眾所周知，蛋白質(zhì)是生命的基石，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。除了吡咯啉和硒半胱氨酸這兩個罕見個例外，幾乎所有生物體都只由20種典型的天然氨基酸組成，其中包含有限數(shù)量的官能團用于蛋白質(zhì)的生物合成。因此，無法滿足化學和生命科學研究中對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的需求。

密碼子擴展技術(shù)的誕生打破了生物體基因只能編碼天然氨基酸的限制，它允許科學家將非天然氨基酸（ncAA）特定位點引入活細胞的蛋白質(zhì)中，從而提高了研究生物過程的能力，并為開發(fā)現(xiàn)代藥物提供了無限潛力。然而，在大多數(shù)情況下需要外源引入非天然氨基酸。因此，密碼子擴展技術(shù)的應用受到了限制。

而現(xiàn)在，有“鳥中大熊貓”之稱的稀有鳥類朱鹮（Nipponia nippon）為科學家們提供了突破上述限制的關(guān)鍵線索。

2022年9月16日，萊斯大學助理教授肖漢團隊在 Nature 子刊 Nature Communications 上發(fā)表了題為：Unleashing the potential of noncanonical amino acid biosynthesis to create cells with precision tyrosine sulfation 的研究論文。

這項概念驗證研究首次創(chuàng)造了完全自主的細菌和哺乳動物細胞，具有生物合成和遺傳編碼非天然氨基酸——磺基酪氨酸（sTyr）的能力。該團隊還用這些細胞制造出增強凝血酶抑制劑效力的細胞，從而使藥物更加有效。

酪氨酸除了是神經(jīng)遞質(zhì)、激素和黑色素的前體外，還是真核細胞用來合成蛋白質(zhì)的非必需氨基酸。一旦引入蛋白質(zhì)中，酪氨酸可以利用其側(cè)鏈羥基通過硫酸化進行翻譯后修飾。酪氨酸硫酸化能夠生成磺基酪氨酸（sTyr）。sTyr 參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，具有較低的膜通透性，是對表達治療性蛋白的活細胞進行編程的關(guān)鍵組成部分。

酪氨酸硫酸化過程在決定各種細胞過程的細胞外生物分子相互作用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它涉及許多人類疾病的發(fā)展，包括病毒感染、抗凝血和細胞粘附等?？梢哉f，該過程重要且普遍。然而，由于缺乏制備具有硫酸化殘基蛋白質(zhì)的通用方法，蛋白質(zhì)硫酸化的研究一直難以推進。

為了克服這一挑戰(zhàn)，科學家們此前已經(jīng)做出了諸多努力，包括使用遺傳密碼擴展技術(shù)在特定位點與 sTyr 結(jié)合。然而，大多數(shù)研究需要外源添加 sTyr 。

肖漢教授表示，在自然界中，絕大多數(shù)物種的蛋白質(zhì)是由20種天然氨基酸組成。如果想額外再添加一個，就需要考慮如何生成。而我們想到的解決方案是——用細胞制造它。

在這項最新研究中，研究團隊在序列相似性網(wǎng)絡（SSN）中比較基因組數(shù)據(jù)時，在朱鹮中發(fā)現(xiàn)了第一個催化酪氨酸硫酸化過程的酶——朱鹮磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（sulfotransferase 1C1 from Nipponia nippon，NnSULT1C1），并證明了這種酶有可能在活細胞的環(huán)境中發(fā)揮作用。

肖漢教授表示，感謝朱鹮幫助我們實現(xiàn)了這一飛躍。我們很幸運！朱鹮是唯一一個能產(chǎn)生這種酶的物種。在后續(xù)研究中，還會調(diào)查為什么這種酶能識別酪氨酸，而人類的磺基轉(zhuǎn)移酶卻不能。

對具有不同化學、生物和物理特性的非典型氨基酸進行遺傳編碼，需要對生物正交翻譯機制進行工程設計，由氨酰tRNA合成酶/tRNA對和“空白”密碼子組成。即一種tRNA只能與一種氨基酸結(jié)合，氨酰tRNA合成酶只能結(jié)合一種氨酰tRNA，否則就無法實現(xiàn)從DNA到mRNA再到蛋白質(zhì)的嚴謹?shù)男畔鬟f，也就無法合成所需的蛋白質(zhì)。

為了實現(xiàn)這一點，研究團隊模擬了朱鹮合成磺基酪氨酸（sTyr）并將其整合到蛋白質(zhì)的能力。

研究團隊使用突變的UAG終止密碼子來編碼所需的磺基轉(zhuǎn)移酶，從而產(chǎn)生了一個完全自主的哺乳動物細胞系，能夠生物合成 sTyr， 并將其高精度地整合到蛋白質(zhì)中。

在將朱鹮磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（NnSULT1C1）鑒定為一種功能性酪氨酸磺基轉(zhuǎn)移酶后，該團隊探索了 sTyr 的合成途徑是否可以在大腸桿菌中實現(xiàn)并且遺傳整合到蛋白質(zhì)中，以希望能增加這些細胞中 sTyr 的產(chǎn)量，從而優(yōu)化其引入蛋白質(zhì)的可用性。結(jié)果顯示，與此前最高水平的外源添加 sTyr 的細胞相比，這些工程細胞可以以更高的產(chǎn)量產(chǎn)生位點特異性硫酸化蛋白。體外測試顯示，其活性與人類的磺基轉(zhuǎn)移酶1C1（SULT1C1）活性相當。

肖漢教授表示，過去，科學家們普遍使用化學合成的非天然氨基酸飼喂細胞；而如今，讓細胞自己完成這項工作，效率顯然要高得多。通過這種修飾蛋白質(zhì)的新策略，可以完全改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。

隨后，他們使用這些細胞制備具有位點特異性硫酸化作用的高效凝血酶抑制劑。凝血酶抑制劑模型顯示，在藥物中加入非天然成分可以使藥物更有效。

研究團隊表示，希望結(jié)合生物信息學和計算篩選來產(chǎn)生一個生物合成的非天然氨基酸庫，以擴大治療性蛋白質(zhì)的制備，從而允許在整個生物體水平上應用密碼子擴展技術(shù)。