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林世贤实验室在Nature Communications发文报道嵌合体翻译系统的开发及其应用

时间:2020年06月22日 访问次数:228

   20206月22日,我院林世賢實驗室在Nature Communications上在线发表题为“Chimeric design of Pyrrolysyl-tRNA synthetase/tRNA pairs and canonical synthetase/tRNA pairs for genetic code expansion”的研究論文。該研究開發了4種在原核生物和真核生物都具有正交性(廣譜正交性)的嵌合體氨酰tRNA合成酶(aaRS)/tRNA對,並利用嵌合體苯丙氨酸系統引入翻譯後修飾和發熒光的非天然氨基酸。博士後丁文龍和博士生趙紅霞是論文的共同第一作者,林世賢研究員是本文的通訊作者。

        生物体通过编码20種天然氨基酸執行各種複雜的生理功能。遺傳密碼拓展系統能夠將非天然氨基酸位點特異性地引入到蛋白質上,用于蛋白質功能的研究和設計全新的功能。遺傳密碼拓展系統的核心是使用具有正交性的aaRS/tRNA對,用于非天然氨基酸的識別。在這一研究方向上,古菌中的吡咯賴氨酸aaRS/tRNA對因其具有廣譜正交性和較好的催化活性是同時適用于原核生物和真核生物的理想系統。該系統的發現顯著推動了遺傳密碼拓展系統的應用,遺憾的是自然界中僅有這一類具有廣譜正交性的系統,限制了引進非天然氨基酸的種類和效率。

        林世賢實驗室發明了一種基于嵌合體設計的蛋白質工程改造新方法。通過嫁接吡咯賴氨酸aaRS/tRNA對的正交元件到天然aaRS/tRNA對上,將後者改造成爲具有廣譜正交性的系統。論文開發了4種全新的、在原核生物和真核生物都適用的嵌合體aaRS/tRNA對,並證明嵌合體系統具有較好的催化活性。論文通過進一步工程改造嵌合體苯丙氨酸系統中aaRS的底物識別口袋,將系列苯丙氨酸,酪氨酸和色氨酸類似物位點特異性地引入到蛋白質中。這些非天然氨基酸包含了首次被引入到真核生物中的翻譯後修飾L-Dopa;可用于蛋白質雙光子成像示蹤的、具有熒光特性的氰基色氨酸。論文開發的嵌合體系統將顯著推動非天然氨基酸引入的種類和效率;同時,嵌合體設計原理具有普遍適用性,有望將更多天然aaRS/tRNA對正交化。

        该工作得到了国家重大研究计划“生物大分子動態修飾與化學幹預”培育項目,國家重點研發計劃“合成生物學”青年科學家項目,浙江大學校長專項等項目的資助。該工作還得到了何向偉教授,郭行教授,李劼教授,黃士堂博士,吳航軍博士和Vivian Yu博士等人的幫助。

圖1:本研究的策略和結果亮點。(a)嵌合設計的原理圖,(b)本研究開發的4種廣譜正交對,(c)利用嵌合苯丙氨酸系統引入的非天然氨基酸。


原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16898-y