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生命如同一臺(tái)精密的生物計(jì)算機(jī)，其核心編程語言由DNA分子中 A、T、C、G 四種堿基構(gòu)成的64組密碼子組成。這些遺傳密碼通過 RNA 介導(dǎo)的翻譯過程，指導(dǎo)細(xì)胞利用20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸合成功能各異的蛋白質(zhì)。突破這一天然遺傳密碼的限制，將開啟生命編程的新維度，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來革命性變革。

傳統(tǒng)的 DNA 密碼子擴(kuò)展技術(shù)在真核生物系統(tǒng)中存在引發(fā)終止密碼子通讀等安全性問題1。這促使科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向更具可塑性的 RNA 分子。RNA 不僅擺脫了 DNA 的復(fù)制與修復(fù)限制，其天然存在的 170 余種化學(xué)修飾更為遺傳密碼的工程化改造提供了豐富素材。

2025年6月25日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的陳鵬團(tuán)隊(duì)和生命科學(xué)學(xué)院伊成器團(tuán)隊(duì)合作在 Nature 發(fā)表題為RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding 的論文，通過 RNA 假尿嘧啶 Ψ 修飾的定點(diǎn)編程，首次創(chuàng)造并編碼了三個(gè) ΨCodon “密碼子”，進(jìn)一步篩選并獲得了選擇性解碼 ΨCodon 的 tRNA 。該方法成功構(gòu)建了一套基于RNA修飾的新型編程語言，突破了64種密碼子和20種天然氨基酸的“中心法則”限制，可驅(qū)動(dòng)活細(xì)胞將非天然氨基酸定點(diǎn)、精準(zhǔn)融入蛋白質(zhì)的生物合成，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)“定制合成”，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)紛繁復(fù)雜的蛋白質(zhì)“變體”的精準(zhǔn)體內(nèi)合成和原位研究。這不僅拓展了生命系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間，更為合成生物學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)開辟了新路徑。通過重構(gòu)生命的信息處理原件，生命編程的基本范式正在被改寫。

RNA 密碼子拓展技術(shù)：編碼和解碼全新的RNA密碼子

該研究通過開發(fā)新型 RNA 密碼子系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng) DNA 遺傳密碼的 64 種密碼子限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非天然氨基酸的精準(zhǔn)編碼與解碼。研究團(tuán)隊(duì)采用序列特異性的假尿苷（Ψ）修飾技術(shù)，利用向?qū)?RNA 在目標(biāo)轉(zhuǎn)錄本的 UGA 終止密碼子上引入 Ψ 修飾，成功構(gòu)建了新型人工密碼子"ΨGA"（這類修飾的終止密碼子統(tǒng)稱為 ΨCodon ），為蛋白質(zhì)的定制合成和工程改造提供了全新的編碼工具（圖1）。

為實(shí)現(xiàn) ΨCodon 的高效解碼，研究者基于合成酶-tRNA 的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了飽和單點(diǎn)突變文庫，并通過篩選獲得了具有高度密碼子偏好性的 tRNA 變體（ΨGA-tRNAPyl）。該 tRNA 變體在多種報(bào)告系統(tǒng)中均表現(xiàn)出對(duì) ΨGA 的特異性識(shí)別能力，確保其解碼過程不會(huì)干擾天然 UGA 終止密碼子的正常功能。最終，通過整合 ΨGA 編碼模塊與 ΨGA-tRNAPyl 解碼模塊，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了 RCE(ΨGA) 系統(tǒng)，為人工設(shè)計(jì)功能性蛋白質(zhì)開辟了新途徑。

　　圖1. RNA 密碼子拓展策略示意圖。該策略包含編碼和解碼兩個(gè)核心過程，從而實(shí)現(xiàn)非天然氨基酸的特異性插入。

RCE系統(tǒng)具有更高的全局特異性

成功構(gòu)建 RCE(ΨGA) 系統(tǒng)后，研究團(tuán)隊(duì)采用多種組學(xué)方式對(duì)該技術(shù)的全局特異性進(jìn)行了系統(tǒng)性驗(yàn)證。首先，通過前期開發(fā)的Ψ修飾測序技術(shù) "PRAISE"，在全轉(zhuǎn)錄組水平檢測發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)僅產(chǎn)生少量脫靶修飾，且未影響正常終止密碼子。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)采用核糖體分析技術(shù)評(píng)估翻譯組特異性，結(jié)果顯示 RCE 系統(tǒng)能精準(zhǔn)識(shí)別 ΨGA 密碼子進(jìn)行翻譯，同時(shí)全轉(zhuǎn)錄組中 UGA 密碼子的非特異性通讀率顯著低于傳統(tǒng)遺傳密碼擴(kuò)展技術(shù)（Genetic Code Expansion）。

為全面評(píng)估翻譯產(chǎn)物的特異性，研究團(tuán)隊(duì)利用利用非天然氨基酸TetBu分子的四嗪基團(tuán)，與反式環(huán)辛烯偶聯(lián)的生物素分子的成鍵反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了全蛋白質(zhì)組范圍內(nèi)非天然氨基酸插入位點(diǎn)的精準(zhǔn)檢測。蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，RCE系統(tǒng)的脫靶蛋白數(shù)量較傳統(tǒng)GCE技術(shù)顯著減少，GO功能富集分析進(jìn)一步證實(shí)其對(duì)關(guān)鍵生物學(xué)通路無明顯干擾（圖2）。

綜合轉(zhuǎn)錄組、翻譯組和蛋白質(zhì)組三個(gè)層面的分析結(jié)果，充分證明 RCE 技術(shù)通過 Ψ 修飾密碼子的特異性編解碼，實(shí)現(xiàn)了非天然氨基酸的高精準(zhǔn)插入并顯著降低了脫靶效應(yīng)。

　　圖2. 蛋白質(zhì)組分析顯示RCE系統(tǒng)在全蛋白質(zhì)組中具有全局特異性。

RCE密碼子的拓展

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展了 RCE 系統(tǒng)的密碼子范圍。通過采用與 ΨGA-tRNA^Pyl 類似的篩選策略，成功獲得了針對(duì) ΨAA 和 ΨAG 密碼子的特異性 tRNA 解碼器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，這三種 tRNA 解碼器（ΨGA-tRNA^Pyl、ΨAA-tRNA^Pyl和ΨAG-tRNA^Pyl）表現(xiàn)出優(yōu)異的正交性：每個(gè)解碼器僅識(shí)別其對(duì)應(yīng)的 ΨCodon ，而不會(huì)通讀其他類型的 Ψ 修飾密碼子（圖3）。

　　圖3. 三對(duì) ΨCodon: (ΨCodon)-tRNAPyl 具有專一性，兩兩正交。

RCE系統(tǒng)的應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)通過 RCE 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)功能的精準(zhǔn)調(diào)控。以 Src 激酶為研究對(duì)象，研究人員在其催化活性中心特異性插入含反式環(huán)辛烯基團(tuán)的非天然賴氨酸（TCOK），成功構(gòu)建了化學(xué)可激活的激酶突變體。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)能高效識(shí)別 ΨGA 密碼子并準(zhǔn)確插入 TCOK ，形成活性被暫時(shí)"鎖定"的激酶。當(dāng)加入四嗪（Tz）分子后，TCOK 被剪切恢復(fù)為天然賴氨酸，從而釋放激酶活性。通過免疫印跡和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精確調(diào)控能力，證明 RCE 系統(tǒng)特異、高效地實(shí)現(xiàn)功能性非天然氨基酸的插入。

　　圖4. RCE系統(tǒng)特異、高效地實(shí)現(xiàn)功能性非天然氨基酸的插入從而調(diào)控Src激酶活性。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了 RCE 系統(tǒng)的普適性，成功利用 ΨAG 密碼子及其對(duì)應(yīng) tRNA 解碼器，在腫瘤抑制蛋白 p53 的關(guān)鍵核定位序列中精準(zhǔn)插入TCOK非天然氨基酸。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì) p53 蛋白入核過程的時(shí)空特異性化學(xué)操控。這一突破性進(jìn)展不僅體現(xiàn)了RCE系統(tǒng)在蛋白質(zhì)工程中的應(yīng)用前景，更為合成生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究提供了全新的工具平臺(tái)。

本研究通過開發(fā) ΨGA、ΨAA 和 ΨAG 三種新型RNA 密碼子，建立了具有高度特異性的遺傳密碼擴(kuò)展系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非天然氨基酸的精準(zhǔn)插入，并支持具有化學(xué)成鍵/斷鍵活性的功能基團(tuán)整合，為蛋白質(zhì)在活細(xì)胞內(nèi)的定制合成和工程改造提供了全新策略。這項(xiàng)研究不僅突破了天然遺傳密碼的限制，更為合成生物學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究提供了革命性的工具平臺(tái)，為未來設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)和開發(fā)新型生物療法奠定了重要基礎(chǔ)。

陳鵬教授、伊成器教授為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2019級(jí)博士研究生劉江樂、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后閆學(xué)青博士、前沿交叉學(xué)科研究院2020級(jí)博士研究生烏浩為本文的共同第一作者。

本工作獲得科技部、農(nóng)業(yè)部、國家自然科學(xué)基金委、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、北京分子科學(xué)國家研究中心、新基石基金會(huì)和科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目的支持。

此外，北京大學(xué)核糖核酸北京研究中心和北京科學(xué)智能研究院溫翰研究員提供了核酸分子理論計(jì)算的專業(yè)指導(dǎo)意見；上?？萍即髮W(xué)劉如娟課題組也在核酸分子生化檢測方面做出了重要貢獻(xiàn)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09165-x