● 获奖工作介绍 ●

公认的遗传密码包括64种密码子，编码20种氨基酸和3种终止信号。它保存在生命的三界里。遗传密码的起源，究竟是一种：“确凿的意外事件”，还是编码较少种类氨基酸的原始密码的一种扩展，目前仍然是一个谜。尽管蛋白质完成了生命的复杂过程的大部分，另外的构建材料(building blocks)仍然是需要的：有些功能要靠转译后修饰或辅因子，还有许多包含罕见氨基酸的重要多肽不是在核糖体上合成的。为什么只有20种氨基酸而不是更多？为什么遗传密码独独选择编码这20种氨基酸？自然界编码了两种另外的氨基酸：硒半胱氨酸(See)和吡咯赖氨酸(Py1)，是以一种与众不同的方式在有限的蛋白质中编码的：硒半胱氨酸-tRNA-硒半胱氨酸(Sec-tRNASec)。

从预载的丝氨酸-tRNA-硒半胱氨酸(Ser-tRNASec)转化而成的。为了把Sec结合进各种蛋白质，还需要一些特殊的mRNA元件和延长因子。Py1似乎也是由相似的机制结合进蛋白质的。那么，自然界在结合Sec和Py1的时候，为什么不简单地采用直接将氨基酸上载到它们的同源tRNA上的标准机制呢？

在我的研究生研究中，我采用一种模拟普通氨基酸编码方式的策略，来探索遗传密码是否可以得到扩展，以适应于另外的氨基酸。为了达此目的，需要生成能够唯一-地结合一种非天然氨基酸的一种新tRNA密码子对和一种氨酰tRNA合成酶(aaRS)。这些新的组分应该与内源性组分正交，以避免交联(crosstalk)，还应该与转译器件一起有效地完成转译功能。

过去，设计一种从mRNA链上释放的新的密码子-tRAN-aaRS是近乎不可能的，因为进化已使它们之间的相互作用十分精致，从而保证了转译的准确性。我的方法因而是借用的和工程化的。我选择了大肠杆菌为宿主菌，并应用琥珀无义密码子UAG来编码一种非天然氨基酸。

由此，大肠杆菌的遗传密码首次得到了扩展。该方法学应该普适于各种非天然氨基酸。

这些结果表明遗传密码确实可以使用自然的技术得到进一步扩展，这种自然的技术即：通过合成酶将氨基酸上载到同源tRNA上，尽管自然界并没有在第21种氨基酸上重复这种方法。

这种扩展可能再现一些常见氨基酸是如何加入遗传密码的编码谱的，提示在遗传密码起源上就包含有一种增量扩展。在包含有UAG编码的一种非天然氨基酸的大肠杆菌细胞中观察不到任何毒副作用，这一事实支持了密码子二次分配的假说。为了探究向遗传密码编码的全套(天然)氨基酸中增加新的氨基酸的进化后果，一种完全自发的含有21种氨基酸的细菌生成了，它从碱性碳源中生物合成p-氨基-L-苯丙氨酸并将其结合进蛋白质分子中可以应答于UAG密码子。该生物(细菌)在选择性压力下的定向进化问题尚在研究中，有可能对附加氨基酸是否带来一种进化优势提供新的视野。

遗传编码的新氨基酸使得示踪活细胞中蛋白质的变化成为可能，因此，蛋白质的结构和功能就不仅可以在体外(离体，in vitro)进行研究，而且可以直接在体内(在体，in vivo)进行研究。应用相同的方法和体系，我们接下来在大肠杆菌中编码了多达13种具有新功能特征的非天然氨基酸。例如，多能酮基被遗传编码成为p-乙酰-L-苯丙氨酸。它可以成为一种独特的化学处理剂使蛋白质能选择性地用荧光体标记用于成像，用生物素标记用于检测，用碳水化合物标记用于生成同源糖蛋白类似物。其它试剂如自旋标记物、金属螯合剂、交联剂、聚醚类、脂肪酸和毒素类都可以以相似的方法进行标记。两种荷重原子的氨基酸(p-溴-L-苯丙氨酸和p-碘-L-苯丙氨酸)被以特定位点结合进不同的蛋白质，为制备各种蛋白质的同晶型重原子衍生物用于晶体学研究，提供了一种可靠的方法。

这些新构建材料的获得，可能导致产生以前从未存在过的蛋白质的特性。在一项初步的试验中，绿荧光蛋白(GFP)的Tyr66(66位上的酪氨酸)被用几种酪氨酸类似物所替代，导致突变本GFPs产生从蓝到青到绿的发射(光谱)，还产生了其它新的光谱特性。通过理性设计(rational design)或者定向蛋白质进化而得到的内在体(in vivo)非天然氨基酸突变形成应该可以大大扩展蛋白质工程的影响范围和影响力。

总之，我的学位论文研究证明遗传密码可以得到扩展，以编码新的氨基酸。该方法学可以普适于不同的氨基酸种类和不同的细胞种类。它为遗传密码的进化研究提供了一种新的途径，为分子生物学家们和细胞生物学家们同时在离体和在体两个层面上研究蛋白质和细胞功能提供了强有力的工具。有了遗传编码的附加构建材料，我们就可以进化得到具有增强性能或者新性能的蛋白质种类乃至生物体种类。

[李伟/摘译]