研究實現正交氨醯-tRNA合成酶與tRNA對的快速發現和進化

2020-12-03 科學網

研究實現正交氨醯-tRNA合成酶與tRNA對的快速發現和進化

作者：

小柯機器人

發布時間：2020/4/19 23:11:48

英國劍橋大學Jason W. Chin研究組實現對正交氨醯-tRNA合成酶與tRNA對的快速發現和進化。這一研究成果於2020年4月13日在線發表在國際學術期刊《自然—生物技術》上。

據研究人員介紹，通過擴增細胞的遺傳密碼來把非經典的胺基酸整合到蛋白質中存在一個關鍵的難點，即發現更多的氨醯-tRNA合成酶（aaRS）與tRNA對（在氨醯化特異性上是正交的）。

研究人員從數百萬個序列中計算候選正交tRNA，並開發出一種快速、可擴展的方法，被稱為tRNA延伸（tREX），其可確定tRNA的體內氨醯化狀態。使用tREX，研究人員在大腸桿菌中測試了243個候選tRNA，並鑑定了71個正交tRNA，涵蓋16種同型受體和23個功能性正交tRNA同源aaRS對。

 

他們發現五個正交對，包括三個高度活躍的琥珀色抑制劑，並進化出兩個新的胺基酸底物特異性。

 

最後，研究人員使用tREX來表徵了64種正交合成酶-正交tRNA特異性的矩陣。這項工作擴大了可用於遺傳密碼擴展的正交對的數量，並為發現其他正交對提供了一種方案，也為編碼非經典生物高分子的細胞合成提供了基礎。

 

附：英文原文

Title: Rapid discovery and evolution of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase–tRNA pairs

Author: Daniele Cervettini, Shan Tang, Stephen D. Fried, Julian C. W. Willis, Louise F. H. Funke, Lucy J. Colwell, Jason W. Chin

Issue&Volume: 2020-04-13

Abstract: A central challenge in expanding the genetic code of cells to incorporate noncanonical amino acids into proteins is the scalable discovery of aminoacyl-tRNA synthetase (aaRS)–tRNA pairs that are orthogonal in their aminoacylation specificity. Here we computationally identify candidate orthogonal tRNAs from millions of sequences and develop a rapid, scalable approach—named tRNA Extension (tREX)—to determine the in vivo aminoacylation status of tRNAs. Using tREX, we test 243 candidate tRNAs in Escherichia coli and identify 71 orthogonal tRNAs, covering 16 isoacceptor classes, and 23 functional orthogonal tRNA–cognate aaRS pairs. We discover five orthogonal pairs, including three highly active amber suppressors, and evolve new amino acid substrate specificities for two pairs. Finally, we use tREX to characterize a matrix of 64 orthogonal synthetase–orthogonal tRNA specificities. This work expands the number of orthogonal pairs available for genetic code expansion and provides a pipeline for the discovery of additional orthogonal pairs and a foundation for encoding the cellular synthesis of noncanonical biopolymers.

DOI: 10.1038/s41587-020-0479-2

Source: https://www.nature.com/articles/s41587-020-0479-2

 

相關焦點

  • 上海生科院揭示人類致病菌白色念珠菌亮氨醯-tRNA合成酶的C-末端...
    >）之間的酯化反應(氨基醯化反應)，生成亮氨醯-tRNA（Leu-tRNALeu），為蛋白質的生物合成提供原料。>CatRNASer(CAG)和CatRNALeu過程中它們協同發揮重要作用；還藉助凝膠遷移實驗發現其兩點或三點的突變都會影響酶與tRNA的結合；研究結果在酵母
  • 轉運RNA與氨醯tRNA合成酶
    首先是胺基酸和ATP縮合形成胺基酸與腺苷酸的混合酸酐中間體，然後中間體非共價結合至活性位點。第二步是氨醯基轉移反應，胺基酸被酯化到tRNA的3'末端。氨醯tRNA合成酶（ARS）分為兩類，每類各10種。兩類之間在結構和功能上都有差別，例如I類酶在tRNA的2'-OH上氨基醯化，而II類酶通常在3'-OH上氨基醯化。
  • tRNA:＂老樹開新花＂
    那麼tRNA與胺基酸的相互識別是如何實現的呢?原來胺基酸的活化及活化後與相應tRNA的結合過程都是由同一類酶所催化，此類酶稱為氨基醯一tRNA合成酶。具有高度的特異性，既能識別特異的胺基酸，又能辨認攜帶該種胺基酸的特異tRNA分子。細胞內至少需要20種這樣的酶才能使20種胺基酸能恰當地連接到各自特異的tRNA分子上。DHU環是特異的氨基醯-tRNA合成酶準確識別相應的tRNA的重要部分之一。
  • 生化與細胞所揭示tRNA 3』CCA末端在EcLeuRS分子內擺動
    ，報導了tRNALeu CCA末端在亮氨醯-tRNA合成酶（LeuRS）的分子內的擺動平衡了酶的氨基醯化和編校活力。LeuRS催化生成亮氨醯-tRNALeu為蛋白質的生物合成提供原料，tRNA的氨基醯化反應在合成結構域通過胺基酸活化和tRNA的氨基醯化兩步反應完成。但是，其催化活性中心也會識別亮氨酸類似物生成誤活化胺基酸，進而產生誤氨基醯-tRNALeu。為保證正確地翻譯遺傳信息，LeuRS在進化的過程中招募了一個額外的編校結構域（CP1）來行使編校功能，在該結構域水解生成的誤氨基醯化產物。
  • 淺談低氧誘導因子降解的調節器——脯氨醯羥化酶
    Ratcliffe和約翰·霍普金斯醫學院的Gregg L.Semenza，以表彰他們「在理解細胞感知、適應氧氣變化機制中的貢獻」。近年來，由Gregg L.Semenza發現的HIF（Hypoxia-Inducible Factor）作為主要的氧氣調控因子，科學家圍繞HIF做了大量的研究。
  • 日本合成能將人造胺基酸摺疊成蛋白質的酶 - 經濟參考報
    上述兩家機構共同發表新聞公報說，生物體內的蛋白質由20種胺基酸根據DNA中包含的遺傳信息按照一定的數量和順序結合而成。目前，增加蛋白質中胺基酸的種類，特別是將自然界並不存在的人造胺基酸組合入蛋白質，人為地使蛋白質擁有多樣化的功能的相關研究正成為各國科學家關注的焦點。但是這樣的嘗試等於是試圖改變由遺傳信息決定的生命體的最根本的構成要素，實現起來非常困難。
  • 胺脫氫酶合成手性胺醇化合物研究取得進展
    手性胺醇化合物是合成較多重要藥物的前體。目前，製備該類化合物主要通過傳統化學法和生物酶拆分法，前者依賴重金屬而後者轉化率有待提高。經胺基酸脫氫酶（AADHs）定向進化而來的胺脫氫酶（AmDHs）能夠以廉價的氨作為氨基供體，不對稱還原胺化潛手性羥酮生成手性胺醇化合物，理論轉化率可達100%，且副產物只有水，是理想的綠色合成途徑。
  • 研究揭示古細菌NSun6識別tRNA底物的分子機理
    國際學術期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所王恩多研究組的最新研究成果：「Archaeal NSun6 catalyzes m5C72 modification on a wide-range of specific tRNAs」。
  • 天津工生所在胺脫氫酶合成手性胺醇化合物研究中取得進展
    手性胺醇化合物是合成較多重要藥物的前體。目前，製備該類化合物主要通過傳統化學法和生物酶拆分法，前者依賴重金屬而後者轉化率有待提高。經胺基酸脫氫酶（AADHs）定向進化而來的胺脫氫酶（AmDHs）能夠以廉價的氨作為氨基供體，不對稱還原胺化潛手性羥酮生成手性胺醇化合物，理論轉化率可達100%，且副產物只有水，是理想的綠色合成途徑。如何快速挖掘獲得高性能AmDHs是綠色生物合成手性胺醇領域面臨的難題。
  • Nature:線粒體tRNA合成酶與核酶複合體的晶體結構
    在現代生物學中，蛋白已經成為細胞中完成酶催化作用的主要角色，而核酸則仍舊扮演攜帶遺傳信息的角色。然而，在細胞內，仍然有RNA世界的遺蹟。其中一個遺蹟就是線粒體tyrosyl-tRNA合成酶CYT-18，它來自真菌鏈孢黴，也與一種group  I  intron核酶結合，並且幫助進行剪接。現在，這一蛋白/核酶複合體的晶體結構已被確定。
  • 研究揭示胺基酸接受末端在蛋白質合成中作用
    相關研究論文發表在7月20日的《核酸研究》(Nucleic Acids Research)雜誌上。 領導這一研究的是著名生物化學與分子生物學家王恩多院士，其長期從事酶學和酶與核酸的相互作用的研究，在蛋白質生物合成中關鍵的氨基醯-tRNA合成酶與tRNA相互作用的研究中做出了重要貢獻，於2005年當選為中國科學院院士。2006年當選為第三世界科學院院士。
  • 新研究揭示亞硝基化修飾調控哺乳動物蛋白質合成的速度與精確性
    例如，在細菌感染時，人細胞質甲硫氨醯-tRNA合成酶(MetRS)被磷酸化修飾，誤氨基醯化若干非tRNAMet，在非甲硫氨酸密碼子上誤參甲硫氨酸，介導適應性翻譯(adaptive translation)；在氧化應激(oxidative stress)條件下，細菌蘇氨醯-tRNA合成酶(ThrRS)編校活性位點的半胱氨酸(Cys)會被次磺酸化修飾，導致編校活性喪失，造成錯誤翻譯(mistranslation
  • 糖化學合成研究取得系列進展
    與通過基因調控的生物合成蛋白質和脫氧核糖核酸（DNA）相比，糖類化合物的生物合成不是基因調控的，而是在內質網和高爾基體中通過逐步的和酶的後翻譯修飾的過程，從而導致了糖類化合物的非均一性和極其多樣的結構。從自然界中分離提取純的和結構均一的多糖是一項非常艱巨的工作。化學合成是一種有效的和可規模化的方法來得到純的和結構確定的糖類化合物，從而可以深入研究其功能和發展新的治療藥物。
  • 茶樹葉綠體穀氨醯胺合成酶基因研究
    本研究中，研究人員從茶樹（龍井43）中分離出對葉肉組織中氮吸收至關重要的葉綠體穀氨醯胺合成酶基因（CsGS2）。CsGS2的全長cDNA為1622 bp，具有一個1299 bp的開放閱讀框，編碼432個胺基酸。同源搜索和序列分析表明，CsGS2蛋白具有標準GS2結構域的基本特徵，並且與其他植物的GS2具有高度一致性。CsGS2的亞細胞定位和免疫定位顯示它位於葉綠體中。
  • 蛋白醯化修飾調控天然產物生物合成研究取得進展
    近期，中國科學院上海藥物研究所譚敏佳課題組與華東理工大學葉邦策課題組合作研究，揭示了蛋白賴氨酸醯化修飾在天然產物的生物合成代謝通路中的調控新機制，研究工作發表在8月Cell Chemical Biology（
  • 轉運核糖核酸 tRNA的結構與功能
    在發現microRNA之前，它是最小的RNA。 tRNA的功能是轉運胺基酸，按照信使RNA的鹼基序列合成蛋白質，稱為接頭作用。20種胺基酸都有專一的轉運RNA，具有多個密碼子的胺基酸還會有多種轉運RNA。那些轉運相同胺基酸的tRNA稱為同工tRNA。據統計，原核生物有30-40種tRNA，真核生物有50-60種或更多。
  • 轉運核糖核酸(tRNA)的結構與功能
    在發現microRNA之前，它是最小的RNA。tRNA的功能是轉運胺基酸，按照信使RNA的鹼基序列合成蛋白質，稱為接頭作用。20種胺基酸都有專一的轉運RNA，具有多個密碼子的胺基酸還會有多種轉運RNA。那些轉運相同胺基酸的tRNA稱為同工tRNA。據統計，原核生物有30-40種tRNA，真核生物有50-60種或更多。
  • 趙川教授團隊有機修飾的釕納米晶體催化劑實現高效氮氣電解合成氨
    研究背景合成氨反應是催化科學領域的聖杯，在過去的一個多世紀中，三次獲得諾貝爾獎。氨的工業化合成解決了當今世界數十億人口的糧食難題，同時氨也是一種能量密度達到4.32 kW h/L 的無碳儲氫材料。目前大規模的工業合成氨依然依靠Haber-Bosch 法，在工業生產過程中，合成反應不僅消耗了全世界總耗能的2%，同時釋放出來的二氧化碳加劇了地球的溫室效應。隨著電化學技術的發展，利用電化學的手段實現常溫常壓條件下氮氣電解合成氨成為近年來研究的熱點。與傳統工業哈珀法相比，電化學合成氨的原料氮氣和水來源廣泛，同時能量可來自於再生能源，被認為是一種綠色環保研究方法。
  • 趙川教授團隊有機修飾的釕納米晶體催化劑實現高效氮氣電解合成氨
    研究背景 合成氨反應是催化科學領域的聖杯，在過去的一個多世紀中，三次獲得諾貝爾獎。氨的工業化合成解決了當今世界數十億人口的糧食難題，同時氨也是一種能量密度達到4.32 kW h/L 的無碳儲氫材料。目前大規模的工業合成氨依然依靠Haber-Bosch 法，在工業生產過程中，合成反應不僅消耗了全世界總耗能的2%，同時釋放出來的二氧化碳加劇了地球的溫室效應。隨著電化學技術的發展，利用電化學的手段實現常溫常壓條件下氮氣電解合成氨成為近年來研究的熱點。與傳統工業哈珀法相比，電化學合成氨的原料氮氣和水來源廣泛，同時能量可來自於再生能源，被認為是一種綠色環保研究方法。
  • :蛋白質合成中的質量控制
    近期Nucleic Acids Research在線發表了上海生化與細胞所王恩多研究組的研究論文：人細胞質亮氨醯-tRNA合成酶編校非對應胺基酸的模塊式途徑。為了防止潛在的蛋白質錯誤合成，某些氨基醯-tRNA合成酶具有編校功能去除錯誤活化的胺基酸或者錯誤接載的氨基醯化tRNA，通過控制蛋白質的生物合成原料的質量，對蛋白質合成進行質量控制。該實驗室已經證明亮氨醯-tRNA合成酶(LeuRS)能夠通過不依賴-或依賴tRNA轉移前編校途徑水解誤活化的非對應胺基酸，即使誤活化的胺基酸轉移到tRNA分子上也可以通過轉移後編校途徑將其水解。