扩增哺乳动物细胞的遗传密码

　　

生物通报道：7月《Nature Neuroscience》杂志一篇重量级文章报道：Salk研究所科研人员最近研制出一种新策略，能够扩展哺乳动物细胞中20种氨基酸的天然性质，并将人造的氨基酸插入哺乳动物蛋白中。研究人员还利用非天然氨基酸确定了神经细胞钾离子通道的功能机制。

研究小组带头人、Lei Wang副教授说，将非天然氨基酸整合到蛋白中过去大多是在细菌或酵母中进行，利用哺乳动物细胞绝对是项挑战。但许多生物医学问题只有在高等生物的细胞和动物模型中进行研究才有意义。

遗传密码包括64个密码子，负责编码20种氨基酸和三个终止信号。扩充密码和插入非天然氨基酸不仅极大地提高了研究能力，而且提供了解决传统方法所不能解决的问题的工具。Paul A. Slesinger副教授介绍，用传统突变方法向钾离子通道蛋白引入突变，都没能解释钾离子通道的机制，通过向活体哺乳动物细胞引入大量的非天然氨基酸，改善了研究现状。Wang在研究生阶段就尝试向细菌基因组加入人造氨基酸。他的方法与将天然氨基酸整合入蛋白的方法相似：蛋白合成过程种，氨基酸被tRNA按照遗传密码的指令一个接一个地添加到正在生长的蛋白链上，直到遇到终止密码子，因为终止密码子没有相应的tRNA /氨基酸存在。

Wang从aminoacyl-tRNA合成酶（帮助氨基酸转移到相应的tRNA上）突变数据库中，选出一种能够帮助人造tRNA转移到识别终止密码子的tRNA上的aminoacyl-tRNA合成酶。每次遇到终止密码子时，新的tRNA会将人造氨基酸插到蛋白链上。

对哺乳动物细胞中进行相似的操作就没有这么容易了。第一，哺乳动物细胞中没有细菌tRNA，所以简单地将细菌基因插入哺乳动物细胞并不奏效；第二，在细菌和酵母中很容易筛选大量的aminoacyl-tRNA合成酶，但在哺乳动物细胞中却不能进行相同的途径。Wang与其同事跨过了这两道障碍。首先，他们利用H1启动子强迫哺乳动物细胞表达细菌tRNA，克服了第一道障碍。然后利用酵母寻找能够识别tRNA和附着正确的非天然氨基酸的合成酶，跨过了第二道障碍。用酵母寻找目的酶，然后在哺乳动物细胞中寻找与之相应的酶，虽然听起来不可思议，但同属真核生物的tRNA合成酶的工作机制大致相似。

接下来，Wang与脑离子通道研究专家Slesinger利用绿色荧光蛋白，证明这种技术能够解决其它难处理的生物学问题，比如钾离子通道的性质。当信号穿过神经细胞时，钾离子通道Kv1.4（属于fast-inactivating离子通道）暂时敞开，然后快速关闭。结构研究结果显示如同穿针引线一样，通道灵活的头部穿过小口，堵塞通道的中孔。Wang和Slesinger利用非天然的氨基酸作为分子标尺，研究增加线的直径对失活的速度有无影响。他们预计向细线引入突变，使线粗到不能穿过孔。天然氨基酸没有引起任何不同，但是人造氨基酸给出了答案：失活过程变得很慢，提示柔韧头部的直径在这种通道的快速失活过程中发挥关键作用。（生物通 小粥）