酶无法区分人造DNA和真实DNA

加州大学圣地亚哥分校的研究人员向释放合成DNA的潜力又迈进了一步，这可以帮助科学家在实验室中开发出前所未有的蛋白质。

　　

基因字母表只有4个字母，指的是组成所有DNA的生化积木——4个核苷酸。长期以来，科学家们一直想知道是否有可能通过在实验室中创造全新的核苷酸来为这个字母表添加更多的字母，但这种创新的效用取决于细胞是否能够真正识别和使用人工核苷酸来制造蛋白质。

现在，加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学院和制药科学学院的研究人员离释放人工DNA的潜力又近了一步。研究人员发现，RNA聚合酶是参与蛋白质合成的最重要的酶之一，它能够以与天然碱基对完全相同的方式识别和转录人工碱基对。

该研究结果发表在2023年12月12日的《自然通讯》杂志上，可以帮助科学家通过设计定制蛋白质来创造新药。

加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学院教授、资深作者Dong Wang博士说:“考虑到地球上只有四个核苷酸的生命是多么多样化，如果我们能增加更多的核苷酸，可能会发生的事情是诱人的。”“扩展遗传密码可以极大地多样化我们可以在实验室合成的分子范围，并彻底改变我们将设计蛋白作为治疗方法的方式。”

Dong Wang与应用分子进化基金会的Steven A. Benner博士和索尔克生物研究所的Dmitry Lyumkis博士共同领导了这项研究。

组成DNA的四种核苷酸分别是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。在DNA分子中，核苷酸形成的碱基对具有独特的分子几何结构，称为沃森和克里克几何，以1953年发现DNA双螺旋结构的科学家命名。这些沃森和克里克配对总是以相同的构型形成:A-T和C-G。当许多沃森和克里克碱基对聚集在一起时，DNA的双螺旋结构就形成了。

“这是一个非常有效的编码生物信息的系统，这就是为什么转录和翻译中的严重错误相对罕见，”Dong Wang说。“正如我们所了解的那样，我们可以通过使用具有相同几何形状的合成碱基对来利用这个系统。”

这项研究使用了标准基因字母表的一个新版本，称为人工扩展遗传信息系统(AEGIS)，它包含了两个新的碱基对。“宙斯盾”最初是由本纳开发的，最初是美国宇航局支持的一项计划，旨在了解地外生命是如何发展的。

通过从细菌中分离RNA聚合酶并测试它们与合成碱基对的相互作用，他们发现来自AEGIS的合成碱基对形成了一种类似于天然碱基对的沃森和克里克几何结构。结果是:转录DNA的酶无法分辨这些合成碱基对和自然界中发现的碱基对之间的区别。

“在生物学中，结构决定功能，通过符合与标准碱基对相似的结构，我们的合成碱基对可以在雷达下溜进去，并被纳入通常的转录过程中。”

除了扩大合成生物学的可能性之外，这些发现还支持了一个可以追溯到沃森和克里克最初发现的假设。这一假说被称为互变异构体假说，该假说认为，由于互变异构体的作用，标准的四个核苷酸可以形成不匹配的对，或者核苷酸在具有相同组成的几个结构变体之间振荡的趋势。这种现象被认为是点突变的一个来源，或基因突变只影响DNA序列中的一个碱基对。

Dong Wang说:“互变异构化使核苷酸在通常不应该成对的情况下结合在一起。”“在复制和翻译过程中已经观察到错对的互变异构化，但在这里，我们提供了第一个直接的结构证据，证明互变异构化也发生在转录过程中。”

研究人员接下来感兴趣的是测试他们在这里观察到的效果是否在其他合成碱基对和细胞酶的组合中是一致的。

“我们很高兴能与史蒂夫和德米特里组建一个多学科合作团队，这使我们能够解决扩展字母表上转录的分子基础，除了我们在这里测试的新字母，可能还有很多其他的可能性，但我们需要做更多的工作来弄清楚我们能走多远。”

共同作者包括:Juntaek Oh, Jun Xu和加州大学圣地亚哥分校的Jenny Chong, Salk生物科学研究所的Zelin Shan和应用分子进化基金会的Shuichi Hoshika。