基因密码子拓展技术的方法原理和前沿应用研究进展

发布时间：2021-11-25 00:23

　　自然界生物根据其高度保守的密码子表来对20种天然氨基酸进行基因编码,这些种类有限的氨基酸构成了天然蛋白质合成的基本构筑单元。生物在漫长进化中通过改变蛋白质中氨基酸的排列顺序来丰富其结构与功能,但上述过程是随机的,缺乏可控性。拓展用于蛋白质合成的氨基酸种类亦可实现对蛋白质结构和功能的改变与操纵。通过对中心法则中翻译系统的设计与改造,基因密码子拓展技术可将非天然氨基酸特异性地引入到细胞内目标蛋白的指定位点,利用非天然氨基酸中特殊的官能团赋予目标蛋白新的物理化学性质,最终达到蛋白质功能创新的目的。本文主要介绍基因密码子拓展技术中翻译工具开发和适配底盘改造研究相关的原理、技术和前沿进展,讨论其在蛋白质功能调控、生物医药、生物防控等新兴领域应用中的成果进展与未来展望。 

【文章来源】：合成生物学. 2020,1(01)

【文章页数】：17 页

【部分图文】：

密码子拓展系统的适配底盘示意图

吡咯赖氨酰-t RNA合成酶/吡咯赖氨酸t RNA配对（Pyl RS/t RNAPyl）存在于一些产甲烷的古菌和细菌中，是编码吡咯赖氨酸（第22种氨基酸）的工具。因其在多种生物系统中（包括细菌和真核生物）都具有高正交性，适合作为在原核系统和真核系统中的通用性密码子拓展工具进行改造。针对t RNAPyl的正交性维持机制已积累了较为全面的研究基础：通过体内活性和氨酰动力学测试，t RNAPyl的氨基酸接纳茎中G73位点和第一个碱基对以及T环碱基对G51:C63是重要的识别特征元素[20]。Pyl RS酶氮末端结构域紧密地贴合在由t RNAPyl的T环和极小可变环组成的凹面上，这一结构特征使得Pyl RS/t RNAPyl配对自身能够特异性结合，且能避免其他内源t RNA中较长可变环与Pyl RS酶的非特异性结合[21]。此外，Pyl RS酶具有氨基酸底物识别可塑性高和不识别t RNA反密码子环等优良特性，进一步促使Pyl RS/t RNACUA配对成为目前应用范围最广泛的编码工具[20]。开发在t RNA水平相互正交的编码工具是同时基因编码多种非标准氨基酸的关键性环节，也是该领域备受关注的研究方向。早期研究的关注点在于将一种非天然氨基酸引入到蛋白质合成中，随着近年来新型工具配对的开发和的优化方法的改进，在目标蛋白质中同时基因编码2～3种非天然氨基酸已成为可能[22-23]。在细胞中编码多种非天然氨基酸合成的蛋白质，需要借助相互正交的氨酰-t RNA合成酶/t RNA配对实现。即在不与内源的翻译系统发生交叉反应的前提下，引入的多对外源氨酰-t RNA合成酶/t RNA配对之间亦不能发生相互作用[图1(b)][8]。一些已开发的用于编码非天然氨基酸的氨酰-t RNA合成酶/t RNA工具配对自身已经具备相互正交性。例如，古菌来源的Mj Tyr RS/t RNACUA和Pyl RS/t RNAPyl配对（t RNAPyl被改造用于抑制终止密码子UAA）可分别将2种非天然氨基酸同时引入大肠杆菌氯霉素乙酰转移酶中[24]。进一步配合大肠杆菌衍生工具配对Ec Trp RS/t RNA，则可实现同时基因编码3种不同的非天然氨基酸[22]。近年来，海量的基因组与宏基因组数据成为开发新型氨酰-t RNA合成酶/t RNA的重要资源，通过生物信息学的深度分析挖掘，一些新型的Pyl RS/t RNAPyl配对被挖掘和发现，可用于开发同类型相互正交的非天然氨基酸编码工具[25-27]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]无细胞体系非天然蛋白质合成研究进展[J]. 高伟,卜宁,卢元.  生物工程学报. 2018(09)



本文编号：3517047