里程碑!Nature:首次证实使用“非天然碱基”可在活细胞合成蛋白质
2017/12/01
最新发表在Nature杂志上的一项突破成果打破了生物学规则。科学家首次证实:非天然存在的碱基——X、Y——能够在活细胞中被用于合成蛋白质。哈佛医学院的“遗传学大牛”George Church评价这项工作为“探索生命基础材料的里程碑”。

地球上所有的生命形式都使用了相同的遗传字母(碱基):A、T、C、G。这类含氮化合物构成了DNA的基本材料(下图),并组成了合成蛋白质的“指令”——密码子(由3个碱基组成,对应了组成蛋白质的不同氨基酸)。


A——腺嘌呤;T——胸腺嘧啶;C——胞嘧啶;G——鸟瞟呤;根据碱基互补配对原则,A与T配对、C与G配对。(图片来源:网络)

11月29日,发表在Nature杂志上的这项研究中,来自美国Scripps研究所的科学家们开发出了首个使用“额外字母”(也就是“非天然存在的碱基”)来合成蛋白质的细菌。论文的通讯作者是化学家Floyd Romesberg教授。


图片来源:Scripps研究所

研究中,科学家们将“非天然”的碱基对插入到了包含传统碱基对的细菌基因中。最终,这些细菌成功“阅读”了包含“非天然”碱基的DNA,并将其转录成了RNA分子。更重要的是,细菌还能够利用这些RNA分子产生绿色荧光蛋白的一种变体。这种变体蛋白包含了“非天然”的氨基酸。

几十年发展历史

事实上,科学家们最初设想“扩大遗传字母表”要追溯到上世纪60年代初。1989年,该研究方向取得了首个成功。由化学家Steven Benner带领的研究小组创造了含有修改版C和G的DNA分子。研究还证实,含这些修改版碱基的DNA能够在试管反应中复制、转录翻译成RNA和蛋白质(论文见下图)。


图片来源:JACS

在过去的二十年里,Romesberg教授的研究小组也一直在致力于这方面的研究。不同于传统的碱基对以及Benner的研究小组创造出的碱基对这些碱基对通过氢键相连),Romesberg等开发的这些“外来碱基”(foreign bases)是通过它们在水中的不溶性连接在一起(these foreign bases stick togetherbecause of their insolubility in water),这很大程度上模仿了油滴在水中的凝结。

不过,想要在活细胞中发挥作用,这些“外来碱基”需要与天然存在的碱基排列在一起,且不破坏DNA形状或扰乱DNA的基本功能,如复制、转录。

相关研究不断取得进展

2014年5月,Romesberg实验室取得了一项突破成果。他们在Nature杂志发文,将大肠杆菌进行改造,插入了额外的碱基对——X和Y——到它们的DNA中。然而,尽管科学家们在当时创造了DNA携带非天然碱基对X-Y的大肠杆菌,但这使得大肠杆菌细胞分裂缓慢,并且,随着时间的推移,细胞往往会失去携带“外来碱基”的DNA。


图片来源:Nature

今年1月,Romesberg团队又有了新的进展。他们在PNAS杂志上发表的论文中,描述了一种更健康的半合成大肠杆菌。不过,尽管这种大肠杆菌变得不轻易排斥外来DNA,但依然缺乏使用它们的能力(即,用它们进行转录翻译等)。

值得高兴的是,在科学家们的不断努力下,在最新发表在的这篇Nature论文中,他们终于创造出了能够使用外来DNA合成蛋白质的健康细胞。为了让细胞能够使用这些非天然的碱基,研究人员创建了一种修改版的tRNAs,它的功能是读取密码子,并将合适的氨基酸运送到细胞的蛋白质工厂——核糖体中。研究实现了将两种非天然存在的氨基酸——PrK和pAzF整合到绿色荧光蛋白中。这些新的氨基酸没有改变绿色荧光蛋白的形状或功能。


Bacterial cells used their expandedgenetic code to make a modified version of a green fluorescent protein.(Images by William B. Kiosses)

业内反响及应用前景

对于这项成果,西北大学化学和生物工程师Michael Jewett评价称:“这是一篇多么漂亮的论文!

University of Richmond的生物学家和生物化学家Eugene Wu认为,这是工程学领域的一次“壮举”

而英国卡迪夫大学的生物化学家Nigel Richards则感慨道:“一切都运作地很好,这是非常令人惊讶的。因为,这其实是一个非常复杂的系统,很多地方都可能会失败。”


By adding a new base pair, X and Y, toDNA's A-T and G-C pairs, researchers will enable organisms to build proteinsfrom as many as 172 different amino acids.

那么,“非天然的外来碱基”究竟能用来做什么呢?科学家们说,天然存在的4种DNA碱基编码了20种氨基酸,但额外加入非天然的X=Y碱基对能够额外产生多达152种氨基酸,这可能会成为新药和新型材料的“基石”。

据悉,基于这些发现,Romesberg教授还创立一家生物技术公司,致力于将非天然的氨基酸整合到基于蛋白质的药物中。这种方法有望帮助设计更容易被细胞吸收或毒性更低的药物。

参考资料:

1)‘Alien’ DNA makesproteins in living cells for the first time

2)Scientists justadded two functional letters to the genetic code

3)Six-Letter DNAAlphabet Produces Proteins in Cells

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