上万株黄瓜中“挖”出隐形宝库

 

同义突变通过表观转录调控机制改变了黄瓜果实长短。受访者供图

■本报记者 李晨

从DNA到RNA再到蛋白质的遗传学“中心法则”，正被科学家重新解读。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员杨学勇、深圳农业基因组研究所研究员黄三文和英国约翰·英纳斯中心研究员丁一倞联合团队首次在遗传上证明了同义突变通过调控m6A修饰和mRNA结构构象决定驯化的重要农艺性状。这是首次为高等生物同义突变的功能性影响提供确凿的遗传学证据。7月1日，相关成果在线发表于《细胞》。

这项始于黄瓜果实驯化的基础研究，意外解开了基因组深处被忽视的调控密码。

“沉默突变”的研究困局

遗传学的中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，完成遗传信息的转录和翻译过程；也可以从DNA传递给DNA，完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物遵循的法则。

DNA是一本用4个字母密码（A、T、C、G）写成的生命说明书，每3个字母组成一个“密码子”，对应一个特定的氨基酸，即蛋白质的组成单元。同义突变就像某个词换成它的同义词，比如把“快跑”换成“狂奔”，虽然这个词变了，但它最终指令制造的氨基酸种类没有变。过去，人们认为这种变化就像换个说法，不影响最终的蛋白质结构和功能，所以也叫“沉默突变”。

“自上世纪中叶分子遗传学兴起，中心法则构建的认知框架将DNA序列变化严格分为两类：改变氨基酸的‘异义突变’直接影响蛋白质功能，而不改变氨基酸的‘同义突变’则被认定为进化中的中性事件，自然选择不会对它起作用。”论文共同通讯作者黄三文告诉《中国科学报》，这是早期分子进化理论的核心观点之一。

“无论是同义突变还是异义突变，在精准基因编辑工具问世之前，要在生物体内研究突变功能都是非常困难的，长期以来主要是用替代方法，比如敲除或者过表达基因。”论文共同通讯作者杨学勇在接受《中国科学报》采访时说，由于非同义突变的效应比较明显，可以在体外进行生化或结构生物学研究，吸引了主要的研究力量。

而同义突变的研究则陷入双重困境：体外实验中突变蛋白与野生型的生化性质毫无二致；体内研究则因缺乏精准基因编辑工具，难以在高等生物中验证其功能。

尽管21世纪初人类基因组计划已发现某些疾病与同义突变存在统计学上的关联，但始终未能找到直接的遗传学证据。同义突变具有功能性的想法，尚停留在假设层面。

一直到2022年，《自然》首次报道酵母中75%的同义突变影响酵母的生长速度，是非中性突变。但该报道很快引起了巨大争论：单细胞生长速率能否反映高等生物的复杂性状？生物体内是否存在如此高比例的非中性的同义突变？

从此，同义突变逐渐受到更多关注。

从黄瓜果实长短到遗传学秘密

与此同时，CRISPR基因编辑与高通量测序技术的成熟打破了僵局。

“最初目标是解析黄瓜果实变长的驯化机制。”杨学勇说，野生黄瓜仅几厘米长的果实，如何在驯化中演变成几十厘米的栽培品种？当时，他们未料到这项看似传统的农学研究，将揭开遗传学领域埋藏半个世纪的秘密。

他们注意到，在野生短果和栽培长果黄瓜间，决定果长驯化的基因ACS2上没有任何异义突变，也没有氨基酸差异。然而，高通量测序显示，仅在野生黄瓜材料中，ACS2基因就积累了3个同义突变。

通常情况下，同义突变会被“抛弃”。杨学勇团队没有丢掉这条线索，是因为当时他们“已经关注到同义突变可能具有功能性”。

2023年，黄三文团队在《细胞》发表了一项成果，对茄科100个基因组（93个物种）进行比较，追逐12亿年的进化痕迹，发现了茄科基因组的进化规律。其中提到，一些同义突变在进化中高度保守：如果它真是中性突变，不同物种间应呈现随机分布，但实际上在进化高度保守的突变中，同义突变占15%，以相当高的比例存在，而保守的同义突变应该有功能。

“我们的工作是与茄科全基因组比对工作同时开始的。他们的研究从进化基因组学角度提出证据，而我们打算从功能遗传学层面完成验证。”杨学勇说，他们觉得，黄瓜果实长短基因ACS2上的3个同义突变可能暗藏玄机。

通过单碱基编辑技术，团队在栽培黄瓜中精准复现了野生型的基因变异。当ACS2基因第1287位碱基发生C变成T的突变时，这个看似无害的变化虽仍编码天冬氨酸（密码子GAC变为GAU），却摧毁了RNA表观修饰的关键识别位点。

在这里，他们又“巧合”地发现了m6A的秘密。

m6A是真核生物中最丰富的RNA修饰之一，其修饰的动态变化影响RNA的稳定性及剪接、翻译和转运等过程。然而，m6A修饰决定生物学性状的直接遗传证据仍然匮乏。

“简单来说，m6A修饰就是在RNA腺嘌呤（A）碱基上添加甲基基团。”杨学勇介绍，它相当于RNA分子的“身份证”标签，决定RNA的命运轨迹——是否被送到“碎纸机”降解通路，是否优先进入“翻译工厂”核糖体，是否被储存到“档案室”等。此前研究已经发现这种修饰是可逆的，就像用铅笔写字，可以随时写上去，也能被“橡皮”擦除。

“m6A甲基转移酶就像严格的座位管理员。”杨学勇说，在决定黄瓜果实长短时，它包含GAC的位置给RNA贴上修饰标签。当同义突变把GAC变成GAU，“管理员”就直接跳过了这个座位，仅一个碱基的差异，直接撕掉了RNA的“座位标签”，m6A修饰再也找不到安装位点，导致ACS2蛋白水平和乙烯剂量降低，果实伸长。

更令人惊讶的是，RNA的结构构象发生了变化，并且极大影响了黄瓜果实的大小。

论文共同通讯作者丁一倞告诉《中国科学报》，m6A安装出错导致RNA二级结构从松散态转为紧密态。“这好比把平坦公路变成盘山道——核糖体翻译时能耗增加，效率降低。”丁一倞说。

论文第一作者、中国农业科学院蔬菜花卉研究所已毕业博士生辛同旭介绍，在ACS2基因旁边还有一个连锁基因YTH1，被称为阅读器蛋白。它既像装配线上的质检员，又像“信号放大器”，结合m6A标签后，招募翻译增强因子，使野生型蛋白合成效率翻倍。这种“修饰-阅读”双模块“设计”，实现了对乙烯合成酶ACS2的精密剂量控制。

论文评审人说，这是首次描述了一种位点特异性的RNA甲基化对蛋白质翻译的调控作用。

万中有一的发现：被忽视的遗传宝库

“这如同发现了基因组编码区的‘暗物质’。”黄三文说，此前，人们认为基因组的“暗物质”就是非编码区，没有考虑过在编码区也会有“暗物质”。

团队耗时3年构建遗传定位群体，在温室中培育筛选了上万株重组单株。这项工作堪称“大海捞针”——通过野生种与栽培种的杂交回交，逐步分离出仅目标基因片段存在差异的近等基因系。

“最密集的一季种了1万株幼苗。”辛同旭说，“我们像查户口般用分子标记筛查每株幼苗，只为找出4类关键重组体。”这4类材料承载着ACS2基因与其连锁基因YTH1的特定组合，其中野生型组合的果实比栽培型短约40%，完美复现了祖先表型。

“尽管在作物基因编码区，如黄瓜中，同义突变仅占不足1%，却可能是尚未开采的宝藏。”杨学勇援引团队最新分析发现，在番茄的关键农艺性状基因中，也检测到保守的可能具有功能的同义突变位点。

研究带来的不仅是理论突破，更开辟出育种新路径。该团队已建立实用技术体系：基因编辑可精准设计同义突变调控作物，不改变蛋白功能，仅通过RNA修饰或结构影响表达水平，实现更精细的性状改良。

杨学勇将其比作“基因组暗物质探测技术”——当常规育种通过基因敲除或过表达进行“粗调”时，同义突变编辑可实现“微调”。这种“密码子微手术”避免了基因过表达的能耗负担，为培育理想作物提供了新思路。

“这是首次在多细胞生物中完成同义突变-表型的因果验证。”杨学勇强调，从DNA变异到RNA修饰、结构变化、翻译效率下降、蛋白剂量改变，最终体现为肉眼可见的形态差异——全链条机制在高等生物中贯通。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.007

《中国科学报》 (2025-07-02 第1版 要闻)