肖汉团队让细胞化身药物工厂，生产含非天然氨基酸的蛋白药物

众所周知，蛋白质是生命的基石，氨基酸是蛋白质的基本组成单位。除了吡咯啉和硒半胱氨酸这两个罕见个例外，几乎所有生物体都只由20种典型的天然氨基酸组成，其中包含有限数量的官能团用于蛋白质的生物合成。因此，无法满足化学和生命科学研究中对蛋白质结构和功能的需求。

密码子扩展技术的诞生打破了生物体基因只能编码天然氨基酸的限制，它允许科学家将非天然氨基酸（ncAA）特定位点引入活细胞的蛋白质中，从而提高了研究生物过程的能力，并为开发现代药物提供了无限潜力。然而，在大多数情况下需要外源引入非天然氨基酸。因此，密码子扩展技术的应用受到了限制。

而现在，有“鸟中大熊猫”之称的稀有鸟类朱鹮（Nipponia nippon）为科学家们提供了突破上述限制的关键线索。

2022年9月16日，莱斯大学助理教授肖汉团队在 Nature 子刊 Nature Communications 上发表了题为：Unleashing the potential of noncanonical amino acid biosynthesis to create cells with precision tyrosine sulfation 的研究论文。

这项概念验证研究首次创造了完全自主的细菌和哺乳动物细胞，具有生物合成和遗传编码非天然氨基酸——磺基酪氨酸（sTyr）的能力。该团队还用这些细胞制造出增强凝血酶抑制剂效力的细胞，从而使药物更加有效。

酪氨酸除了是神经递质、激素和黑色素的前体外，还是真核细胞用来合成蛋白质的非必需氨基酸。一旦引入蛋白质中，酪氨酸可以利用其侧链羟基通过硫酸化进行翻译后修饰。酪氨酸硫酸化能够生成磺基酪氨酸（sTyr）。sTyr 参与蛋白质-蛋白质相互作用，具有较低的膜通透性，是对表达治疗性蛋白的活细胞进行编程的关键组成部分。

酪氨酸硫酸化过程在决定各种细胞过程的细胞外生物分子相互作用中发挥着关键作用。它涉及许多人类疾病的发展，包括病毒感染、抗凝血和细胞粘附等。可以说，该过程重要且普遍。然而，由于缺乏制备具有硫酸化残基蛋白质的通用方法，蛋白质硫酸化的研究一直难以推进。

为了克服这一挑战，科学家们此前已经做出了诸多努力，包括使用遗传密码扩展技术在特定位点与 sTyr 结合。然而，大多数研究需要外源添加 sTyr 。

肖汉教授表示，在自然界中，绝大多数物种的蛋白质是由20种天然氨基酸组成。如果想额外再添加一个，就需要考虑如何生成。而我们想到的解决方案是——用细胞制造它。

在这项最新研究中，研究团队在序列相似性网络（SSN）中比较基因组数据时，在朱鹮中发现了第一个催化酪氨酸硫酸化过程的酶——朱鹮磺基转移酶1C1（sulfotransferase 1C1 from Nipponia nippon，NnSULT1C1），并证明了这种酶有可能在活细胞的环境中发挥作用。

肖汉教授表示，感谢朱鹮帮助我们实现了这一飞跃。我们很幸运！朱鹮是唯一一个能产生这种酶的物种。在后续研究中，还会调查为什么这种酶能识别酪氨酸，而人类的磺基转移酶却不能。

对具有不同化学、生物和物理特性的非典型氨基酸进行遗传编码，需要对生物正交翻译机制进行工程设计，由氨酰tRNA合成酶/tRNA对和“空白”密码子组成。即一种tRNA只能与一种氨基酸结合，氨酰tRNA合成酶只能结合一种氨酰tRNA，否则就无法实现从DNA到mRNA再到蛋白质的严谨的信息传递，也就无法合成所需的蛋白质。

为了实现这一点，研究团队模拟了朱鹮合成磺基酪氨酸（sTyr）并将其整合到蛋白质的能力。

研究团队使用突变的UAG终止密码子来编码所需的磺基转移酶，从而产生了一个完全自主的哺乳动物细胞系，能够生物合成 sTyr， 并将其高精度地整合到蛋白质中。

在将朱鹮磺基转移酶1C1（NnSULT1C1）鉴定为一种功能性酪氨酸磺基转移酶后，该团队探索了 sTyr 的合成途径是否可以在大肠杆菌中实现并且遗传整合到蛋白质中，以希望能增加这些细胞中 sTyr 的产量，从而优化其引入蛋白质的可用性。结果显示，与此前最高水平的外源添加 sTyr 的细胞相比，这些工程细胞可以以更高的产量产生位点特异性硫酸化蛋白。体外测试显示，其活性与人类的磺基转移酶1C1（SULT1C1）活性相当。

肖汉教授表示，过去，科学家们普遍使用化学合成的非天然氨基酸饲喂细胞；而如今，让细胞自己完成这项工作，效率显然要高得多。通过这种修饰蛋白质的新策略，可以完全改变蛋白质的结构和功能。

随后，他们使用这些细胞制备具有位点特异性硫酸化作用的高效凝血酶抑制剂。凝血酶抑制剂模型显示，在药物中加入非天然成分可以使药物更有效。

研究团队表示，希望结合生物信息学和计算筛选来产生一个生物合成的非天然氨基酸库，以扩大治疗性蛋白质的制备，从而允许在整个生物体水平上应用密码子扩展技术。