CGM第520期：同义突变决定生物性状的表观转录调控机制

在传统认知中，同义突变（不改变氨基酸序列的DNA变异）由于不影响蛋白质功能而长期被视为“沉默突变”。近年来陆续有研究发现，尽管同义突变不影响蛋白质序列，却影响了诸多转录或转录后的生物学过程，然而在多细胞生物中同义突变能调控生物性状的直接遗传证据始终缺失。

黄瓜果实长度是重要的驯化性状，直接决定黄瓜产量。黄瓜在由野生种到栽培种的驯化过程中，果实长度增加了数倍，然而遗传驯化机理仍不清楚。本研究利用野生黄瓜（hardwickii）和栽培黄瓜（新泰密刺）构建了近等基因系群体，发现了两个在遗传上互作的QTL（FL1.1和FL1.2）共同决定黄瓜的短瓜性状。FL1.2编码一个乙烯合成限速酶ACS2。在野生和栽培黄瓜中ACS2存在3个同义突变，2个内含子突变和1个在5'UTR区的Indel变异。利用双荧光素酶基因报告系统将目标变异锁定在第三个外显子的1287位C>T同义突变，该单个同义突变可改变ACS2的蛋白水平4-5倍。利用单碱基编辑工具将ACS2野生等位基因的1287位的C编辑为T，导致ACS2蛋白水平降低、黄瓜果实变长，从而直接证明了该同义突变的遗传功能。

与FL1.2互作的基因FL1.1编码m6A阅读蛋白YTH1。本研究揭示了ACS2和YTH1上位互作调控果长驯化的遗传机理：野生黄瓜中，ACS2的1287C同义突变形成了m6A motif（DRACH），增加了临近1286位A碱基上的m6A修饰水平和ACS2蛋白翻译效率；YTH1与ACS21287C的m6A修饰互作进一步增强了其翻译效率和乙烯剂量，抑制细胞分裂，导致果实变短。在栽培黄瓜中，ACS2的1287T同义突变则破坏了1286位A碱基上m6A修饰，导致ACS2蛋白水平和乙烯剂量降低，细胞分裂抑制解除，因此果实伸长。

本研究利用单分子水平的RNA结构测序技术进一步解析了同义突变调控ACS2翻译效率的机制，发现m6A修饰和突变导致的mRNA结构变化决定了ACS2翻译效率的改变。通过在单分子水平分析ACS2的mRNA结构构象的多样性，发现相比ACS21287T，野生等位基因ACS21287C主要的mRNA构象在突变附近均为单链的较松散的状态；m6A修饰进一步使得其中相对最紧凑的结构构象向更松散的构象转变。因此m6A可能通过稳定并调节构象转换，维持整个mRNA的结构平衡。

本研究则首次在机体水平证明了单个同义突变通过m6A修饰和mRNA结构调控驯化性状，暗示了同义突变长久以来被忽略的重要功能。在作物驯化过程中，同义突变可能因受到选择压力而被保留，通过改变转录后基因表达（如翻译效率）来发挥作用。未来深入研究同义突变在RNA修饰与结构调控中的功能，有望为作物改良开辟新的路径。