精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究試圖回答的最基本科學(xué)問題是，解析基因突變和表型效應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系。但是，基因組數(shù)據(jù)中卻經(jīng)常出現(xiàn)一種令人困惑的現(xiàn)象，即擁有相同突變的個體卻展現(xiàn)出不同的表型。典型的例子如攜帶EGFR突變的非小細(xì)胞肺癌患者中，有約30%的人仍然對相應(yīng)的靶向藥不敏感。現(xiàn)有理論認(rèn)為，造成上述現(xiàn)象的原因可能是個體基因組內(nèi)其他遺傳因素的上位效應(yīng)（epistasis）。例如，基因內(nèi)突變的表型效應(yīng)會受到該基因表達(dá)水平的影響。在同一基因組內(nèi)不同基因間的比較表明，蛋白編碼基因高表達(dá)時，其突變更可能帶來有害的表型。為了解釋這一現(xiàn)象，學(xué)界目前已提出多種分子機(jī)制假說。其中幾種較為流行的機(jī)制假說可以被概括為“避免分子隨機(jī)錯誤”。這些隨機(jī)錯誤包括蛋白質(zhì)翻譯錯誤、蛋白質(zhì)折疊錯誤和蛋白質(zhì)分子間的相互作用錯誤等。因為這些錯誤若發(fā)生在高表達(dá)基因上，會產(chǎn)生更多錯誤的蛋白質(zhì)分子或復(fù)合物，因此比發(fā)生在低表達(dá)時會給細(xì)胞帶來更大的負(fù)擔(dān)。多項研究通過比較同一基因組中的不同基因，為這些假說提供了間接支持。然而，不同基因間是否可以直接比較尚存疑，因此這些假說目前仍然缺乏直接的實驗支持。

為了解決上述問題，陳小舒教授團(tuán)隊與楊建榮教授團(tuán)隊設(shè)計了一種新的實驗方法來大規(guī)模測定蛋白質(zhì)編碼基因的所有單核苷酸突變的表型效應(yīng)。團(tuán)隊使用該方法測定了綠色熒光蛋白GFP（一個外源基因）與 URA3（一個在特定條件下必需的內(nèi)源基因）兩個基因內(nèi)幾乎所有突變，在兩個活性相差10倍的啟動子控制下的表型效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)（i）基因內(nèi)至少42%的突變會因表達(dá)量改變而呈現(xiàn)不同的表型效應(yīng)；（ii）與低表達(dá)時相比，必需基因高表達(dá)時更能容忍突變對基因功能的削弱作用；（iii）由于各種隨機(jī)分子錯誤，基因表達(dá)升高會增強(qiáng)突變帶來的細(xì)胞毒性。因此，上述結(jié)果直接證實了基因突變的表型效應(yīng)具有表達(dá)依賴性，為理解上位效應(yīng)的分子機(jī)制，和對基因組數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)解讀提供了新的理論基礎(chǔ)。

同時，該研究的分析結(jié)果表明，幾種不同類型的隨機(jī)分子錯誤中，蛋白質(zhì)錯誤折疊是最有害。從生物醫(yī)學(xué)的角度來看，有害突變（導(dǎo)致適應(yīng)度顯著下降的突變）往往與早發(fā)性、嚴(yán)重的遺傳疾病有普遍的聯(lián)系。該研究為隨機(jī)分子錯誤（例如蛋白質(zhì)錯誤折疊）的有害影響提供了直接的實驗證據(jù)，強(qiáng)調(diào)了隨機(jī)分子錯誤導(dǎo)致的細(xì)胞毒性是突變表型效應(yīng)的重要組成部分，并為日后相關(guān)生物醫(yī)學(xué)研究或疾病相關(guān)突變的預(yù)測提供了新的機(jī)制基礎(chǔ)。

楊建榮教授團(tuán)隊博士研究生吳卓幸和陳小舒教授團(tuán)隊助理研究員蔡秀娟為該論文的第一作者，楊建榮教授和陳小舒教授是論文的共同通訊作者。本研究受到國家自然基金委面上項目，國家重點研發(fā)計劃，國家傳染病防治重大專項等項目的支持。

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https://www.nature.com/articles/s41559-021-01578-x

來源：中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院