韩笑的团队将细胞变成了药物工厂 生产含有非天然氨基酸的蛋白质药物

来源：生物世界2022-09-23 15:15

这项概念验证研究首次创造了完全自主的细菌和哺乳动物细胞，它们有能力生物合成和遗传编码非天然氨基酸——磺基酪氨酸(sTyr)。研究小组还利用这些细胞制造增强凝血酶抑制剂功效的细胞，从而使药物更加有效。

众所周知，蛋白质是生命的基石，氨基酸是蛋白质的基本单位。除了吡咯啉和硒代半胱氨酸，几乎所有的生物都只由20种典型的天然氨基酸组成，这些氨基酸含有有限数量的用于生物合成蛋白质的官能团。因此，它不能满足化学和生命科学研究对蛋白质结构和功能的要求。

密码子延伸技术的诞生打破了生物基因只能编码天然氨基酸的限制。它允许科学家将非天然氨基酸(ncAA)的特定位点引入活细胞的蛋白质中，从而提高研究生物过程的能力，并为开发现代药物提供无限潜力。然而，在大多数情况下，非天然氨基酸需要从外部引入。因此，密码子延伸技术的应用受到限制。

现在，被称为鸟类中的大熊猫的珍稀鸟类日本立鸟(Nipponia nippon)为科学家们提供了突破上述限制的关键线索。

2022年9月16日，莱斯大学助理教授韩笑在《自然通讯》上发表了一篇题为《释放无机氨基酸生物合成的潜力，制造具有精密酪氨酸硫酸酯的细胞》的研究论文。

这项概念验证研究首次创造了完全自主的细菌和哺乳动物细胞，它们有能力生物合成和遗传编码非天然氨基酸磺基酪氨酸(sTyr)。研究小组还利用这些细胞制造增强凝血酶抑制剂功效的细胞，从而使药物更加有效。

酪氨酸不仅是神经递质、激素和黑色素的前体，也是真核细胞用来合成蛋白质的非必需氨基酸。一旦引入蛋白质，酪氨酸可以通过其侧链羟基的硫酸化进行翻译后修饰。酪氨酸的硫酸化可以产生磺基酪氨酸(sTyr)。STyr参与蛋白质-蛋白质相互作用，膜通透性低，是编程活细胞表达治疗性蛋白质的关键成分。

酪氨酸硫酸化在决定各种细胞过程的细胞外生物分子的相互作用中起着关键作用。它涉及许多人类疾病的发展，包括病毒感染、抗凝和细胞粘附。可以说，这个过程是重要的，也是普遍的。然而，由于缺乏制备含硫酸化残基蛋白质的通用方法，蛋白质硫酸化的研究一直难以推进。

为了克服这一挑战，科学家们之前做了很多努力，包括利用遗传密码延伸技术在特定位点与sTyr结合。然而，大多数研究需要外加sTyr。

韩笑教授说，在自然界中，大多数物种的蛋白质是由20种天然氨基酸组成的。如果要再加一个，就需要考虑如何生成了。我们想到的解决办法是用细胞制造它。

在这项最新的研究中，当研究小组在序列相似性网络(SSN)中比较基因组数据时，在朱鹮中发现了第一种酶，朱鹮磺基转移酶1c 1(sulfotransfer 1 C1 from nippon ia nippon，NnSULT1C1)，并证明了这种酶可能在活细胞的环境中发挥作用。

教授对朱帮助我们实现这一跨越表示感谢。我们很幸运！朱鹮是唯一能产生这种酶的物种。在后续的研究中，我们还将调查为什么这种酶能识别酪氨酸，而人磺基转移酶却不能。

具有不同化学、生物和物理特性的非典型氨基酸的遗传编码需要生物正交翻译机制的工程设计，该机制由氨酰基-tRNA合成酶/tRNA对和空白密码子组成。即一个tRNA只能结合一个氨基酸，氨酰tRNA合成酶只能结合一个氨酰tRNA；否则无法实现从DNA到mRNA再到蛋白质的严谨信息传递，无法合成所需的蛋白质。

为了实现这一目标，研究小组模拟了朱鹮合成磺基酪氨酸(sTyr)并将其整合到蛋白质中的能力。

研究小组利用突变的UAG终止密码子编码所需的磺基转移酶，产生了一个完全自主的哺乳动物细胞系，它可以生物合成sTyr，并高精度地将其整合到蛋白质中。

在鉴定了朱鹮磺基转移酶1C1(NnSULT1C1)是一种功能性酪氨酸磺基转移酶后，该团队探索了sTyr的合成途径是否可以在大肠杆菌中实现并遗传整合到蛋白质中，希望增加这些细胞中sTyr的产量，并优化其引入蛋白质的可用性。结果表明，这些工程细胞可以产生比具有最高水平外源sTyr的细胞更高产量的位点特异性硫酸化蛋白。体外试验表明，其活性与人磺基转移酶1C1(SULT1C1)相当。

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肖汉教授表示，过去，科学家们普遍使用化学合成的非天然氨基酸饲喂细胞；而如今，让细胞自己完成这项工作，效率显然要高得多。通过这种修饰蛋白质的新策略，可以完全改变蛋白质的结构和功能。

随后，他们使用这些细胞制备具有位点特异性硫酸化作用的高效凝血酶抑制剂。凝血酶抑制剂模型显示，在药物中加入非天然成分可以使药物更有效。

研究团队表示，希望结合和计算筛选来产生一个生物合成的非天然氨基酸库，以扩大治疗性蛋白质的制备，从而允许在整个生物体水平上应用密码子扩展技术。

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