27日，beat365官方网站陸劍課題組與合作者在Nature Communications發表題為“Genome-wide impact of codon usage bias on translation optimization in Drosophila melanogaster”的研究論文。針對密碼子使用偏好性的翻譯調控作用，研究選取黑腹果蠅作為模式生物，結合質譜、核糖體圖譜等技術數據，系統揭示了真核生物中優化的密碼子具有更高的翻譯準确率和延伸速率這一現象，同時發現黑腹果蠅群體中從非優化的密碼子向優化的密碼子發生的同義突變受到廣泛的正向選擇，闡明了真核生物中密碼子使用偏好性對翻譯的調控和密碼子優化的演化規律。

mRNA翻譯是細胞内最重要的生理活動之一，其準确率和效率直接影響蛋白質的結構與功能。相比DNA複制與轉錄，翻譯錯誤出現得更為頻繁，在蛋白質合成過程中，每個氨基酸殘基被錯誤地翻譯成另一種氨基酸的概率約為10^-3到10^-4。翻譯錯誤可能導緻蛋白質錯誤折疊、功能喪失等問題。密碼子使用偏好性（Codon usage bias，CUB）是指編碼同一個氨基酸的同義密碼子在基因組中的使用并非随機，而是具有偏好性。當然一般認為，優化的密碼子（即高頻使用的密碼子）對應着更高的翻譯效率，這可能是因為優化密碼子對應的tRNA豐度較高，因此能夠加快翻譯延伸的速度。另一方面，優化的密碼子可能具有更高的翻譯準确率。早在1994年，Akashi提出假說，指出優化的密碼子相較于其他密碼子有更低的翻譯錯誤率，即更少的錯誤。這一假說的理論基礎是，自然選擇可能偏好那些能夠最小化翻譯錯誤的密碼子。然而，受技術手段限制，支撐該假說的實驗證據始終不足，且缺乏系統性的梳理。此外，當前對密碼子優化與蛋白質翻譯效率及準确性三者之間的具體關系尚未達成共識。因此，亟需闡明密碼子使用偏好性在基因組尺度上對真核生物翻譯的綜合影響。

圖1. 翻譯錯誤的檢測。a. 對于翻譯錯誤這一現象的圖示說明。b. 黑腹果蠅不同樣本中翻譯錯誤位點數量的統計。

圖2. 翻譯錯誤率的比較。a. 使用降采樣比較優化和非優化密碼子的翻譯錯誤率。b. 使用混合線性模型進行翻譯錯誤率對密碼子優化程度的回歸。c. 選取(b)中的某一樣本為例。d. 使用混合線性模型進行相對翻譯錯誤率對密碼子優化程度的回歸。

針對翻譯準确率，研究使用質譜分析方法，對黑腹果蠅蛋白組中的翻譯錯誤現象進行了刻畫（圖1），并基于密碼子使用偏好性進一步探索了翻譯錯誤位點的性質。研究發現，優化的和非優化的密碼子在蛋白組中的不平衡取樣（sampling imbalance）會對翻譯錯誤的檢測産生幹擾，即：由于翻譯錯誤的小概率性和非優化密碼子的稀有性，有更多的非優化密碼子實際未能被檢測到有翻譯錯誤現象。針對這一問題，研究采用了三種不同的方法，使用降采樣和混合線性模型等方法計算了翻譯錯誤率，并對其與密碼子使用之間的關系進行了探究（圖2）。三種方法得到一緻的結果，即優化的密碼子具有更低的翻譯錯誤率。

圖3.通過比較核糖體覆蓋度比較翻譯延伸速率。a. 核糖體覆蓋度的計算方法。b. 優化/非優化的密碼子的核糖體覆蓋度對比。c. 對核糖體覆蓋度最高/低的位點的選取。d-e. 優化/非優化密碼子在核糖體覆蓋度最低/高的位點中的富集。

針對翻譯效率，研究進一步基于黑腹果蠅核糖體圖譜數據，在基因組尺度上比較了不同密碼子之間的延伸速率。研究發現，優化的密碼子普遍比非優化的密碼子有更低的核糖體覆蓋度，且優化的/非優化的密碼子普遍在核糖體覆蓋度最低/最高的位點富集。（圖3）而更低的核糖體覆蓋度則對應着更快的延伸速率。總而言之，研究表明了優化的密碼子具有更高的翻譯延伸速率這一規律在不同黑腹果蠅發育階段/組織中是廣泛适用的。至此，研究闡明：高優化程度的密碼子在翻譯過程中“又快又準”--具有更低的翻譯錯誤率和更高的延伸速率。

綜上，本研究以黑腹果蠅為研究對象，通過質譜分析對翻譯錯誤位點及其性質進行了刻畫；在基因組尺度上系統揭示了真核生物物種中翻譯準确率、翻譯延伸速率與密碼子使用偏好性的關系；并對自然選擇與密碼子優化之間的關系進行了探讨。該研究加深了在翻譯調控的研究領域中對于密碼子使用偏好性的理解；為針對翻譯過程、翻譯對細胞功能的影響及密碼子适應與演化的關系等研究提供了基礎；也為基因編輯、蛋白質設計與合成、藥物開發等技術工作提供了理論指導。

beat365官方网站陸劍教授、中山大學楊建榮教授為該論文的共同通訊作者。beat365官方网站已畢業博士生吳鑫凱、2021級本科生徐夢澤為該論文的共同第一作者。該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、beat365官方网站啟東創新基金等機構和項目的支持。

論文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52660-4