Science：耶鲁大学干预大肠细菌蛋白质制造过程

2011/09/13 15:02:43

据美国物理学家组织网近日报道，美国科学家通过扩展大肠杆菌的遗传代码，成功地修改了大肠杆菌的蛋白质制造机制，科学家们可借此合成出能模拟自然状态或疾病状态的蛋白质形式，从而有望彻底改变很多疾病研究和治疗的现状。相关研究发表在近期的《科学》杂志上。

自从上世纪50年代揭示了DNA（脱氧核糖核酸）的结构后，科学家们一直试图厘清遗传代码的“个性”，几十年研究和合成生物学领域新近取得的突破让科学家能修改生物有机体内的遗传代码，甚至修改生命的“配方”。

该耶鲁大学研究团队在分子生物物理学和生物化学教授迪特·索舍尔的领导下，找到了一种可影响蛋白质行为的新方法。蛋白质几乎能执行生命的所有功能。研究团队通过诱导磷酸化过程——出现于所有生命形式中的一个基本过程，显著改变了蛋白质的功能。蛋白质磷酸化的指导规则并没有直接编入DNA中，而是出现于蛋白质制造出来之后。因此，他们扩展了大肠杆菌的遗传代码，将磷酸丝氨酸涵盖进DNA中，修改了这些规则，从而首次通过DNA引导了蛋白质的磷酸化过程。

现在，新技术使科学家们能用人体蛋白质天然出现的磷酸化状态制造出蛋白质，这个磷酸化状态对科学家们理解疾病过程非常重要。以前，科学家们无法在蛋白质的磷酸化状态或激活状态下研究蛋白质，阻碍了他们对癌症的研究，而癌症的标志就是大量的蛋白质激活状态遭到破坏。

该研究的合作者之一、耶鲁大学细胞和分子生理学教授杰西·莱因哈特表示：“我们做的事情就是摆弄打开或关闭蛋白质的生物开关，借此，我们获得了一种研究疾病并研制出新药的全新方式。”

索舍尔和莱因哈特现正在尝试制造出与癌症、Ⅱ型糖尿病和高血压有关的蛋白质，不过，他们也强调，最新技术可用来制造任何类型的蛋白质。

美国国家卫生研究院（NIH）国家医学科学研究院监督蛋白质合成的负责人迈克尔·宾德表示，最新研究提供了一个强大的工具，科学家们可借此揭示细胞如何调控包括细胞分裂、分化和新陈代谢等在内的很多过程。

Expanding the Genetic Code of Escherichia coli with Phosphoserine

Hee-Sung Park, Michael J. Hohn, Takuya Umehara, Li-Tao Guo, Edith M. Osborne, Jack Benner, Christopher J. Noren, Jesse Rinehart, Dieter Söll

Science, 2011, 333(6046) : 1151-1154. doi: 10.1126/science.1207203

O-Phosphoserine (Sep), the most abundant phosphoamino acid in the eukaryotic phosphoproteome, is not encoded in the genetic code, but synthesized posttranslationally. Here, we present an engineered system for specific cotranslational Sep incorporation (directed by UAG) into any desired position in a protein by an Escherichia coli strain that harbors a Sep-accepting transfer RNA (tRNASep), its cognate Sep–tRNA synthetase (SepRS), and an engineered EF-Tu (EF-Sep). Expanding the genetic code rested on reengineering EF-Tu to relax its quality-control function and permit Sep-tRNASep binding. To test our system, we synthesized the activated form of human mitogen-activated ERK activating kinase 1 (MEK1) with either one or two Sep residues cotranslationally inserted in their canonical positions (Sep218, Sep222). This system has general utility in protein engineering, molecular biology, and disease research.