遗传密码扩充技术在蛋白质研究中的应用进展

生命科学发展需要获得进化的蛋白质来满足科学研究的需要,在蛋白质中引入非天然氨基酸从而赋予其更多的功能成为蛋白质进化的一个重要手段。一项遗传密码扩充技术很好的实现了在体内定点引入非天然氨基酸,这项技术的关键是获得一对正交的氨酰tRNA合成酶/tRNA分子对,利用其高特异性反应将非天然氨基酸定点引入蛋白质分子中。迄今为止,几十种非天然氨基酸通过此方法被中引入到蛋白质中,从而打开了蛋白质研究的新天地。本文介绍了这项技术的基本原理,并对其在蛋白质修饰、结构和功能研究、以及在药用蛋白中的应用进展进行了综述。

遗传密码扩充技术及其在蛋白质功能研究及标记成像中的应用

遗传密码扩充(genetic code expansion,GCE)技术利用终止密码子将非天然氨基酸掺入到蛋白质中,再结合点击反应对蛋白质实现定点标记。相较于荧光蛋白、标签抗体等其他标记工具,该技术在蛋白标记中使用的化合物分子较小、对蛋白空间结构影响较小,且能通过点击反应实现蛋白分子与染料分子1︰1的化学计量比,从而能够依据荧光强度对蛋白质定量。因此,在活细胞单分子追踪和超分辨率显微成像等需要细胞长时间暴露在高激光功率下的研究中,GCE技术具有极大的优势。同时,该技术也为提高活细胞成像过程中的定位精度和分子计数准确度奠定了基础。文中旨在总结近年来GCE技术在蛋白质研究中的应用进展,特别是在蛋白质标记成像方面的应用进展。

遗传密码子扩充系统表达载体及其稳定细胞系的构建

目的:构建异源表达遗传密码子扩充系统的HeLa细胞系。方法:用PCR方法扩增MmBocRS、PyltRNA基因,定向克隆到Lenti-EF1α-Puro载体中,构建Lenti-EF1α-BocRS、Lenti-PyltRNA表达质粒;在HEK293T细胞中进行病毒包装,用获得的慢病毒感染HeLa细胞,获得BocRS-t RNACUA稳定细胞株;分别应用实时定量PCR和Western印迹鉴定该稳定细胞系中MmBocRS和PyltRNA的表达;利用转染EGFP的琥珀突变体验证BocRS-t RNACUA稳定细胞株的功能。结果:酶切及测序表明Lenti-EF1α-BocRS和Lenti-PyltRNA质粒构建正确;实时定量PCR结果显示BocRSt RNACUA稳定细胞株中PyltRNA的表达量显著提高;Western印迹结果显示BocRS-t RNACUA稳定细胞株中MmBocRS基因的表达量明显高于空白对照;转染EGFP琥珀突变体结果表明,可以通过非天然氨基酸来控制EGFP的表达。结论:构建了能稳定表达MmBocRS和PyltRNA的BocRS-t RNACUA细胞株,并实现了通过非天然氨基酸控制蛋白表达,为研究定点插入非天然氨基酸提供了细胞模型。

可诱导高拷贝的正交琥珀抑制性tRNA筛选质粒的构建

为筛选获得对大肠杆菌氨酰合成酶具有高度正交性的琥珀抑制tRNA,建立了一种基于可诱导高拷贝质粒的筛选系统。利用乳糖操纵子对oriL复制子进行调控,有IPTG存在时使其携带的琥珀抑制性tRNA大量转录。正交性不高的琥珀抑制性tRNA大量转录时导致宿主菌死亡,只有携带高正交性的琥珀抑制性tRNA的克隆可以存活,从而达到筛选目的。利用这一筛选质粒,构建了琥珀抑制性tRNA突变文库,并进行了筛选,获得了与大肠杆菌氨酰tRNA合成酶具有高度正交性的突变体,并利用含琥珀抑制突变的半乳糖苷酶突变体进行了验证,证实利用可诱导高拷贝的筛选质粒可筛选出高正交性的琥珀抑制性tRNA突变体。

蛋白质中赖氨酸衍生物定点引入的应用研究进展

赖氨酸是蛋白质的翻译后修饰位点以及多种酶活性中心关键残基,与蛋白质的结构与功能密切相关。应用遗传密码扩充技术,由来自于M.barkeri的吡咯赖氨酰tRNA合成酶(PylRS)和吡咯赖氨酰tRNA(tRNA-Pyl)构成非天然氨基酸定点引入系统,可以实现蛋白质中赖氨酸残基的定点修饰,在蛋白质中定点引入乙酰基等翻译后修饰基团、光反应基团、正交反应基团和光谱活性基团等。目前该系统已在大肠杆菌、酵母菌、哺乳动物细胞中及线虫体内成功地将10种赖氨酸衍生物编码入蛋白质中,为研究蛋白质翻译后修饰、定点标记和定点修饰、蛋白质相互作用提供了有力的工具。综述了应用该系统在蛋白质中定点引入赖氨酸衍生物的应用研究进展,并分析了该系统与目前最常用的系统相比的优势所在。