構成生命最基本的生物大分子核酸和蛋白質具有手性均一性特徵,即已知的天然核酸均由D型核糖組成,天然蛋白質幾乎均由L型胺基酸組成。朱聽課題組希望從鏡像中心法則出發,利用化學、生物學等多學科手段構建由L型核酸和D型蛋白質組成的鏡像生物學系統。到目前為止,已初步實現了鏡像中心法則中的鏡像核酸複製、轉錄、反轉錄等步驟,及鏡像PCR、鏡像核酸測序、鏡像核糖核蛋白複合體組裝等方法,並正在著力構建鏡像蛋白質翻譯系統以實現完整的鏡像中心法則。
對tRNA進行胺基酸裝載是蛋白質翻譯過程的一個重要步驟。自然界中的tRNA胺基酸裝載需要依賴一整套由數十種氨醯tRNA合成酶組成的複雜系統來完成。由於天然手性的氨醯tRNA合成酶無法識別並催化鏡像tRNA胺基酸裝載,而化學合成所有鏡像版本的氨醯tRNA合成酶存在很大難度,囙此如何找到一種適用於鏡像tRNA胺基酸裝載的方法是實現鏡像蛋白質翻譯必須解决的難題之一。雖然可對tRNA進行胺基酸裝載的核酶Flexizyme早在2006年就已被發現,但由於翻譯效率很低,不依賴氨醯tRNA合成酶的蛋白質翻譯一直未被實現。同時,由於傳統RNA化學合成科技的限制,全長鏡像tRNA的合成效率與純度都不高,無法被用於鏡像胺基酸裝載。
在該研究中,清華大學生命學院朱聽課題組在天然手性模型中對使用Flexizyme進行tRNA胺基酸裝載的蛋白質翻譯系統做了重新設計與優化,首次實現了不依賴氨醯tRNA合成酶的蛋白質翻譯並得到多種具有活性的酶(圖1)。值得一提的是,在沒有氨醯tRNA合成酶的參與下,該系統翻譯產生了具有活性的氨醯tRNA合成酶TrpRS,顯示在生命起源過程中,類似具有tRNA胺基酸裝載功能的核酶可能在蛋白質翻譯系統的早期進化中發揮了重要作用。
圖1不依賴氨醯tRNA合成酶的蛋白質翻譯
在相應的鏡像系統中,課題組利用優化後的鏡像核酸轉錄方法成功製備出高純度的全長鏡像tRNA,並使用合成的鏡像Flexizyme將鏡像胺基酸裝載到相應的鏡像tRNA上(圖2),為將來實現鏡像蛋白質翻譯奠定了方法學基礎。
圖2使用鏡像Flexizyme將鏡像胺基酸裝載到鏡像tRNA上
3月11日,清華大學生命學院朱聽課題組在《化學》(Chem)期刊發表了題為“不依賴氨醯tRNA合成酶的蛋白質翻譯”(Translating protein enzymes without aminoacyl-tRNA synthetases)的研究論文,報導實現不依賴氨醯tRNA合成酶的蛋白質翻譯,並嘗試對鏡像tRNA進行胺基酸裝載。
清華大學生命學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者陳季博士為論文第一作者,生命學院朱聽教授為通訊作者。清華-北大生命科學聯合中心博士生陳夢茵為該研究作出了重要貢獻。該研究獲得了國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯合中心、清華大學結構生物學高精尖創新中心和北京生物結構前沿研究中心的資助。
論文連結:
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00046-2
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