生命學(xué)院朱聽課題組實現(xiàn)不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯
構(gòu)成生命最基本的生物大分子核酸和蛋白質(zhì)具有手性均一性特征，即已知的天然核酸均由D型核糖組成，天然蛋白質(zhì)幾乎均由L型氨基酸組成。朱聽課題組希望從鏡像中心法則出發(fā)，利用化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科手段構(gòu)建由L型核酸和D型蛋白質(zhì)組成的鏡像生物學(xué)系統(tǒng)。到目前為止，已初步實現(xiàn)了鏡像中心法則中的鏡像核酸復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄等步驟，及鏡像PCR、鏡像核酸測序、鏡像核糖核蛋白復(fù)合體組裝等方法，并正在著力構(gòu)建鏡像蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)以實現(xiàn)完整的鏡像中心法則。
對tRNA進(jìn)行氨基酸裝載是蛋白質(zhì)翻譯過程的一個重要步驟。自然界中的tRNA氨基酸裝載需要依賴一整套由數(shù)十種氨酰tRNA合成酶組成的復(fù)雜系統(tǒng)來完成。由于天然手性的氨酰tRNA合成酶無法識別并催化鏡像tRNA氨基酸裝載，而化學(xué)合成所有鏡像版本的氨酰tRNA合成酶存在很大難度，因此如何找到一種適用于鏡像tRNA氨基酸裝載的方法是實現(xiàn)鏡像蛋白質(zhì)翻譯必須解決的難題之一。雖然可對tRNA進(jìn)行氨基酸裝載的核酶Flexizyme早在2006年就已被發(fā)現(xiàn)，但由于翻譯效率很低，不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯一直未被實現(xiàn)。同時，由于傳統(tǒng)RNA化學(xué)合成技術(shù)的限制，全長鏡像tRNA的合成效率與純度都不高，無法被用于鏡像氨基酸裝載。
朱聽課題組于2021年3月11日在Chem雜志發(fā)表了題為“不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯”（Translating protein enzymes without aminoacyl-tRNA synthetases）的研究論文https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00046-2，報道實現(xiàn)不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯，并嘗試對鏡像tRNA進(jìn)行氨基酸裝載。在該研究中，陳季等在天然手性模型中對使用Flexizyme進(jìn)行tRNA氨基酸裝載的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)做了重新設(shè)計與優(yōu)化，首次實現(xiàn)了不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯并得到多種具有活性的酶（圖1）。值得一提的是，在沒有氨酰tRNA合成酶的參與下，該系統(tǒng)翻譯產(chǎn)生了具有活性的氨酰tRNA合成酶TrpRS，顯示在生命起源過程中，類似具有tRNA氨基酸裝載功能的核酶可能在蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)的早期進(jìn)化中發(fā)揮了重要作用。?
圖1：不依賴氨酰tRNA合成酶的蛋白質(zhì)翻譯
在相應(yīng)的鏡像系統(tǒng)中，課題組利用優(yōu)化后的鏡像核酸轉(zhuǎn)錄方法成功制備出高純度的全長鏡像tRNA，并使用合成的鏡像Flexizyme將鏡像氨基酸裝載到相應(yīng)的鏡像tRNA上（圖2），為將來實現(xiàn)鏡像蛋白質(zhì)翻譯奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。
圖2：使用鏡像Flexizyme將鏡像氨基酸裝載到鏡像tRNA上
清華大學(xué)生命學(xué)院博士后、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者陳季博士為該論文第一作者，生命學(xué)院朱聽教授為通訊作者。清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生陳夢茵為該研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心的資助。
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