遗传密码子拓展技术在赖氨酸酰化修饰研究中的应用

赖氨酸酰化修饰在细胞中普遍存在,控制着蛋白质的多种功能;然而,在活细胞中进行特定位点酰化修饰的生物学功能研究还存在困难。近年来发展的遗传密码子拓展(genetic code expansion,GCE)技术通过正交的氨酰基-tRNA合成酶/tRNA能够在活细胞内定向插入与天然酰化修饰结构一致的非天然氨基酸(unnatural amino acids,UAAs),实现在精准引入酰化修饰的基础上研究目的蛋白的理化性质和生物学行为的改变。此外,GCE技术还能定点引入无法被去酰化酶识别的模拟酰化修饰的UAAs,从而提高目的蛋白赖氨酸酰化修饰产物的稳定性。在目的蛋白特定位点插入“光交联”型UAA则被用于阐明酰化修饰蛋白的互作蛋白质组。根据不同结构和功能的酰化修饰分类,分别阐述了GCE技术结合上述3类UAAs的新颖设计,及其在研究蛋白酰化修饰对目的蛋白的活性、稳定性、细胞定位、蛋白质-DNA相互作用和蛋白质-蛋白质相互作用等功能影响中的应用。最后,展望了GCE技术在蛋白质酰化修饰研究中的局限和应用前景。

基因密码子拓展技术的方法原理和前沿应用研究进展

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。

基因编码非天然氨基酸技术及其在生物医学领域的应用

人体内蛋白质通常由20种天然氨基酸组成。氨基酸的不同排列组合及立体构象是构建丰富多样性的蛋白质的基础。近年来开发的突破性基因密码子拓展技术通过向目标蛋白质中定向引入非天然氨基酸,能够赋予原有的靶蛋白以共价结合邻近蛋白质、携带荧光基团、模拟蛋白质的翻译后修饰等新的生物学特性。本文从非天然氨基酸的结构和功能出发,介绍了不同类型的非天然氨基酸分别在调节蛋白质稳定性、研究蛋白质构象、表达水平、定位以及识别和增强蛋白质间亲和作用等方面的用途。此外,基因编码非天然氨基酸技术在生物医学领域的应用前景,将为生物药物的设计及优化提供全新的思路和方法。

活病毒直接转化为预防、治疗双功能疫苗研究进展

疫苗是目前预防病毒感染最有效的方法之一。以流感疫苗为例,目前临床使用的流感疫苗种类包括减毒、灭活、亚单位、载体疫苗等。本研究团队以流感病毒为模型,成功研发了预防和治疗双功能的"复制缺陷型活病毒疫苗"制备技术。该方法彻底突破了现有的疫苗研制手段,利用基因密码子拓展技术,通过将病毒基因组中的一个或多个三联遗传密码子突变为终止密码子的方式,使病毒在宿主体内的正常繁殖复制的机制失效,同时又保留了病毒完整的结构和感染力,使其成为能够高效刺激机体产生免疫应答,甚至是具有治疗前景的抗病毒药物。

基于古菌酪氨酰tRNA合成酶非天然氨基酸插入的研究进展

构筑蛋白质的编码信息存在于高度保守的密码子表中,而生物体仅利用20种天然氨基酸,就能排列组合出不同的蛋白质来行使多种生物学功能。通过合成生物学的飞速发展,使得在蛋白质合成中可控地引入非天然氨基酸成为可能。这极大地拓展了蛋白质的结构和功能,并为生物学工具的开发和生物生理过程的研究提供了便利。具有活性基团的非天然氨基酸可以广泛地应用于蛋白质结构研究、蛋白质功能调控以及新型生物材料构建和医药研发等诸多领域。基因密码子拓展技术利用正交翻译系统,通过重新分配密码子改造中心法则,可以在蛋白质的指定位点引入非天然氨基酸。系统地介绍了目前提升密码子拓展技术插入非天然氨基酸效率的方法,包括tRNA以及氨酰tRNA合成酶的各种突变方法和翻译辅助因子的改造。汇总了利用古细菌酪氨酰tRNA合成酶插入的非天然氨基酸和突变位点并总结了密码子拓展技术在生物医药领域的前沿进展。最后讨论了该项技术目前所面临的挑战,如可利用的密码子数量不多、正交翻译系统的种类有限和非天然氨基酸多插效率低下。希望能够帮助研究者建立适合的非天然氨基酸插入方法并推动密码子拓展技术进一步发展。