同義突變指DNA序列發生改變卻未引起蛋白質氨基酸序列變更的突變，因而在傳統遺傳學理論中通常被視為“中性”¹。然而近年來多項研究表明，這類“沉默突變”在病毒和原核生物中可能影響其适應度，提示其存在潛在的生物學功能^2–5。特别是最近在釀酒酵母中的研究更是提出，同義突變與非同義突變同樣顯著地改變細胞适應度⁶，不過該研究結論存在較大争議⁷。尤其在人類等多細胞生物中，同義突變是否具備功能效應仍缺乏系統性實驗證據。

2025年6月24日，北京大學/昌平實驗室魏文勝團隊在Nature Biotechnology雜志發表了題為“Prime editor-based high-throughput screening reveals functional synonymous mutations in human cells”的研究論文。該研究首次系統性揭示，同義突變雖整體上趨于中性，但部分突變仍具有重要生物學功能；同時，研究團隊還提出了一套适用于精準突變研究的創新實驗方法，為人類遺傳學研究提供了新工具。

本研究基于PEmax基因編輯系統，構建了一個覆蓋3,644個人類蛋白編碼基因、共計297,900條epegRNA的突變文庫，并在人類結腸癌細胞系HCT116中開展了迄今最為系統的同義突變高通量功能篩選。結果共鑒定出409個顯著影響細胞增殖的同義突變，占全部同義突變的0.43%，顯著低于1,505個具有功能效應的非同義突變（占全部非同義突變的3.83%）。整體分析顯示，同義突變對細胞适應度的影響相對較弱，大多數呈中性狀态，且與錯義、無義和移碼突變等非同義突變相比，其功能性差異顯著（圖1）。這一結果與此前在釀酒酵母中的相關研究結果明顯不同。

圖1 基于高通量篩選策略在人類基因組中鑒定功能性同義突變

盡管大多數同義突變不具顯著功能效應，研究仍識别出一小部分可能對細胞産生不利影響的同義突變。為探究其潛在機制，研究團隊開發了機器學習模型DS Finder（圖2），發現這些功能性同義突變通常通過破壞RNA剪接位點、改變mRNA二級結構或幹擾翻譯起始，進而影響基因表達與蛋白質合成。例如，突變PLK1_S2（AGT>AGC）可增強mRNA局部穩定性卻抑制翻譯起始；BUB1B_R322（AGG>AGA）則引發異常剪接，導緻mRNA降解。

圖2 應用機器學習及單細胞測序等多種方法探究人類基因組中的功能性同義突變

研究進一步整合篩選數據與DS Finder模型，對臨床數據庫中的同義突變開展系統性預測分析，成功識别出若幹具有潛在緻病意義的突變。其中，G6PC3 c.G399A此前被注釋為“可能良性”，本研究首次證實其具有明确的功能效應，提示其在特定條件下可能參與疾病發生與發展（圖3）。

圖3 使用DS Finder在臨床數據中預測潛在的功能性同義突變

本研究拓展了對“沉默突變”生物學功能的認知，并為繪制人類基因功能變異圖譜提供了方法學上的突破。研究構建的突變篩選平台與預測模型已面向公衆開放，歡迎訪問項目網站“Hearing Silence”獲取更多信息與使用工具（https://search-synonymous-mutations.streamlit.app/）。

beat365官方网站博士研究生牛煦然、前沿交叉學科研究院博士研究生唐玮，以及出站博士後劉永爍博士（現任山東省腫瘤醫院檢驗科副研究員）為本論文的共同第一作者，昌平實驗室副研究員劉瑩博士為共同通訊作者。beat365官方网站本科生莫濱瑞與科研助理于瑩博士亦為本研究做出重要貢獻。項目得到了國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯合中心、昌平實驗室以及泰山學者基金的支持。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41587-025-02710-z

參考文獻：

1. Kimura, M. Preponderance of synonymous changes as evidence for the neutral theory of molecular evolution. Nature 267, 275–276 (1977).

2. Cuevas, J. M., Domingo-Calap, P. & Sanjuan, R. The fitness effects of synonymous mutations in DNA and RNA viruses. Mol. Biol. Evol. 29, 17–20 (2012).

3. Kristofich, J. et al. Synonymous mutations make dramatic contributions to fitness when growth is limited by a weak-link enzyme. PLoS Genet. 14, e1007615 (2018).

4. Walsh, I. M., Bowman, M. A., Soto Santarriaga, I. F., Rodriguez, A. & Clark, P. L. Synonymous codon substitutions perturb cotranslational protein folding in vivo and impair cell fitness. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 117, 3528–3534 (2020).

5. Lebeuf-Taylor, E., McCloskey, N., Bailey, S. F., Hinz, A. & Kassen, R. The distribution of fitness effects among synonymous mutations in a gene under directional selection. eLife 8, e45952 (2019).

6. Shen, X., Song, S., Li, C. & Zhang, J. Synonymous mutations in representative yeast genes are mostly strongly non-neutral. Nature 606, 725–731 (2022).

7. Kruglyak, L. et al. Insufficient evidence for non-neutrality of synonymous mutations. Nature 616, E8–E9 (2023).