Science：重写细菌基因组遗传密码的新方法可一次在蛋白中添加多种非天然的氨基酸

2021年6月18日讯/生物谷BIOON/---几乎所有的有机体都是通过20种不同的氨基酸组合在一起来构建它们的蛋白质。为了在这种组合过程中添加新的氨基酸，科学家们重新设计了基因和其他的蛋白质构建工具，从而产生了具有独特化学特性的对制造药物很有帮助的蛋白质。但是，这类研究工作很费时费力，而且通常一次只能添加一种新的氨基酸。

如今，研究人员打开了做更多事情的闸门。他们近期报告说，对一种细菌的基因组进行广泛的重写，使他们能够在一种蛋白质中添加许多新的氨基酸。这项研究工作可能为合成抗生素和抗肿瘤药物开辟新途径。相关研究结果发表在Science期刊上，论文标题为“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”。

加州大学欧文分校合成生物学家Chang Liu指出，他对这篇论文印象非常深刻，这是遗传密码重新设计的一个重要里程碑。

这项新的努力已进行了几十年。构建设计蛋白（designer protein）的一种早期方法是征用制造蛋白质的细胞成分，让它们插入非自然的氨基酸。当细胞制造蛋白质时，组成DNA密码的碱基A、C、G和T首先被复制到RNA中（在RNA中，U取代了T）。RNA被解读为一系列三个字母的单词（称为密码子），其中大部分的密码子编码插入蛋白质中的20种天然氨基酸之一。不过由于有64个密码子，所以存在重复的情况：例如，六个密码子编码称为丝氨酸的氨基酸。三个密码子并不编码氨基酸；相反，它们指示细胞停止构建蛋白质。

最初，研究人员通过让细胞分子机器在看到一个特定的停止密码子时添加一种非天然的氨基酸。英国医学研究理事会分子生物学实验室合成生物学家Jason Chin说，尽管这种方法已经变得更加复杂，但它通常仍然只能为每种蛋白质插入一种氨基酸。

为了希望添加更多的氨基酸，Chin和他的同事们试图重新利用通常编码丝氨酸的六个密码子中的两个。在2019年的一项研究中，他们使用CRISPR-Cas9基因编辑工具构建了一种称为Syn61的大肠杆菌菌株（Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1192-5）。为了制造它，他们在该细菌400万个碱基的基因组中替换了18000多个丝氨酸密码子。他们用它们的同义密码子AGC、AGU和UAA分别取代了UCG、UCA和终止密码子UAG。这意味着丝氨酸仍将被插入到大肠杆菌菌株Syn61的延伸中的蛋白质的正确位置。但UCG、UCA和UAG密码子如今实际上是“空白”，不再编码蛋白质中的任何东西，因此可以重新利用。

通过重写大肠杆菌基因组，研究人员将几种非天然氨基酸整合到细菌蛋白质中。图片来自Steve Gschmeissner/Science Source。

这种重新利用正是Chin和他的同事们如今所完成的。通过研究大肠杆菌菌株Syn61，他们剔除了编码识别UGC和UCA的转移RNA（tRNA）的基因，并将丝氨酸插入延伸中的蛋白质中。他们还移除了对UAG终止密码子产生反应而关闭蛋白质合成的化学化合物。然后，他们将编码新型tRNA的基因添加回来，它们只要遇到UGC、UCA或UAG就会插入非自然氨基酸。最后，他们将这些密码子添加到基因组中他们希望出现非自然氨基酸的地方。他们报告说，这使他们能够在一种蛋白质中一次性添加三种非自然氨基酸。他们还可以在每种蛋白中添加每种非自然氨基酸的多个拷贝。

美国波士顿学院合成生物学家Abhishek Chatterjee表示，这确实产生了巨大的影响。这些变化使得Chin和他的同事们能够将这些新的氨基酸串联成一系列与现有抗生素和抗肿瘤药物非常相似的环状结构。由于有几十种不同的非天然氨基酸可供选择，无数的组合可能以这种方式插入。Chatterjee说，这为创建巨大的潜在新药物文库打开了大门。Chin补充说，研究人员还可以扩展这一策略，重新利用其他多余的密码子，将更多的新氨基酸和更多的化学物种类添加到这个组合中。

Liu说，也许同样有趣的是，大规模的基因组变化对通常感染大肠杆菌的病毒意味着什么。2013年，研究人员报告说，重新设计大肠杆菌的终止密码子可能破坏病毒的复制能力。发生这种情况是因为病毒依靠大肠杆菌的天然密码子来制造功能性蛋白质。该策略在阻止病毒感染方面并非万无一失，因为终止密码子并不经常出现，而且一些病毒能够围绕这些变化进行进化。

但病毒通常需要在每种蛋白质中添加许多丝氨酸。鉴于经过基因修饰的菌株Syn61在其蛋白质构建机器读取UCG或UCA密码子时不再插入丝氨酸，病毒无法让Syn61合成功能性的病毒蛋白质，从而阻止它们在细菌细胞中增殖。Liu表示，这看起来比早期的方法要稳健得多。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Wesley E. Robertson et al. Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg3029.

Delilah Jewel et al. Rewriting the genetic code. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi9892.