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我国学者实现不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译
2021年03月20日    作者: 张艳 邢曦雯 杨俊林    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(批准号:21925702, 21750005, 81803072)等资助下,清华大学朱听课题组实现了不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译,并对镜像tRNA进行了镜像氨基酸装载。该研究以“不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译”(Translating protein enzymes without aminoacyl-tRNA synthetases)为题,于2021年3月11日发表在《化学》(Chem)杂志上(论文链接:https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00046-2)。

构成生命的天然核酸和天然蛋白质皆具有手性均一的特性,已知的天然核酸均由D型核糖组成,天然蛋白质几乎均由L型氨基酸组成。朱听课题组希望从镜像中心法则出发,利用化学、生物学等多学科手段构建由镜像核酸和镜像蛋白质组成的镜像生物学系统。目前,该课题组已初步实现了镜像中心法则中的镜像核酸复制、转录、反转录等过程,及镜像PCR、镜像核酸测序等工具的建立,并正在着力构建镜像蛋白质翻译系统以实现完整的镜像中心法则。

对tRNA进行氨基酸装载是蛋白质翻译过程的重要步骤。自然界中tRNA氨基酸装载需要一整套由数十种氨酰tRNA合成酶组成的复杂系统来完成。由于天然手性的氨酰tRNA合成酶无法识别并催化镜像tRNA氨基酸装载,而用化学合成方法获得所有镜像版本的氨酰tRNA合成酶亦存在很大难度。因此,如何催化镜像tRNA氨基酸装载是实现镜像蛋白质翻译的重要难题之一。尽管可对tRNA进行氨基酸装载的核酶Flexizyme早在2006年就已被发现,但因其翻译效率低,不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译一直未能实现。同时,由于传统RNA化学合成技术的限制,全长镜像tRNA的合成效率与纯度都不高,不足以用于镜像氨基酸的有效装载。

研究团队通过对使用Flexizyme进行tRNA氨基酸装载的蛋白质翻译系统做了重新设计与优化,首次实现了不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译,并获得多种具有活性的酶(图1)。值得一提的是,在没有氨酰tRNA合成酶的参与下,该系统翻译产生了具有活性的氨酰tRNA合成酶TrpRS,显示在生命起源过程中,类似具有tRNA氨基酸装载功能的核酶可能在蛋白质翻译系统的早期进化中发挥了重要作用。此外,研究团队还利用优化后的镜像核酸转录方法成功制备出高纯度的全长镜像tRNA,并使用合成的镜像Flexizyme将镜像氨基酸装载到相应的镜像tRNA上(图2),为将来实现镜像蛋白质翻译奠定了方法学基础。

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图1:不依赖氨酰tRNA合成酶的蛋白质翻译

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图2:使用镜像Flexizyme将镜像氨基酸装载到镜像tRNA上

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