沉默突變：攻克癌症的方向？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！09-13 09:28
撰文 | XZ
我們知道，基因突變有可能引發癌症。DNA 片段中某個鹼基對的突變會改變基因所編碼的氨基酸序列——這類突變往往被判定為引發疾病的主要因素，被稱為“非同義突變”，也是癌症研究的主攻方向。
與此對應的，還有一種“沉默”的突變，又被稱為“同義突變”或“中性突變”，這種突變並不改變所編碼的氨基酸種類。
同義突變不影響蛋白質的氨基酸序列，所以一直被認為是無害的。它們“沉默”，是因為它們“沒什麼用”，只能説是一種奇怪的生物現象。長期以來，同義突變從未獲得癌症研究的重視。
但情況正在改變，轉折終將發生。
沉默基因的突變或許也在引發疾病
越來越多的研究表明，同義突變並非“無害”，它還是可能會導致疾病。幾年前，美國聖母大學的癌症生物學家路昕就意識到了這一點。
有一天，路昕接待了一位希佩爾-林道綜合徵（Von Hippel–Lindau disease，VHL綜合徵）患者，為其做病情分析。VHL綜合徵是一種罕見的常染色體顯性遺傳疾病，是由位於染色體3P25.3的VHL抑癌基因（Von Hippel–Lindau tumor suppressor gene）發生突變而引起的。功能性的VHL蛋白在細胞增殖以及血管調節中具有重要作用，當VHL抑癌基因突變時，細胞無法表達功能性的VHL蛋白，就會表現為多器官腫瘤綜合徵。通俗地説，全身各處都可能長腫瘤。
VHL基因為常染色體顯性遺傳，因此只有當染色體上的兩個VHL等位基因（指位於一對同源染色體相同位置上控制同一性狀不同形態的基因）全都發生突變時，細胞才無法表達VHL蛋白，導致腫瘤形成。
在交談中，路昕瞭解到這位患者的兩個女兒也遺傳了VHL綜合徵。這兩個七歲雙胞胎女孩的視網膜長出了無法切除的腫瘤。然而，查看了三人的基因組測序數據後，路昕驚訝地發現，這三人的VHL基因中並沒有發生改變蛋白質的突變，而是僅存在一個同義突變，即序列CCA突變成了序列CCG。這兩個序列編碼的氨基酸相同（都是脯氨酸），從理論上講，這樣的突變不會產生任何生物效應，應該不會引發疾病，可是三人的的確確都患有VHL綜合徵！
路昕非常困惑。為了弄清是怎麼回事，他為這一家人採集了皮膚樣本，從中分離出細胞系，進行一系列分析[1]。他發現，VHL抑癌基因中的同義突變影響了mRNA剪接的過程。所謂mRNA剪接，是指從DNA模板鏈轉錄出的最初轉錄產物中除去內含子，並將外顯子連接起來形成一個連續的RNA分子的過程（詳見《基因測序20年後，終於搞清了垃圾DNA是幹啥的》）。在這一過程中，同義突變破壞了剪接蛋白與特定核苷酸序列的結合，導致一段mRNA被剪切掉了，產生了“簡化版”的mRNA。所以，這三名患者在特定組織中均沒有完整的VHL蛋白，才出現了VHL綜合徵的症狀。
事實上，越來越多的證據表明，同義突變並不總是無害的，路昕的發現只是冰山一角。在生命的演化過程中，來自外界的壓力會改變演化的方向，在這樣的選擇性壓力下，通常會出現同義突變。同義突變可以以多種方式來影響基因表達，並與囊性纖維化、自閉症以及癌症等疾病有關[2]。儘管如此，由於目前還沒有對同義突變的系統分析，每當討論癌症的話題時，同義突變帶來的影響基本上都會被研究人員所忽略，非同義突變才是討論的“核心”。
目前，一些科學家正在扭轉研究者們對待同義突變的輕視態度。據估計，DNA中的某些同義突變可能佔所有致癌突變的5%-8%[3]。這些科學家正努力通過系統研究來破譯這些突變對癌症的影響，並瞭解它們對整個基因組的影響程度，這樣的研究不僅可以確定部分患者的疾病驅動機制，還可能開闢新的治療途徑。
同義突變如何製造“噪音”？
同義密碼子的核苷酸序列不同，而編碼的氨基酸相同，所以才稱之為“同義”。但是，路昕等人的研究表明，事情並不是“同義互換”那麼簡單——同義密碼子間並不是完全可以互換的。實際上，特定序列的密碼子可以影響基因表達調節蛋白（如轉錄因子）與DNA調控位點的結合，還可以影響剪接蛋白與mRNA前體的相互作用。例如，有的mRNA前體本來是表達抑癌基因的，但一些同義突變破壞了它的剪接，結果促進了腫瘤生長[4]。
同義突變也可能改變非同義突變帶來的影響，即，通過影響mRNA的剪接來促進非同義突變基因的表達[5]。例如，研究人員利用基因編輯技術將各種突變設計到人類癌細胞系中，發現由於鹼基種類發生了改變，原來的剪接位點被破壞了，非同義突變產生一個新的剪接位點，有效地從mRNA中去除了部分突變蛋白的編碼序列，使得突變蛋白無法完整表達，但是同義突變卻可以破壞非同義突變產生的剪接位點，最終又導致突變蛋白完整表達[6]。也就是説，有些非同義突變需要和某些同義突變一起發生，才能共同表達突變蛋白。這樣奇怪的設置，令科學家們驚訝不解。
不同的同義密碼子也影響着mRNA的二維結構，從而影響到mRNA在細胞質中的存活時間及其與核糖體的結合。例如，編碼人類多巴胺受體D2基因中的同義突變，會使mRNA摺疊成不太穩定的構象，導致翻譯成蛋白質的mRNA不足量[7]。
密碼子還影響着mRNA的翻譯效率。不同的物種，甚至生物體內不同的組織和基因，都會優先使用某些同義密碼子來編碼特定的氨基酸，以優化其特定的翻譯機制。一個很少使用的同義密碼子，往往比一個常用的密碼子需要更長的時間來翻譯，因為在翻譯過程中，相應的轉運RNA（tRNA）數量較少。在人類細胞中，已經觀察到同義突變通過用罕見的密碼子替換常用的密碼子來減慢翻譯速度，或者通過將罕見的密碼子轉換為常見的密碼子來加速翻譯，從而最終改變蛋白質的結構或濃度[8, 9]。
至此，同義突變對基因表達的影響可總結為以下幾點：
1、改變調節蛋白與DNA的結合位點；
2、破壞剪接位點；
3、影響mRNA的穩定性；
4、影響mRNA的翻譯。
更深層次的追尋
過去，大多數對癌症有影響的同義突變都是偶然被發現的，對其缺少系統分析，直到2019年的一項研究才取得了一些進展。在這項研究中，科研人員分析了一個包含近300萬個突變的數據庫，這些突變來自88種腫瘤的1.8萬多個組織樣本。以此為基礎，他們新建了一個包含65萬多個同義突變的數據庫。數據表明，與非同義突變一樣，同義突變也傾向於聚集在與癌症相關的基因中[10]。
基於這一結論，研究小組選擇了大名鼎鼎的KRAS致癌基因，找出其中的同義突變，繼續做進一步詳細研究。他們一個接一個地用質粒（詳見《啥是質粒？從生物武器到轉基因食物都跟它有關》）在人類細胞系中表達了突變基因。正如預期的那樣，一些同義突變會導致KRAS蛋白水平上升，也就是增加了生物體的患癌風險。
前文提到，同義突變可能會影響mRNA的摺疊方式，從而影響基因的表達。為了驗證這個猜想，研究小組檢測了mRNA與含核苷酸溶液的化學相互作用，通過這個方法來確定mRNA的實際結構，結果發現，同義突變確實會影響mRNA的摺疊。這是第一個證明同義突變可以改變癌症基因mRNA結構的證據[11]。
不過，這項研究還稱不上完美。因為實驗引入的質粒是已經拼接好的遺傳物質，不足以評估突變對剪接的影響，如果能夠系統地將同義突變引入細胞的核基因組，取得的數據就會更具有説服力；當然，這對技術也提出了更大的挑戰。
與此同時，另一些科學家也在尋找新的方法，以預測同義突變對基因表達——主要是蛋白質翻譯——的影響。以色列特拉維夫大學的計算與合成生物學家 Tamir Tuller就在建立計算模型，預測同義突變對蛋白質翻譯起始的影響以及對翻譯速度的影響。
瑞典隆德大學的分子遺傳學家Helena Persson則將常用密碼子突變成罕見密碼子的頻率作為新的指標，來反映同義突變對蛋白質翻譯的影響，因為頻率變化可以反映出翻譯速度。Persson的團隊在雌激素受體（一種與乳腺癌有關的轉錄因子）中引入某種同義突變，將常見密碼子轉化為罕見密碼子，他們發現，蛋白質的翻譯速度隨之降低了，而翻譯速度又是蛋白質正確摺疊的關鍵，這就導致蛋白質可能無法正確摺疊。然而，奇怪的是，這種現象只有多種同義突變共同發生時才會產生影響，這表明不同的同義突變之間可能存在某種聯繫。這種聯繫可能有助於解釋，為什麼一些具有特定突變的患者對針對他們設計的藥物沒有反應。
總的來説，研究同義突變如何相互作用，不僅是瞭解腫瘤產生的關鍵，也是瞭解腫瘤敏感性和耐藥性的關鍵。目前，Persson團隊正在進行同義突變組合的研究，來解釋這種聯繫。
與“腫瘤治療”的距離
研究同義突變，除了加深人們對癌症的理解外，或許也能給病人帶來一些福音。例如可以藉助它來完善像乳腺癌這樣家族性癌症的篩查[12]。目前大約5 - 10%的乳腺癌病例是遺傳性的，但科學家們只發現了其中一小部分的致病突變，其它的致病突變或許能夠在同義突變中得到答案。未來我們或許可以將這些突變納入癌症篩查範圍，從而完善癌症篩查指標。
此外，在開發更通用的癌症診斷和預後工具方面，同義突變研究也具有一定作用。在2021年的一項研究中[13]，研究人員通過使用人類癌症樣本中發現的同義突變數據集來訓練機器學習算法，以預測癌症類型以及患者在初步診斷後10年存活的可能性。當他們在一個新的數據子集上測試算法時，發現這些算法的準確性與僅針對非同義突變進行訓練的算法一樣好。同義突變的這種預測能力並不一定指向疾病驅動效應，但它可以簡單地反映出癌症基因組中的突變情況。這為科學家提供了充分的理由，可以將同義突變作為生物標誌物納入用於腫瘤分類和確定適當治療方法的工具。
對於癌症的種種研究，最終都是要奔着治療去的，而同義突變導致的癌症似乎比非同義突變導致的癌症更難治療。大多數針對非同義突變引發的癌症的療法都是為了抑制由突變基因產生的致病性蛋白質而設計的，而大多數同義突變卻可能壓根不會影響最終蛋白質的結構。但話又説回來，即使同義突變不影響蛋白質結構，而是對基因表達的其它過程有影響，也可以用對非同義突變的相同治療方法來解決。比如那些導致mRNA結構改變的突變，可以使用一種反義寡核苷酸（反義寡核苷酸與靶標基因的RNA結合後可通過各種不同的機制影響靶標基因的表達）來阻斷同義突變帶來的影響。目前，反義寡核苷酸已被批准用於治療部分疾病，如糾正導致杜氏肌營養不良的缺陷基因剪接[14]。
近幾十年來，癌症基因組學在非同義突變中的機制研究以及治療取得了重大進展，但對同義突變的研究才剛剛起步。而最近幾年，不斷有新的證據表明它們對癌症有影響；雖然以前同義突變一直被忽略，但現在科學家應該重新拾起對同義突變的關注，或許能開闢一條新的研究路線，造福人類。
參考文獻
[1] Liu, F., Calhoun, B., Alam, M.S. et al. Case report: a synonymous VHL mutation (c.414A > G, p.Pro138Pro) causes pathogenic familial hemangioblastoma through dysregulated splicing. BMC Med Genet 21, 42 (2020). https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7
[2] https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/
[3] https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7
[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/
[5] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/
[6] https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972
[7] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/
[8] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1135308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed
[9] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272
[10] https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2
[11] https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249
[12] https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/
[13] https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1
[14] https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligonucleotide-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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