细胞中的蛋白质承担着各种各样的生物学功能，如帮助我们消化食物，将氧气输送到全身，击退入侵的微生物等等，但它们只有在折叠成特定的三维结构时才能发挥作用。错误折叠的蛋白质会导致许多疾病，如囊性纤维化、青少年白内障、阿尔茨海默病以及多种癌症。

DNA序列的同义突变也称为“沉默突变”，虽然占据了所有基因变异的一半，但因其不会影响氨基酸序列引导蛋白质正确折叠的过程，一直被认为是基因组的背景噪音。

同义突变不影响蛋白质的氨基酸序列，所以一直被认为是无害的。它们“沉默”，是因为它们“没什么用”，只能说是一种奇怪的生物现象。长期以来，同义突变从未获得癌症研究的重视。

但情况正在改变，转折终将发生。


沉默基因的突变或许也在引发疾病

大多数同义突变的强烈非中立性（在其他基因和其他生物体中也是如此）将对人类疾病机制、种群和保护生物学以及进化生物学的研究产生重大影响。自20世纪60年代解开基因密码以来，同义突变一直被普遍认为是良性的。我们现在证明这种看法是错误的，”研究的通讯作者、密歇根大学生态和进化生物学系 Jianzhi "George" Zhang说。

“因为许多生物学结论依赖于同义突变是中性的假设，它的无效具有广泛的影响。例如，同义词突变在致病突变的研究中通常被忽略，但它们可能是一种未得到充分重视的常见机制。”

在过去的十年里，坊间证据表明，一些同义突变是非中性的。Zhang和他的同事想知道这样的情况是例外还是规律。

他们选择芽殖酵母(Saccharomyces cerevisiae)来解决这个问题，因为这种生物的生成时间短(约80分钟)，体积小，使他们能够相对快速、准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超过8000个突变酵母菌株，每个菌株在研究人员的21个目标基因中的一个中携带一个同义、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每个突变株的“适应度”。达尔文的适应性，简单地说，是指一个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可以显示突变是有益的、有害的还是中性的。

令他们惊讶的是，研究人员发现，75.9%的同义突变是显著有害的，而1.3%是显著有益的。

“之前关于非中性同义突变的传闻最终被证明只是冰山一角，”该研究的主要作者Xukang Shen说，他是Zhang教授实验室的研究生研究助理。

“我们还研究了同义突变影响适应度的机制，发现至少一个原因是同义突变和非同义突变都会改变基因表达水平，而这种表达效应的程度预测了适应度效应。”

研究人员事先就知道，基于非正式报道，一些同义突变可能会被证明是非中性的。“但我们对这种突变的数量之多感到震惊，我们的研究结果表明，同义突变和非同义突变在导致疾病方面几乎一样重要，因此需要加强对致病同义突变的预测和识别工作。”

密歇根大学研究小组说，虽然没有特别的原因来解释为什么他们的结果会局限于酵母，但需要在不同的生物体中进行验证，以验证他们的发现的普遍性。


更深层次的追寻

过去，大多数对癌症有影响的同义突变都是偶然被发现的，对其缺少系统分析，直到2019年的一项研究才取得了一些进展。在这项研究中，科研人员分析了一个包含近300万个突变的数据库，这些突变来自88种肿瘤的1.8万多个组织样本。以此为基础，他们新建了一个包含65万多个同义突变的数据库。数据表明，与非同义突变一样，同义突变也倾向于聚集在与癌症相关的基因中。

基于这一结论，研究小组选择了大名鼎鼎的KRAS致癌基因，找出其中的同义突变，继续做进一步详细研究。他们一个接一个地用质粒（详见《啥是质粒？从生物武器到转基因食物都跟它有关》）在人类细胞系中表达了突变基因。正如预期的那样，一些同义突变会导致KRAS蛋白水平上升，也就是增加了生物体的患癌风险。

前文提到，同义突变可能会影响mRNA的折叠方式，从而影响基因的表达。为了验证这个猜想，研究小组检测了mRNA与含核苷酸溶液的化学相互作用，通过这个方法来确定mRNA的实际结构，结果发现，同义突变确实会影响mRNA的折叠。这是第一个证明同义突变可以改变癌症基因mRNA结构的证据。

不过，这项研究还称不上完美。因为实验引入的质粒是已经拼接好的遗传物质，不足以评估突变对剪接的影响，如果能够系统地将同义突变引入细胞的核基因组，取得的数据就会更具有说服力；当然，这对技术也提出了更大的挑战。

与此同时，另一些科学家也在寻找新的方法，以预测同义突变对基因表达——主要是蛋白质翻译——的影响。以色列特拉维夫大学的计算与合成生物学家 Tamir Tuller就在建立计算模型，预测同义突变对蛋白质翻译起始的影响以及对翻译速度的影响。

瑞典隆德大学的分子遗传学家Helena Persson则将常用密码子突变成罕见密码子的频率作为新的指标，来反映同义突变对蛋白质翻译的影响，因为频率变化可以反映出翻译速度。Persson的团队在雌激素受体（一种与乳腺癌有关的转录因子）中引入某种同义突变，将常见密码子转化为罕见密码子，他们发现，蛋白质的翻译速度随之降低了，而翻译速度又是蛋白质正确折叠的关键，这就导致蛋白质可能无法正确折叠。然而，奇怪的是，这种现象只有多种同义突变共同发生时才会产生影响，这表明不同的同义突变之间可能存在某种联系。这种联系可能有助于解释，为什么一些具有特定突变的患者对针对他们设计的药物没有反应。

总的来说，研究同义突变如何相互作用，不仅是了解肿瘤产生的关键，也是了解肿瘤敏感性和耐药性的关键。目前，Persson团队正在进行同义突变组合的研究，来解释这种联系。


与“肿瘤治疗”的距离

研究同义突变，除了加深人们对癌症的理解外，或许也能给病人带来一些福音。例如可以借助它来完善像乳腺癌这样家族性癌症的筛查。目前大约5 - 10%的乳腺癌病例是遗传性的，但科学家们只发现了其中一小部分的致病突变，其它的致病突变或许能够在同义突变中得到答案。未来我们或许可以将这些突变纳入癌症筛查范围，从而完善癌症筛查指标。

此外，在开发更通用的癌症诊断和预后工具方面，同义突变研究也具有一定作用。在2021年的一项研究中，研究人员通过使用人类癌症样本中发现的同义突变数据集来训练机器学习算法，以预测癌症类型以及患者在初步诊断后10年存活的可能性。当他们在一个新的数据子集上测试算法时，发现这些算法的准确性与仅针对非同义突变进行训练的算法一样好。同义突变的这种预测能力并不一定指向疾病驱动效应，但它可以简单地反映出癌症基因组中的突变情况。这为科学家提供了充分的理由，可以将同义突变作为生物标志物纳入用于肿瘤分类和确定适当治疗方法的工具。

对于癌症的种种研究，最终都是要奔着治疗去的，而同义突变导致的癌症似乎比非同义突变导致的癌症更难治疗。大多数针对非同义突变引发的癌症的疗法都是为了抑制由突变基因产生的致病性蛋白质而设计的，而大多数同义突变却可能压根不会影响最终蛋白质的结构。但话又说回来，即使同义突变不影响蛋白质结构，而是对基因表达的其它过程有影响，也可以用对非同义突变的相同治疗方法来解决。比如那些导致mRNA结构改变的突变，可以使用一种反义寡核苷酸（反义寡核苷酸与靶标基因的RNA结合后可通过各种不同的机制影响靶标基因的表达）来阻断同义突变带来的影响。目前，反义寡核苷酸已被批准用于治疗部分疾病，如纠正导致杜氏肌营养不良的缺陷基因剪接。

近几十年来，癌症基因组学在非同义突变中的机制研究以及治疗取得了重大进展，但对同义突变的研究才刚刚起步。而最近几年，不断有新的证据表明它们对癌症有影响；虽然以前同义突变一直被忽略，但现在科学家应该重新拾起对同义突变的关注，或许能开辟一条新的研究路线，造福人类。