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Biochemistry

生物工程学家朱听正在构建天然蛋白质合成机器的镜像

来自清华大学的科学家探讨了非天然的DNA,RNA和酶如何成为新药并帮助揭示了有关生命起源的线索

by Mark Peplow撰稿, C&EN特刊
August 27, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 34

 

虽然看似有无限的多样性,但是所有的生命都依赖于某种“偏手性”的生物分子——特别是L-氨基酸和D-核酸。 大自然很少使用这些分子的镜像版本,也就是D-氨基酸和L-核酸。 清华大学的朱听教授希望通过创造镜像DNA以及能够复制这种非天然DNA的酶、把镜像DNA转录为镜像RNA的酶、和最终能把镜像RNA翻译成蛋白的酶来填补这一领域的空白。 镜像系统可以为药物设计提供新的途径,甚至可以帮助科学家理解生命的起源。 笔者Mark Peplow也与朱教授一起踏上了“镜像之旅”。

个人信息

家乡:中国浙江省金华市

当前职位:清华大学副教授

求学及研究经历:清华大学工程力学学士(2003年);麻省理工学院(MIT)机械工程系硕士(2005年);哈佛-麻省理工健康科学与技术,生物医学工程博士(2010年)

收到的最专业的建议:当你实验室的学生比你更聪明、比你工作还要出色的时候,你才算是成功了

工作中最中意的地方:有智慧的生活

为何要从事镜像生物化学研究?

首先,镜像生物化学是一门妙趣横生的科学学科。镜像系统是独立于我们所知的生命体系的,并且两者的不同源自于生物学最基础的化学特征:手性(chirality)。镜像系统不会仅仅是生命之树上的一根枝条¬——它将会是一棵崭新的大树。

这项工作也有实际应用。举个例子,因为人体的分子机器不能识别这些镜像分子,所以镜像DNA、RNA和酶分子便会抵抗酶的分解,并且可以极大地避免触发免疫反应,从而让镜像分子成为有吸引力的候选药物。一段镜像 DNA和镜像 RNA(核酸适配体,aptamer)可折叠成三维结构并与特定的生化靶点结合; 镜像核酸适配体与镜像肽已经被开发成为治疗疾病(如,癌症)的手段。

现在在制造哪些镜像分子?

我们正试图建立分子生物学中心法则的镜像版本——DNA被复制并转录成RNA,后者被翻译成蛋白质。 我们已经完成了前两个步骤来制作镜像RNA,但最困难的步骤是将镜像RNA转化为镜像蛋白。 在自然界中,翻译是由核糖体进行的,核糖体是一种巨大的蛋白质和RNA复合物,其镜像形式的构建极富有挑战性。

短链镜像DNA的合成相对比较简单——你只需在已知的化学合成反应中使用镜像版本的DNA构建砌块。 但是构建和复制较长的镜像DNA链需要镜像酶(一种聚合酶),合成起来更棘手。

为了构建完整的镜像聚合酶,我们依赖于一种称为天然化学连接(native chemical ligation)的方法,通过末端半胱氨酸残基将多肽和合成多肽片段连接。 最初,我们与清华大学刘磊教授领导的团队合作,建立了已知最小的DNA聚合酶的镜像版本,也就是有174个氨基酸残基的非洲猪瘟病毒聚合酶X(ASFV pol X)(N. Chem. 2016, DOI:10.1038 / nchem.2517)。

该酶的效果如何?

它可以复制含有44个核苷酸的镜像 DNA链,并且还可以将6个核苷酸的短镜像DNA序列转录成镜像RNA。 这种聚合酶效率很低,热稳定性差。 我们的第二次努力是制造一种更有效的镜像聚合酶,称为Dpo4(Cell Discovery 2017,DOI:10.1038 / celldisc.2017.37)。

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Dpo4具有热稳定性,因此可以在聚合酶链式反应(PCR,现代分子生物学中一项至关重要的技术)中反复使用,用以放大指定的镜像DNA序列。 Dpo4是已知能够进行PCR的最小的聚合酶:从实用的角度来看,它的效率比我们的第一代酶要高得多。

问题是Dpo4的氨基酸序列不适合天然化学连接。 为了解决这个问题,我们将酶突变为包含更多的半胱氨酸或丙氨酸,使其合成更容易,但不会影响聚合酶的活性。 合成的Dpo4具有358个d-氨基酸残基,是迄今为止报道的最大的化学合成蛋白质。 该镜像 Dpo4变体能够聚合一段由120个核苷酸所构成的镜像DNA链,用于编码核糖体的一个组分。最近,Noxxon Pharma公司的Sven Klussmann领导的小组独立构建了一个不同的镜像 Dpo4的突变体版本,也同样使用了天然化学连接(Nucleic Acids Res. 2017,DOI:10.1093 / nar / gkx079)。

接下来您打算怎样探索镜像世界?

为了翻译成蛋白质,我们计划构建核糖体的镜像版本。 通过将镜像RNA翻译成镜像蛋白,包括镜像核糖体本身的构建砌块,我们可以建立一个完整的镜像自我复制系统。

请谈谈您这些研究的实际应用。

我们刚刚发表了一种镜像DNA测序的简单方法(Cell Chem. Biol. 2018,DOI:10.1016 / j.chembiol.2018.06.005)。 镜像 DNA测序有许多很炫酷的用武之地,例如在地球或其他行星上寻找其他形式的生命,这些生命可能具有不同于我们在地球上发现的分子的手性,以及开发用于治疗目的的镜像 DNA核酸适配体。

研究人员正积极开发用于疾病治疗的镜像核酸适配体和镜像肽候选药物。 目前,他们所用的开发方式是通过合成生物靶点的镜像版本,并找到与其结合的正常核酸适配体或肽链。 然后他们“翻转”整个系统以产生镜像核酸适配体或镜像肽,而后者将可以结合天然靶点。 现在,通过镜像 PCR和镜像 DNA测序,我们希望建立一种直接筛选它们的新方法。 为了找到具有治疗潜力的镜像核酸适配体,你可以大量合成它们,选出那些与靶点结合的核酸适配体,并对它们进行测序,以确定你得到的产物是什么。

请问您的研究能帮助回答“为何生物只使用某种形式的镜像分子”这个问题吗?

我认为构建镜像生物系统的努力并没有帮助我们直接解释生物学上如何使用一组特定的手性构建砌块。 事实上,我们的工作可能会让这个问题更加让人困惑,特别是如果镜像生物学也能正常工作——到目前为止看起来确实如此。

但镜像系统可以帮助我们在实验室探索生命起源。 称为核酶的催化性RNA分子可能是生物起源时自我复制系统的基础。 例如,这些核酶的镜像版本将抵抗自然界中核酸酶的降解,因此我们可以长时间研究它们的进化而不必担心其被污染。

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Mark Peplow 是一位自由撰稿人。本文最先刊登于于ACS Central Science: cenm.ag/zhu. 。出于篇幅和背景信息的原因,特对该访谈进行了编辑。

 

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