SARS-CoV-2基因组中密码子使用演化的时间和基因特异性动态

《BMC Genomics》：Temporal and gene-specific dynamics of codon usage evolution in SARS-CoV-2 genomes

SARS-CoV-2的连续进化导致时空动态的密码子适应变化，非结构基因ORF1a/1ab趋向宿主更优密码子以提升翻译效率，而结构基因则反向使用降低免疫检测概率，这种平衡与疫苗推广和疫情高峰相关。

　　

摘要

背景

自2019年出现以来，SARS-CoV-2经历了持续的进化，这引发了关于密码子使用及其对人类宿主适应性的问题。由于病毒的适应性取决于快速复制和高效蛋白质生产，因此那些能够优化翻译速度和准确性的进化过程可能更受青睐。本研究的目的是调查这种冠状病毒中同义密码子使用的时空变化和基因特异性变化，以评估其进化是否反映了其对人类翻译机制的适应。为了解决这个问题，我们分析了2020年1月至2024年10月期间收集的84,324个基因组。

结果

根据密码子在人类蛋白质编码基因中的同义使用情况，将密码子分为六组，从而能够检测到病毒密码子偏好的时间变化。分析显示，在2021-2022年、2023年初以及2023年末至2024年期间，密码子类别组成发生了显著变化，这些时期与主要病毒变异体的更替相吻合。不同功能基因组之间观察到了不同的进化趋势。结构基因的密码子使用偏向于不太理想（较少出现）的人类密码子类别。相比之下，非结构基因（ORF1a和ORF1ab）显示出越来越多地使用更理想（更常见）的密码子类别，而辅助基因则表现出多变的使用模式。

讨论

ORF1a和ORF1ab中更大的密码子适应性可能提高了翻译效率，从而支持基因组的复制和转录。相反，结构基因和辅助基因中次优的密码子使用可能有助于免疫逃逸或调节翻译过程，以防止宿主资源的过度消耗。密码子的变化与核苷酸组成密切相关，表明突变压力和选择共同起到了作用。值得注意的是，密码子使用的动态与疫苗接种活动和感染高峰相吻合，这表明强烈的选择压力和高复制率促进了新的突变，进而影响了密码子的偏好。

结论

SARS-CoV-2的密码子适应性随时间、基因类型和功能的不同而变化，在复制效率与免疫逃逸之间取得了平衡。这些见解可以为针对新兴变异体的mRNA和DNA疫苗中的密码子（优化或去优化）策略提供指导，例如通过用不太理想的密码子替换更理想的密码子。