自然界生物根據(jù)其高度保守的密碼子表來對20種天然氨基酸進(jìn)行基因編碼,這些種類有限的氨基酸構(gòu)成了天然蛋白質(zhì)合成的基本構(gòu)筑單元。生物在漫長進(jìn)化中通過改變蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序來豐富其結(jié)構(gòu)與功能,但上述過程是隨機(jī)的,缺乏可控性。拓展用于蛋白質(zhì)合成的氨基酸種類亦可實現(xiàn)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的改變與操縱。通過對中心法則中翻譯系統(tǒng)的設(shè)計與改造,基因密碼子拓展技術(shù)可將非天然氨基酸特異性地引入到細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)蛋白的指定位點,利用非天然氨基酸中特殊的官能團(tuán)賦予目標(biāo)蛋白新的物理化學(xué)性質(zhì),最終達(dá)到蛋白質(zhì)功能創(chuàng)新的目的。本文主要介紹基因密碼子拓展技術(shù)中翻譯工具開發(fā)和適配底盤改造研究相關(guān)的原理、技術(shù)和前沿進(jìn)展,討論其在蛋白質(zhì)功能調(diào)控、生物醫(yī)藥、生物防控等新興領(lǐng)域應(yīng)用中的成果進(jìn)展與未來展望。 

【文章來源】：合成生物學(xué). 2020,1(01)

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

密碼子拓展系統(tǒng)的適配底盤示意圖

吡咯賴氨酰-t RNA合成酶/吡咯賴氨酸t(yī) RNA配對（Pyl RS/t RNAPyl）存在于一些產(chǎn)甲烷的古菌和細(xì)菌中，是編碼吡咯賴氨酸（第22種氨基酸）的工具。因其在多種生物系統(tǒng)中（包括細(xì)菌和真核生物）都具有高正交性，適合作為在原核系統(tǒng)和真核系統(tǒng)中的通用性密碼子拓展工具進(jìn)行改造。針對t RNAPyl的正交性維持機(jī)制已積累了較為全面的研究基礎(chǔ)：通過體內(nèi)活性和氨酰動力學(xué)測試，t RNAPyl的氨基酸接納莖中G73位點和第一個堿基對以及T環(huán)堿基對G51:C63是重要的識別特征元素[20]。Pyl RS酶氮末端結(jié)構(gòu)域緊密地貼合在由t RNAPyl的T環(huán)和極小可變環(huán)組成的凹面上，這一結(jié)構(gòu)特征使得Pyl RS/t RNAPyl配對自身能夠特異性結(jié)合，且能避免其他內(nèi)源t RNA中較長可變環(huán)與Pyl RS酶的非特異性結(jié)合[21]。此外，Pyl RS酶具有氨基酸底物識別可塑性高和不識別t RNA反密碼子環(huán)等優(yōu)良特性，進(jìn)一步促使Pyl RS/t RNACUA配對成為目前應(yīng)用范圍最廣泛的編碼工具[20]。開發(fā)在t RNA水平相互正交的編碼工具是同時基因編碼多種非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，也是該領(lǐng)域備受關(guān)注的研究方向。早期研究的關(guān)注點在于將一種非天然氨基酸引入到蛋白質(zhì)合成中，隨著近年來新型工具配對的開發(fā)和的優(yōu)化方法的改進(jìn)，在目標(biāo)蛋白質(zhì)中同時基因編碼2～3種非天然氨基酸已成為可能[22-23]。在細(xì)胞中編碼多種非天然氨基酸合成的蛋白質(zhì)，需要借助相互正交的氨酰-t RNA合成酶/t RNA配對實現(xiàn)。即在不與內(nèi)源的翻譯系統(tǒng)發(fā)生交叉反應(yīng)的前提下，引入的多對外源氨酰-t RNA合成酶/t RNA配對之間亦不能發(fā)生相互作用[圖1(b)][8]。一些已開發(fā)的用于編碼非天然氨基酸的氨酰-t RNA合成酶/t RNA工具配對自身已經(jīng)具備相互正交性。例如，古菌來源的Mj Tyr RS/t RNACUA和Pyl RS/t RNAPyl配對（t RNAPyl被改造用于抑制終止密碼子UAA）可分別將2種非天然氨基酸同時引入大腸桿菌氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶中[24]。進(jìn)一步配合大腸桿菌衍生工具配對Ec Trp RS/t RNA，則可實現(xiàn)同時基因編碼3種不同的非天然氨基酸[22]。近年來，海量的基因組與宏基因組數(shù)據(jù)成為開發(fā)新型氨酰-t RNA合成酶/t RNA的重要資源，通過生物信息學(xué)的深度分析挖掘，一些新型的Pyl RS/t RNAPyl配對被挖掘和發(fā)現(xiàn)，可用于開發(fā)同類型相互正交的非天然氨基酸編碼工具[25-27]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]無細(xì)胞體系非天然蛋白質(zhì)合成研究進(jìn)展[J]. 高偉,卜寧,盧元.  生物工程學(xué)報. 2018(09)



本文編號：3517047