近日，我院林世贤实验室合作在Trends in Biochemical Sciences（生物化学趋势）杂志发表了题为“Genetic Encoding of Multiple Distinct Noncanonical Amino Acids”的综述论文。该论文系统总结了遗传编码多种不同非天然氨基酸（ncAAs）的突破性进展，重点涵盖了交互正交翻译系统的开发以及编码密码子库的拓展。我院博士后于微和博士生方誉为该论文的共同第一作者，林世贤研究员与丁文龙研究员为本文的共同通讯作者。Trends in Biochemical Sciences（生物化学趋势）由Cell Press（细胞出版社）于1976年创刊并发行至今。其作为国际性综述期刊，致力于发表涵盖生物化学、分子生物学以及交叉学科领域最前沿的研究进展与系统性评述，旨在深刻剖析领域动态与复杂机制，为全球科研人员提供权威且极具启发性的学术引领与前瞻性视角。
非天然氨基酸（ncAA）定点引入技术的发展极大地拓展了蛋白质的结构与功能空间。然而，随着对多功能治疗药物、先进生物传感器以及拓展化学空间的合成生物学的需求日益增长，现有的单一位点或单一类型ncAA的遗传重编码体系，已难以满足合成多功能复杂生物大分子的前沿需求，亟需开发多种不同ncAA的在体同步编码技术平台以实现蛋白质的多重精准修饰。目前，上述目标面临着交互正交的翻译系统不足与可用空白密码子资源匮乏等重大挑战。因此，拓展蛋白质遗传操作元件以实现在同一蛋白中同时编码三种或更多种非天然氨基酸的水平是解决上述难题的核心切入点。在这篇综述中，作者首先介绍了工程化改造遗传密码拓展元件的技术体系，总结获得交互正交的氨酰-tRNA合成酶/tRNA对的关键途径。具体策略涵盖：从进化差异较大的生物体中直接引入以减少干扰、利用计算辅助方法进行从头生成与设计、通过同源序列挖掘发现新型广谱正交系统，以及采用嵌合设计策略开发具有不同氨基酸结合口袋的正交翻译系统。随后，论文综述了扩展可用空白密码子库的多种前沿方法，包括传统的终止密码子抑制、四联密码子开发、利用非天然碱基对解码，以及通过基因组压缩和稀有密码子重编码以实现有义密码子重分配的策略（图1）。
图1. 遗传编码多种非天然氨基酸的策略示意图。
同时，该综述详细回顾了将上述理论策略转化为实际应用的里程碑式进展，分别总结了在大肠杆菌和哺乳动物细胞中实现多位点ncAA编码的代表性研究。近期研究表明，在哺乳动物系统中将稀有密码子重编码与终止密码子抑制相结合，已成功在活细胞内实现了单一目标蛋白中五种不同ncAA的高效同步编码。最后，该综述探讨了该领域面临的挑战与未来发展方向，提出利用AI驱动的蛋白质设计、翻译释放因子的工程化改造以及密码子上下文的系统优化等协同策略，有望大幅提升重编码蛋白产量并克服宿主系统的兼容性难题，进而为下一代多功能抗体偶联药物的开发、多肽大环药物库的构建以及新型功能化生物大分子的构建提供坚实的底层技术支撑。
研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接：https://authors.elsevier.com/a/1m%7E-z3S6GfYC9h
林世贤实验室介绍
林世贤实验室聚焦于中心法则的翻译过程，整合交叉学科的研究手段，探索tRNA和蛋白质修饰的生物学功能和工程改造，并致力于开发新型生物医药，用于重大代谢慢病和罕见遗传病的诊疗。团队近五年在Science、Nat. Cell Biol.、Nat. Chem. Biol.、Nat. Chem.、Nat. Struct. Mol. Biol.等期刊发表研究成果。欢迎感兴趣的博士后和研究生联系并申请加入，联系邮件sxlin@zju.edu.cn。
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