客户成果刊登Nature | 北大伊成器/陈鹏团队合作开发全新RNA密码子扩展策略
文章索引
【期刊】Nature
【IF】中科院一区48.5
【DOI】10.1038/s41586-025-09165-x
【关键词】RNA密码子扩展；假尿嘧啶；非天然氨基酸；可编程RNA编辑
生命的运转依赖于一套精密的编码系统“遗传密码”。这套系统由64组密码子构成，每个密码子对应特定的氨基酸或终止信号，最终指导细胞合成功能蛋白质。然而，这套系统只能编程20种标准氨基酸，为了突破这一瓶颈，科学家们一直致力于开发遗传密码扩展（genetic code expansion，GCE）技术，通过重新分配终止密码子来引入非天然氨基酸（ncAA），从而赋予蛋白质新的化学性质和生物功能。在哺乳动物细胞中，重新分配的终止密码子会与细胞内源性转录本的翻译终止过程产生冲突，导致全转录组范围内的非特异性通读事件。这种"串扰"不仅降低了ncAA掺入的特异性，还可能引发不可预测的细胞毒性和功能异常。
RNA作为遗传信息的传递媒介，具有DNA所不具备的独特优势。与DNA不同，RNA分子不承担遗传信息存储的重任，因此在结构和功能上具有更大的可塑性。细胞内存在超过170多种RNA化学修饰，这些修饰能够动态调节RNA的稳定性、结构构象以及与蛋白质的相互作用，为创造新的遗传编码单元提供了丰富的化学工具箱。
基于此，核心科学问题应运而生：我们能否利用一种可编程的RNA修饰，来构建一个全新的、与天然翻译体系完全隔离的密码子-tRNA解码对，从而从根本上解决传统GCE技术的脱靶问题，实现真正“无痕”的蛋白质编程？
图引自北京大学公众号
2025年6月25日，北京大学伊成器教授课题组和陈鹏教授课题组（北京大学前沿交叉学科研究院2019级博士研究生刘江乐、北京大学生命科学学院博士后闫学青博士、前沿交叉学科研究院2020级博士研究生乌浩为本文的共同第一作者）在《Nature》发表题为“RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding”的突破性研究成果。研究团队通过RNA假尿嘧啶（Ψ）修饰的定点编程，首次构建并编码三个全新的Ψ-密码子（Ψ codon），建立可编程的RNA密码子扩展（RNA codon-expansion，RCE）系统。这一策略从根本上绕开了传统遗传密码扩展技术的脱靶问题，实现了在哺乳动物细胞中对ncAA超高精度的定点整合与蛋白质功能调控。
RNA密码子扩展系统示意图
研究内容分为两大模块：编码与解码
1. 编码模块：可编程创建Ψ-密码子
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研究团队利用引导RNA（gsnoRNA）介导的RESTART系统，实现了在特定mRNA的目标位点上将尿嘧啶（U）高效、精准地转化为Ψ。
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重点验证了UGA到ΨGA的转化。研究证明该Ψ修饰的写入效率高且稳定，并且全转录组范围内的脱靶编辑率极低。
2. 解码模块：筛选特异性解码tRNA
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为解决ΨGA的解码问题，研究团队对天然吡咯赖氨酸tRNA（tRNAPyl）的抗密码子茎环区（ASL）进行了系统性突变筛选。
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成功筛选出能优先识别ΨGA而非天然UGA的工程化tRNA [(ΨGA)-tRNAPyl）]。结构模拟表明，特定位点（如37位）的突变增强了与ΨGA密码子的配对稳定性。
RCE策略示意图
系统性地证实了
RCE系统具有更高的全局特异性
为评估RCE系统的保真度，研究团队从三个层面进行了全景式组学分析：
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在编码层面，利用先前开发的PRAISE测序技术发现，RCE系统在全转录组中仅引起极少数脱靶Ψ修饰，且关键的内源终止密码子上未发生任何脱靶编辑。
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在翻译层面，通过核糖体谱（Ribo-seq由表观生物提供）分析直接比较显示，RCE系统在全翻译组范围内引起的背景通读水平显著低于传统的GCE技术，证明其解码过程干扰更小。
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在蛋白质产物层面，利用基于生物正交反应的蛋白质组学分析发现，RCE系统产生的脱靶蛋白质种类和数量也远少于GCE，并且GO富集分析显示其基本不干扰细胞内源的生物学通路。
成功将RCE系统平台化
并证明了多重密码子的正交性
研究团队进一步证明了RCE策略的可扩展性。他们采用类似的tRNA筛选方法，成功开发了另外两种分别针对ΨAA和ΨAG密码子的特异性解码tRNA。更重要的是，交叉反应实验证实，这三套Ψ-密码子及其对应的tRNA解码器之间相互正交，彼此不存在交叉识别，这为未来在同一蛋白质中同时引入多种不同ncAA，进行更复杂的蛋白质功能设计奠定了坚实基础。
充分展示了RCE系统
在精准调控蛋白质功能中的应用价值
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通过在Src激酶的催化中心精准插入反式环辛烯-赖氨酸（TCOK），构建化学笼屏蔽型激酶突变体，成功实现了对激酶活性的可逆化学开关控制。磷酸化蛋白质组学分析清晰地捕捉到了激酶被激活后的下游信号通路变化，证实了调控的有效性。
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此外，该系统也被成功应用于p53蛋白，通过在其关键的核定位序列（NLS）上插入TCOK，实现了对其亚细胞定位的时空特异性操控，进一步证明了RCE技术的通用性和可靠性。
总 结
综上，该研究成功建立一套RNA密码子扩展的新策略：RCE，用于在哺乳动物中实现高精度、低脱靶的ncAA定点整合。
RCE策略的核心在于：①可编程的RNA编码：利用gsnoRNA技术，在特定mRNA位点将天然U转化为Ψ修饰，创造出Ψ-密码子；②特异性RNA解码：通过筛选获得能够选择性识别这些Ψ-密码子的工程化tRNA；③精准ncAA整合：配套的氨酰-tRNA合成酶将ncAA加载到特异性tRNA上，最终实现ncAA在目标蛋白中的精准插入。
该策略显著克服传统GCE技术面临的脱靶通读问题，展现了超高的转录组和蛋白组特异性，并可与GCE技术兼容，实现双重ncAA编码。为深入研究和调控蛋白质功能提供了强大的新工具。