在生命历史的大部分时间里，遗传信息都蕴藏在只包含20种氨基酸的遗传密码中。氨基酸是蛋白质的组成部分，它们的侧链控制蛋白质折叠、相互作用和化学性质。而大自然限制可用的侧链种类，从而限制了蛋白质结构与功能的多样性。
在上世纪80年代，彼得·舒尔茨就在思考为什么大自然以这种方式限制自己，并开始试图摆脱这种限制。几年后，他成为了加州大学伯克利分校的教授并带领他的团队通过调整蛋白质合成的机制实现了这一点，这项工作标志着破解基因密码的关键成功。从那以后，许多研究人员追随舒尔茨的脚步，调整细胞内合成蛋白质的机制，改变现有的大分子，并利用全新的氨基酸来创造前所未有的蛋白质。
由表及里
基因通过控制蛋白质的生物合成而使遗传信息得以表达。在转录过程中，遗传信息被复制到mRNA中，mRNA中的每三组碱基代表遗传密码中的一个密码子。总共有64个密码子，61个有义密码子编码氨基酸和3个密码子编码翻译终止信号。氨酰-tRNA合成酶将tRNA与其同源氨基酸结合，通过tRNA反密码子的特异性识别同源氨基酸被带到核糖体正确位点参与翻译。要让翻译系统接受全新的非天然的氨基酸，就需要进行几个关键的调整。
首先，舒尔茨团队设计了一种化学方法，将非天然氨基酸连接到可以识别终止密码子的tRNA上。然后，他们将青霉素耐药蛋白β-内酰胺酶基因中引入一个终止密码子。利用这些修饰，研究人员探索了不同的非天然氨基酸突变对酶活性的影响[1]，但研究进展仅限于体外实验。为了将非天然氨基酸掺入活细胞中，必须在不影响内源翻译机制的情况下扩充新的翻译机制。最终，舒尔茨团队确定了来自古细菌甲烷球菌的正交氨酰tRNA合成酶/tRNA对，该古菌不容易识别大肠杆菌内源的tRNA或氨酰tRNA合成酶。2001年，研究人员将该系统设计到大肠杆菌中，使细胞能够利用扩展的翻译机制将非天然氨基酸整合到蛋白质中[2]。这可能是体内遗传密码扩展的开始。
百花齐放
目前已经将200多种非天然氨基酸基因编码成蛋白质，这为研究蛋白质的结构和功能提供了一个强有力的工具。例如，科学家可以将荧光标记物引入蛋白质或者进行光笼实验，蛋白质活性在光笼基团存在时被抑制，而在合适波长光照下蛋白质可以脱去光笼基团而复性。科学家们还在大肠杆菌、线虫、果蝇、植物和小鼠等生物中实现了遗传密码扩展。
剑桥大学的Jason Chin团队将AlkK氨基酸掺入到蛋白质中，用它控制小鼠脑细胞基因的开关。研究人员删除了参与调节昼夜节律的关键基因，并将一种只有在AlkK存在才能被翻译新版本的基因引入体内。因为老鼠不能自己合成这种氨基酸，所以研究人员可以通过控制饮用水中的AlkK来控制老鼠的昼夜节律[3]。
加州大学旧金山分校的化学生物学家王磊正在开发基于蛋白质的药物，它可以与其他生物分子形成共价键。蛋白质通常通过相对较弱的非共价相互作用与其他分子相互作用，但共价键可以使它们的效力增强。2020年，他的团队将非天然氨基酸FSY纳入免疫检查点蛋白PD-1中以创造一种抗肿瘤药物。通常，T细胞上的PD-1和肿瘤细胞上的PD-L1之间的相互作用会抑制免疫反应，使肿瘤能够逃脱免疫监视。当Wang的团队将含有FSY的PD-1注射到植入人类癌细胞的小鼠体内时，该蛋白与PD-L1形成了一个不可逆的共价键，导致肿瘤收缩[4]。
与此同时，北京大学刘涛团队一直在将遗传密码扩展应用于细胞和基因治疗。在2021年报道了一种工程细胞能在合成氨基酸OMeY存在时表达胰岛素。当被植入糖尿病小鼠体内时，研究人员可以通过控制它们在动物食物中分配的OMeY含量来控制动物的血糖水平[5]。
革故鼎新
除了编码新的氨基酸外，扩展遗传密码的一个应用是遗传隔离。遗传密码有61个有义密码子只编码20种天然氨基酸，这意味着多个密码子编码相同的氨基酸。通过将编码相同氨基酸的冗余密码子替换为一个同义密码子，并去除冗余密码子的翻译机制可以使工程细胞有效地免疫外来基因的侵入。
2022年，Chin团队证明了这一概念：他们创造了一个大肠杆菌突变体，其中6个丝氨酸密码子中的两个被重新分配来编码其他氨基酸——然后删除识别原始丝氨酸密码子的tRNAs，以确保病毒不能使用内源tRNA。由此产生的细胞对来自其他细菌的水平基因转移以及病毒感染具有一定抗性[6]。合成生物学家乔治·丘奇领导的小组在今年应用了类似的“基因防火墙”方法创造了抗噬菌体细菌[7]。。研究人员还可以使用一种改良的遗传密码来制造聚合物。2021年，Chin的团队破解了在大肠杆菌中合成短聚合物的基因密码[8]，制造出全新的人工聚合物比如塑料。塑料也是由长串的单体组成的，尽管遗传密码决定了蛋白质中的氨基酸序列，但人工聚合物没有等效的系统。Chin表示：“如果能像编码蛋白质一样编码扩展的构建块，那么就可以把细胞变成活的工厂，进行从新药到材料的各种聚合物的编码合成。”
突破桎梏
除传统的重新分配密码子方法外，遗传密码扩展还可以通过将碱基种类从4个碱基扩大到6个实现。2014年，由当时在斯克里普斯研究中心的生物化学家弗洛伊德·罗姆斯伯格领导的一个团队报告说创造了一种具有6种碱基基因的菌株，并可以成功复制，这些细胞可以利用它们扩展的DNA产生含有非天然氨基酸的蛋白质[9]。打破密码子长度的限制同样能实现遗传密码拓展，将一个密码子的长度从3个碱基扩大到4个碱基从而将可能的密码子数量增加到256个。但这需要修改包括核糖体在内的翻译机制的多个组成元素。Chin团队利用这种策略创造了一种利用68个密码子编码24种氨基酸的合成大肠杆菌[10]。
一些研究人员正在尝试更极端的改变，在蛋白质中掺入β或γ氨基酸（与自然界中发现的α氨基酸相反），或者是天然氨基酸的镜像氨基酸。由这些特殊氨基酸组成的聚合物可能是高度稳定的，因为传统的蛋白质降解机制将无法识别它们。加州大学伯克利分校的Alanna Schepartz团队报道了一种来自甲烷古菌的接受非α氨基酸的合成酶，该团队还报告了一种计算技术，用于筛选大肠杆菌核糖体的独特的骨架单体，这将有助于识别最有可能与现有核糖体兼容的非α-氨基酸[11]。
2022年西湖大学的朱听团队化学合成了一种镜像RNA聚合酶，它可以合成产生镜像核糖体所需的所有RNA分子[12]。虽然还需要更多的步骤才能实现镜像核糖体，但创建这样的分子将是利用翻译机制制造镜像蛋白质的重要一步。
目前研究人员正在努力重新编程核糖体以创造具有碳-碳键的聚合物，而不是通常的连接氨基酸的酰胺键。如果这些策略得以实现，将赋予科学家对新聚合物的巨大合成能力。Alanna Schepartz认为“没有人知道具有相同长度和序列定义水平的碳-碳键聚合物能产生什么性质，因为从来还没有产生过那样的分子，希望能够尽快实现这一目标，那将会是一个非常激动人心的时刻。”
本文内容转载自“Bio Commun”微信公众号。
原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/RCtbVKb_bhbozGpXswEMUQ
