2023年12月12日，北京大學生命科學學院陸劍課題組、中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所譚文杰課題組和北京科興中維生物技術有限公司合作在Genomics, Proteomics & Bioinformatics雜志在線發表了題為Molecular evolution of protein ssequences and codon usage in monkeypox viruses的論文。該研究揭示了在人群傳播過程中，猴痘病毒（monkeypox virus, mpox virus, MPXV）蛋白質序列和密碼子使用的分子演化規律。該研究發現MPXV演化過程中OPG027（VACV-Cop C7L,干擾素抑制基因）可能受到正選擇。其次，該研究發現引起2022年猴痘疫情的MPXV變異株中不同基因的氨基酸變異可能具有上位效應（epistasis）。最后，該研究發現不同進化分支中MPXV變異株致死率的下降可能與密碼子使用的去優化相關。

1958年，MPXV在丹麥的一個動物機構中被首次發現。1970年，MPXV在剛果民主共和國首次從人類病例中被分離出。在2022年之前，MPXV主要在中非和西非地區流行。2022年5月7日，英國報道發現猴痘病例。隨后，世界各地陸續報道猴痘病例的出現。2022年7月23日，猴痘疫情被宣布為國際公共衛生緊急事件。據世界衛生組織報道，截至2023年9月11日，115個國家和地區發現了9萬多猴痘確診病例。猴痘疫情給全球人類健康造成了嚴重的威脅。2022年9月16日，我國重慶地區報告了大陸地區首例猴痘輸入病例。截至2023年12月14日，我國大陸地區已累計報告猴痘病例1660例（數據來源：中國疾病預防控制中心）。MPXV主要分為兩個進化枝:Clade I（曾被稱為“中非分支”）和Clade II（曾被稱為“西非分支”）。Clade II由IIa和IIb亞分支構成，IIb可進一步細分為譜系A和B（Clade IIb-A and IIb-B）,引起2022年猴痘疫情的MPXV變異株主要屬于IIb-B（圖1A）。

為了探究MPXV演化過程中的適應性演化，該研究對MPXV所有的基因在不同進化譜系間進行比較，發現Clade I MPXV OPG027（干擾素抑制基因）可能受到正選擇。通過分析1952條MPXV基因組序列發現，Clade I MPXV祖先序列的OPG027發生了3個氨基酸變異（I47V，F79L和V126I）和1個同義突變（C276T），其中F79L變異位于OPG027的關鍵疏水位點，I47V和V126I分別位于OPG027的2個β-sheet。而Clade IIa，IIb-A和IIb-B MPXV祖先序列的OPG027均沒有發生變異（圖1A）。有研究報道，痘苗病毒C7L（C7L是OPG027的直系同源基因）的79位點可能直接影響C7L和人類抗病毒蛋白SAMD9的結合，對病毒在人細胞中的生長至關重要。因此，F79L（可能與I47V和V126I一起）可能影響MPXV的傳播、致病性或免疫逃避能力。未來有必要對其功能方面進行進一步地研究，以確認這些突變的生物學意義。

SARS-CoV-2基因組內的許多突變之間存在強連鎖。為了探究這種模式是否也存在于引起2022年猴痘疫情的MPXV變異株（Clade IIb-B），該研究鑒定出了15個突變連鎖群，其中13個連鎖群包含至少1個非同義突變，6個連鎖群包含2個及以上非同義突變（圖1B）。這些連鎖突變分布在多個涉及病毒感染或抗宿主免疫基因中，可能會影響MPXV的適應性。因此，需要進一步的研究來闡明這些連鎖突變的生物學意義和它們的上位效應。

生物體內的蛋白質主要由61個密碼子編碼的20種常見氨基酸組成。除蛋氨酸和色氨酸外，剩下的18種氨基酸由至少2種密碼子編碼，這種現象稱為遺傳的簡并性。編碼同一種氨基酸的密碼子互稱為同義密碼子。盡管同義密碼子編碼相同的氨基酸，但是在基因組中的使用頻率并不一致，因此產生了密碼子使用偏好性。由于同義突變不改變氨基酸，通常被認為不會對細胞功能及生物體的適應性產生影響。然而，近年來陸續有研究指出，同義突變可能會影響mRNA的翻譯效率、穩定性及蛋白質的折疊等過程，進而影響生物體的適應性。病毒的生命活動完全依賴于宿主細胞內的資源（例如：核糖體和tRNA等翻譯機器），因此病毒密碼子使用可能會影響病毒蛋白質的表達，進而影響病毒的復制、傳播和致病性等。密碼子適應指數（Codon Adaptation Index, CAI）能夠反映病毒和宿主間密碼子使用偏好的差異，CAI越接近1暗示病毒越傾向于使用宿主偏好的密碼子。該研究通過計算1952條MPXV基因組序列的CAI發現，MPXV傾向使用人類基因組中非偏好性的密碼子。而且MPXV的CAI隨著時間的推移而下降，并在不同的分支之間存在差異，其中Clade I > IIa和IIb-A > IIb-B（圖1C）。密碼子的持續去優化可能是由APOBEC3介導的C>T或G>A突變驅動的。值得注意的是，MPXV各分支之間的致死率也存在顯著差異，Clade I > IIa和IIb-A > IIb-B（圖1D）。由于具有顯著翻譯活性的病毒可能會給宿主帶來翻譯負擔并引起嚴重的臨床癥狀，MPXV密碼子使用的去優化可能導致病毒在進化過程中復制減緩，從而降低致死率。不過，目前尚不清楚這種相關性是巧合還是存在因果關系，需要進一步的研究驗證。此外，通過大規模密碼子去優化以降低蛋白質合成速率來降低病毒毒力的方法已成為制備減毒疫苗的一種有前景的方法，并已經在脊髓灰質炎病毒和甲型流感病毒等進行了大規模探索。鑒于目前對MPXV疫苗的迫切需求，同樣的策略有可能被用于開發基于MPXV的減毒病毒疫苗。

圖1. 猴痘病毒OPG027在不同分支的演化、連鎖的氨基酸變異以及密碼子使用和致死率的變化趨勢

（Shan et al., 2023, Genomics Proteomics Bioinformatics）

獲得高翻譯效率的序列是mRNA疫苗設計過程中的關鍵步驟之一。鑒于密碼子使用在蛋白質表達中的重要性，陸劍團隊先前（2023年6月2號）與錢朝暉團隊在Advanced Science發表的文章“Optimization and deoptimization of codons in SARS-CoV-2 and related implications for vaccine development”中發現新冠病毒也傾向使用人類基因組中非偏好性的密碼子（圖2A），而且單個同義密碼子的改變能夠影響蛋白質的表達量（圖2B）?；谌祟惷艽a子使用情況對SARS-CoV-2刺突蛋白基因進行序列優化，能夠獲得高蛋白表達量的新冠病毒mRNA疫苗序列（圖2C）。相同的方法未來也可以用于猴痘病毒mRNA疫苗的序列設計。（原文鏈接： https://doi.org/10.1002/advs.202205445）

圖2. 新冠病毒密碼子使用對蛋白表達的潛在影響

（Wu et al., 2023, Adv. Sci.）

總的來說，該研究揭示了在人群傳播過程中MPXV蛋白質序列和密碼子使用的分子進化規律，并提示人們注意MPXV密碼子使用和致死率之間的潛在關系，為深入理解病毒與宿主細胞的相互作用機制提供了新的視角。

北京大學生命科學學院陸劍教授、中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所譚文杰研究員和北京科興中維生物技術有限公司胡雅靈博士為該研究的通訊作者，科興中維-北京大學聯合培養博士后單科家和中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所吳長城助理研究員為本文的共同第一作者，生科院博士后唐小鹿和中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所主任技師陸柔劍也為該工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、北京大學生命科學學院啟東產業創新基金和北京市博士后工作經費資助項目等的支持。

原文鏈接：https://academic.oup.com/gpb/advance-article/doi/10.1093/gpbjnl/qzad003/7470744