驳斥60年前的假说：研究发现大多数“沉默”突变实际上是有害的

密歇根大学的校友Marshall Nirenberg和一小组研究人员在20世纪60年代初优化了生命的遗传密码，弄清了储存在DNA分子中的信息转化为蛋白质（即活细胞的工作部分）的规则。

他们发现了三个字母的DNA单元，称为(遗传)密码子 ，描述了组成蛋白质的20种氨基酸中的每一种。这一发现为尼伦伯格和其他两人赢得了诺贝尔奖。

偶尔也会发生遗传密码中的单字母错位，即所谓的点突变。非同义突变是改变由此产生的蛋白质序列的点突变，而沉默或同义突变则不改变蛋白质的序列。

四分之一到三分之一的蛋白质编码DNA序列点突变是同义的。自遗传密码被破译以来，它们通常被认为是中性或几乎中性的突变。

但是在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，密歇根大学的生物学家们在实验室中对酵母细胞进行了遗传操作，表明大多数同义突变是非常有害的。

研究作者说，如果发现其他基因和其他生物体中的大多数同义突变具有强烈的非中立性，将对人类疾病机制、群体和保护生物学以及进化生物学的研究产生重大影响。

“自从20世纪60年代解决了遗传密码以来，人们普遍认为同义突变是良性的。我们现在表明，这种想法是错误的，”该研究的高级作者、密歇根大学生态学和进化生物学系教授Jianzhi”George”Zhang说。

“因为许多生物学结论都依赖于同义突变是中性的这一假设，其无效性具有广泛的影响。例如，在对致病突变的研究中，同义突变通常被忽视，但它们可能是一种未被重视的常见机制。”

在过去十年中，有传闻表明，一些同义突变是非中性的。George和他的同事想知道这种情况是例外还是常规。

他们选择在出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）中解决这个问题，因为这种生物体的生成时间短（约80分钟），体积小，使他们能够相对快速、精确和方便地测量大量同义突变的影响。

他们使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术构建了8000多个突变的酵母菌株，每个菌株都在研究人员锁定的21个基因中携带了同义、非同义或无义突变。

然后他们通过测量每个突变株相对于非突变株的繁殖速度来量化其“适合度”。简单地说，达尔文适合度是指个体拥有的后代数量。在这种情况下，测量酵母菌株的繁殖率表明突变是有益的、有害的还是中性的。令他们惊讶的是，研究人员发现75.9%的同义突变是明显有害的，而1.3%是明显有益的。

研究的主要作者沈旭康（音译，George实验室的一名研究生研究助理）说：“以前关于非中性同义突变的轶事被证明是冰山一角。”

“我们还研究了同义突变影响适合度的机制，发现至少有一个原因是同义和非同义突变都会改变基因的表达水平，而这种表达影响的程度可以预测适合度效果。”

George说，研究人员事先就知道，根据传闻报告，一些同义突变很可能会变成非中性的。他说：“但是我们被大量的这种突变震惊了。我们的结果暗示，同义突变在导致疾病方面几乎与非同义突变一样重要，并呼吁加强预测和识别致病性同义突变的努力。”

马萨诸塞州大学领导的团队说，虽然没有特别的理由说明他们的结果会局限于酵母，但需要在不同的生物体中进行确认，以验证其发现的普遍性。