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使用重编程起始密码子和无义密码子对三种不同的非天然氨基酸进行遗传编码。

Genetic Encoding of Three Distinct Noncanonical Amino Acids Using Reprogrammed Initiator and Nonsense Codons.

出版信息

ACS Chem Biol. 2021 Apr 16;16(4):766-774. doi: 10.1021/acschembio.1c00120. Epub 2021 Mar 16.

Abstract

We recently described an orthogonal initiator tRNA (tRNA) that can initiate protein synthesis with noncanonical amino acids (ncAAs) in response to the UAG nonsense codon. Here, we report that a mutant of tRNA (tRNA) can efficiently initiate translation in response to the UAU tyrosine codon, giving rise to proteins with an ncAA at their N-terminus. We show that, in cells expressing tRNA, UAU can function as a dual-use codon that selectively encodes ncAAs at the initiating position and predominantly tyrosine at elongating positions. Using tRNA, in conjunction with its cognate tyrosyl-tRNA synthetase and two mutually orthogonal pyrrolysyl-tRNA synthetases, we demonstrate that UAU can be reassigned along with UAG or UAA to encode two distinct ncAAs in the same protein. Furthermore, by engineering the substrate specificity of one of the pyrrolysyl-tRNA synthetases, we developed a triply orthogonal system that enables simultaneous reassignment of UAU, UAG, and UAA to produce proteins containing three distinct ncAAs at precisely defined sites. To showcase the utility of this system, we produced proteins containing two or three ncAAs, with unique bioorthogonal functional groups, and demonstrate that these proteins can be separately modified with multiple fluorescent probes.

摘要

我们最近描述了一种正交起始 tRNA(tRNA),它可以响应 UAG 无意义密码子,用非天然氨基酸(ncAA)起始蛋白质合成。在这里,我们报告说 tRNA(tRNA)的突变体能有效地响应 UAU 酪氨酸密码子启动翻译,从而在 N 端产生带有 ncAA 的蛋白质。我们表明,在表达 tRNA 的细胞中,UAU 可以作为两用密码子,选择性地在起始位置编码 ncAA,而在延伸位置主要编码酪氨酸。我们使用 tRNA 及其对应的酪氨酸-tRNA 合成酶和两种相互正交的吡咯赖氨酸-tRNA 合成酶,证明 UAU 可以与 UAG 或 UAA 一起重新分配,以在同一蛋白质中编码两个不同的 ncAA。此外,通过工程改造其中一种吡咯赖氨酸-tRNA 合成酶的底物特异性,我们开发了一个三重正交系统,能够同时重新分配 UAU、UAG 和 UAA,以在精确定义的位置产生含有三个不同 ncAA 的蛋白质。为了展示该系统的实用性,我们生成了含有两个或三个 ncAA 的蛋白质,具有独特的生物正交官能团,并证明这些蛋白质可以用多个荧光探针分别进行修饰。

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