PNAS | 浙江大学马为锐团队发现密码子优化导致框外终止密码子缺失及恢复方案

信使RNA（mRNA）疫苗和其他蛋白质编码核酸疗法是增长最快的药物类别之一。这些药物的设计依赖于密码子优化来最大化蛋白质产量，从而增强疗效。

然而，蛋白质翻译过程并非完美无瑕，核糖体可能会滑入错误的阅读框，发生框外翻译。框外翻译通过核糖体移码或非经典翻译起始等机制产生，其产物是与预期蛋白完全不同的氨基酸序列。

这些非预期的副产物可能仅仅是无活性的，但也可能被免疫系统识别为非自身抗原，从而引发意想不到的免疫反应。因此，在被设计用于高表达的治疗性核酸中，如何控制框外翻译已成为一个亟待解决的实际问题。

2026年8月13日，浙江大学马为锐团队在PNAS上发表了题为“Codon optimization depletes stop codons in alternative reading frames of protein-coding nucleic acid therapeutics”的研究论文。该研究发现非标准阅读框中的终止密码子是防止异常蛋白产生的关键分子检查点，并提出通过同义突变策略恢复这些终止密码子，可在不影响目标蛋白表达的前提下有效消除异常翻译产物。

文章索引

【标题】Codon optimization depletes stop codons in alternative reading frames of protein-coding nucleic acid therapeutics

【发表期刊】PNAS

【发表日期】2026年8月13日

【作者及团队】浙江大学马为锐团队

【IF】9.1

研究结果

一、双荧光报告系统揭示移码翻译的发生及其与终止密码子的关系

研究构建了双荧光报告系统，通过在不同阅读框引入终止密码子，证实了非标准阅读框内终止密码子作为“分子检查点”的作用。

实验发现，移码产物的积累与整体表达水平呈正相关，且移码产物源于核糖体移码和非典型起始两种机制。

二、全基因组分析证实了自然编码序列中终止密码子分布的保守性

对10种生物的基因组分析显示，自然编码序列在非标准阅读框中维持着密集的终止密码子分布，平均每20个氨基酸出现一次。

这种结构特征限制了移码翻译的延伸，是生物体进化出的翻译保真度保障机制。

三、密码子优化导致治疗性核酸序列中终止密码子的系统性缺失

分析发现，人类密码子优化偏好使用不含尿嘧啶的第三位碱基，这在结构上导致-1阅读框内终止密码子无法形成。

对120种治疗性核酸序列的分析证实，其-1阅读框内的移码产物平均长度是自然基因的6倍，存在严重的终止密码子耗尽。

四、通过同义突变恢复终止密码子可有效消除移码产物

研究通过战略性设计，在不改变目标蛋白序列的前提下，通过同义突变在mRNA疫苗序列的非标准阅读框中恢复了终止密码子。

质谱分析证实，该方法几乎完全消除了移码翻译产生的异常多肽，同时保持了目标蛋白的表达水平和mRNA的稳定性。

总结

该研究揭示了密码子优化在增强蛋白表达的同时，会系统性地移除异源阅读框中的终止密码子，导致治疗性核酸（如mRNA疫苗）产生非预期的蛋白质副产物。文章通过实验和计算分析证实了这一普遍存在的风险，并提出了一种通过同义替换来恢复终止密码子的简单设计策略，从而在不影响疗效的前提下，消除潜在的免疫安全隐患，为未来核酸药物的开发提供了重要的优化方向。

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