客戶成果刊登Nature | 北大伊成器/陳鵬團隊合作開發全新RNA密碼子擴展策略
文章索引
【期刊】Nature
【IF】中科院一區48.5
【DOI】10.1038/s41586-025-09165-x
【關鍵詞】RNA密碼子擴展；假尿嘧啶；非天然氨基酸；可編程RNA編輯
生命的運轉依賴於一套精密的編碼係統“遺傳密碼”。這套係統由64組密碼子構成，每個密碼子對應特定的氨基酸或終止信號，最終指導細胞合成功能蛋白質。然而，這套係統隻能編程20種標準氨基酸，為了突破這一瓶頸，科學家們一直致力於開發遺傳密碼擴展（genetic code expansion，GCE）技術，通過重新分配終止密碼子來引入非天然氨基酸（ncAA），從cong而er賦fu予yu蛋dan白bai質zhi新xin的de化hua學xue性xing質zhi和he生sheng物wu功gong能neng。在zai哺bu乳ru動dong物wu細xi胞bao中zhong，重zhong新xin分fen配pei的de終zhong止zhi密mi碼ma子zi會hui與yu細xi胞bao內nei源yuan性xing轉zhuan錄lu本ben的de翻fan譯yi終zhong止zhi過guo程cheng產chan生sheng衝chong突tu，導dao致zhi全quan轉zhuan錄lu組zu範fan圍wei內nei的de非fei特te異yi性xing通tong讀du事shi件jian。這zhe種zhong"串擾"不僅降低了ncAA摻入的特異性，還可能引發不可預測的細胞毒性和功能異常。
RNA作為遺傳信息的傳遞媒介，具有DNA所不具備的獨特優勢。與DNA不同，RNA分子不承擔遺傳信息存儲的重任，因此在結構和功能上具有更大的可塑性。細胞內存在超過170多種RNA化學修飾，這些修飾能夠動態調節RNA的穩定性、結構構象以及與蛋白質的相互作用，為創造新的遺傳編碼單元提供了豐富的化學工具箱。
基於此，核心科學問題應運而生：我們能否利用一種可編程的RNA修飾，來構建一個全新的、與天然翻譯體係完全隔離的密碼子-tRNA解碼對，從而從根本上解決傳統GCE技術的脫靶問題，實現真正“無痕”的蛋白質編程？
圖引自北京大學公眾號
2025年6月25日，北京大學伊成器教授課題組和陳鵬教授課題組（北京大學前沿交叉學科研究院2019級博士研究生劉江樂、北京大學生命科學學院博士後閆學青博士、前沿交叉學科研究院2020級博士研究生烏浩為本文的共同第一作者）在《Nature》發表題為“RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding”的突破性研究成果。研究團隊通過RNA假尿嘧啶（Ψ）修飾的定點編程，首次構建並編碼三個全新的Ψ-密碼子（Ψ codon），建立可編程的RNA密碼子擴展（RNA codon-expansion，RCE）係統。這一策略從根本上繞開了傳統遺傳密碼擴展技術的脫靶問題，實現了在哺乳動物細胞中對ncAA超高精度的定點整合與蛋白質功能調控。
RNA密碼子擴展係統示意圖
研究內容分為兩大模塊：編碼與解碼
1. 編碼模塊：可編程創建Ψ-密碼子
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研究團隊利用引導RNA（gsnoRNA）介導的RESTART係統，實現了在特定mRNA的目標位點上將尿嘧啶（U）高效、精準地轉化為Ψ。
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重點驗證了UGA到ΨGA的轉化。研究證明該Ψ修飾的寫入效率高且穩定，並且全轉錄組範圍內的脫靶編輯率極低。
2. 解碼模塊：篩選特異性解碼tRNA
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為解決ΨGA的解碼問題，研究團隊對天然吡咯賴氨酸tRNA（tRNAPyl）的抗密碼子莖環區（ASL）進行了係統性突變篩選。
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成功篩選出能優先識別ΨGA而非天然UGA的工程化tRNA [(ΨGA)-tRNAPyl）]。結構模擬表明，特定位點（如37位）的突變增強了與ΨGA密碼子的配對穩定性。
RCE策略示意圖
係統性地證實了
RCE係統具有更高的全局特異性
為評估RCE係統的保真度，研究團隊從三個層麵進行了全景式組學分析：
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在編碼層麵，利用先前開發的PRAISE測序技術發現，RCE係統在全轉錄組中僅引起極少數脫靶Ψ修飾，且關鍵的內源終止密碼子上未發生任何脫靶編輯。
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在翻譯層麵，通過核糖體譜（Ribo-seq由表觀生物提供）分析直接比較顯示，RCE係統在全翻譯組範圍內引起的背景通讀水平顯著低於傳統的GCE技術，證明其解碼過程幹擾更小。
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在蛋白質產物層麵，利用基於生物正交反應的蛋白質組學分析發現，RCE係統產生的脫靶蛋白質種類和數量也遠少於GCE，並且GO富集分析顯示其基本不幹擾細胞內源的生物學通路。
成功將RCE係統平台化
並證明了多重密碼子的正交性
研究團隊進一步證明了RCE策略的可擴展性。他們采用類似的tRNA篩選方法，成功開發了另外兩種分別針對ΨAA和ΨAG密碼子的特異性解碼tRNA。更重要的是，交叉反應實驗證實，這三套Ψ-密碼子及其對應的tRNA解碼器之間相互正交，彼此不存在交叉識別，這為未來在同一蛋白質中同時引入多種不同ncAA，進行更複雜的蛋白質功能設計奠定了堅實基礎。
充分展示了RCE係統
在精準調控蛋白質功能中的應用價值
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通過在Src激酶的催化中心精準插入反式環辛烯-賴氨酸（TCOK），構建化學籠屏蔽型激酶突變體，成功實現了對激酶活性的可逆化學開關控製。磷酸化蛋白質組學分析清晰地捕捉到了激酶被激活後的下遊信號通路變化，證實了調控的有效性。
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此外，該係統也被成功應用於p53蛋白，通過在其關鍵的核定位序列（NLS）上插入TCOK，實現了對其亞細胞定位的時空特異性操控，進一步證明了RCE技術的通用性和可靠性。
總 結
綜上，該研究成功建立一套RNA密碼子擴展的新策略：RCE，用於在哺乳動物中實現高精度、低脫靶的ncAA定點整合。
RCE策略的核心在於：①可編程的RNA編碼：利用gsnoRNA技術，在特定mRNA位點將天然U轉化為Ψ修飾，創造出Ψ-密碼子；②特異性RNA解碼：通過篩選獲得能夠選擇性識別這些Ψ-密碼子的工程化tRNA；③精準ncAA整合：配套的氨酰-tRNA合成酶將ncAA加載到特異性tRNA上，最終實現ncAA在目標蛋白中的精準插入。
該策略顯著克服傳統GCE技術麵臨的脫靶通讀問題，展現了超高的轉錄組和蛋白組特異性，並可與GCE技術兼容，實現雙重ncAA編碼。為深入研究和調控蛋白質功能提供了強大的新工具。
