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生(sheng)命如同(tong)一台精密(mi)的(de)生(sheng)物计(ji)算(suan)机，其核心编程(cheng)语言由(you)DNA分子中 A、T、C、G 四种碱基构成的(de)64组密(mi)码子组成。这(zhei)些遗传密(mi)码通过(guo) RNA 介导(dao)的(de)翻译过(guo)程(cheng)，指导(dao)细胞利用20种标准氨基酸合成功能各异的(de)蛋白质。突破这(zhei)一天然遗传密(mi)码的(de)限制，将开启生(sheng)命编程(cheng)的(de)新维度(du)，为生(sheng)物医学领(ling)域带来革命性(xing)变革。

传统的(de) DNA 密码子扩展技(ji)术在(zai)(zai)真核(he)生(sheng)物系统中存在(zai)(zai)引(yin)发终止(zhi)密码子通读(du)等安全性问题1。这促使(shi)科学(xue)家将目光转向更(geng)具(ju)可塑性的(de) RNA 分子。RNA 不仅摆脱了 DNA 的(de)复制(zhi)与修复限制(zhi)，其天然(ran)存在(zai)(zai)的(de) 170 余种化学(xue)修饰更(geng)为遗(yi)传密码的(de)工(gong)程(cheng)化改造提(ti)供了丰富(fu)素材。

2025年6月25日，北京大学化学与分子工程学院的陈鹏团队和生命科学学院伊成器团队合作在 Nature 发表题为RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding 的论文，通过 RNA 假尿嘧啶 Ψ 修饰的定点编程，首次创造并编码了三个 ΨCodon “密码子”，进一步筛选并获得了选择性解码 ΨCodon 的 tRNA 。该方法成功构建了一套基于RNA修饰的新型编程语言，突破了64种密码子和20种天然氨基酸的“中心法则”限制，可驱动活细胞将非天然氨基酸定点、精准融入蛋白质的生物合成，实现蛋白质在细胞内的化学“定制合成”，从而可实现对纷繁复杂的蛋白质“变体”的精准体内合成和原位研究。这不仅拓展了生命系统的设计空间，更为合成生物学和精准医学开辟了新路径。通过重构生命的信息处理原件，生命编程的基本范式正在被改写。

RNA 密码子拓展技术：编码和解码全新的RNA密码子

该研究通过开发新(xin)(xin)型 RNA 密(mi)(mi)码(ma)子系统，突(tu)破了(le)传(chuan)统 DNA 遗传(chuan)密(mi)(mi)码(ma)的(de)(de) 64 种密(mi)(mi)码(ma)子限制，实现了(le)对非(fei)天然氨基酸的(de)(de)精准编(bian)码(ma)与解码(ma)。研究团队采用(yong)序列特(te)异性的(de)(de)假(jia)尿苷（Ψ）修(xiu)饰(shi)技(ji)术，利用(yong)向导(dao) RNA 在目标转(zhuan)录本的(de)(de) UGA 终止密(mi)(mi)码(ma)子上引入(ru) Ψ 修(xiu)饰(shi)，成功构(gou)建(jian)了(le)新(xin)(xin)型人(ren)工(gong)密(mi)(mi)码(ma)子"ΨGA"（这(zhei)类(lei)修(xiu)饰(shi)的(de)(de)终止密(mi)(mi)码(ma)子统称为(wei) ΨCodon ），为(wei)蛋(dan)白(bai)质(zhi)的(de)(de)定制合成和工(gong)程改(gai)造提供(gong)了(le)全新(xin)(xin)的(de)(de)编(bian)码(ma)工(gong)具（图1）。

为实(shi)现(xian) ΨCodon 的高效解码(ma)，研究(jiu)者基于合成(cheng)酶-tRNA 的晶体结构数据，构建(jian)了(le)饱(bao)和单(dan)点突变文(wen)库，并(bing)通过筛选(xuan)获得了(le)具有(you)高度密码(ma)子偏好性(xing)的 tRNA 变体（ΨGA-tRNAPyl）。该 tRNA 变体在多(duo)种报告系(xi)(xi)统中均表现(xian)出对 ΨGA 的特异性(xing)识别能力，确保其解码(ma)过程(cheng)不会干(gan)扰天然 UGA 终(zhong)止密码(ma)子的正常功能。最(zui)终(zhong)，通过整合 ΨGA 编码(ma)模块与 ΨGA-tRNAPyl 解码(ma)模块，研究(jiu)团队成(cheng)功构建(jian)了(le) RCE(ΨGA) 系(xi)(xi)统，为人工设计功能性(xing)蛋(dan)白质(zhi)开辟了(le)新途(tu)径。

　　图(tu)1. RNA 密码(ma)子(zi)拓展策(ce)略示意(yi)图(tu)。该策(ce)略包(bao)含编码(ma)和解(jie)码(ma)两个核心(xin)过(guo)程，从(cong)而实现(xian)非天(tian)然氨基酸(suan)的特异性插入(ru)。

RCE系统具有更高的全局特异性

成(cheng)功构建 RCE(ΨGA) 系(xi)统(tong)后，研(yan)究团队(dui)采(cai)用(yong)多种组(zu)(zu)学方(fang)式(shi)对(dui)该技术(shu)的全(quan)(quan)局(ju)特(te)异性(xing)进(jin)行(xing)(xing)了系(xi)统(tong)性(xing)验证。首先，通(tong)过前期开发的Ψ修饰(shi)测序技术(shu) "PRAISE"，在全(quan)(quan)转(zhuan)录(lu)(lu)组(zu)(zu)水(shui)平检测发现该系(xi)统(tong)仅(jin)产生少量脱(tuo)靶(ba)修饰(shi)，且未影(ying)响正常终(zhong)止密码子。进(jin)一步，研(yan)究团队(dui)采(cai)用(yong)核糖(tang)体分(fen)析(xi)技术(shu)评估翻(fan)译组(zu)(zu)特(te)异性(xing)，结果(guo)显示(shi) RCE 系(xi)统(tong)能精准识别 ΨGA 密码子进(jin)行(xing)(xing)翻(fan)译，同时全(quan)(quan)转(zhuan)录(lu)(lu)组(zu)(zu)中 UGA 密码子的非(fei)特(te)异性(xing)通(tong)读率显著低(di)于(yu)传统(tong)遗传密码扩展技术(shu)（Genetic Code Expansion）。

为全面(mian)评估翻译(yi)产物(wu)的特(te)异性，研(yan)究团队(dui)利(li)用利(li)用非天然氨基酸TetBu分(fen)子(zi)的四嗪基团，与反(fan)式环辛烯偶联的生物(wu)素(su)分(fen)子(zi)的成键反(fan)应(ying)，实(shi)现了全蛋(dan)白质组范围内(nei)非天然氨基酸插(cha)入(ru)位点的精(jing)准(zhun)检测。蛋(dan)白质组学分(fen)析(xi)(xi)表明，RCE系统的脱(tuo)靶蛋(dan)白数量较(jiao)传(chuan)统GCE技术(shu)显著减少，GO功能富集分(fen)析(xi)(xi)进一步证实(shi)其对关(guan)键生物(wu)学通路(lu)无(wu)明显干扰（图2）。

综合转(zhuan)录(lu)组(zu)、翻(fan)译组(zu)和蛋白质(zhi)组(zu)三个层面的(de)分析结果，充(chong)分证明(ming) RCE 技术通过 Ψ 修饰密码(ma)子的(de)特异性编解码(ma)，实现了非天然氨基酸的(de)高精(jing)准(zhun)插入并(bing)显著降低了脱靶效应。

　　图(tu)2. 蛋(dan)白质(zhi)组分(fen)析显示RCE系统在全蛋(dan)白质(zhi)组中具(ju)有(you)全局特(te)异(yi)性(xing)。

RCE密码子的拓展

研究团队进一步拓展了 RCE 系统的密码子范围。通过采用与 ΨGA-tRNA^Pyl 类似的筛选策略，成功获得了针对 ΨAA 和 ΨAG 密码子的特异性 tRNA 解码器。实验验证表明，这三种 tRNA 解码器（ΨGA-tRNA^Pyl、ΨAA-tRNA^Pyl和ΨAG-tRNA^Pyl）表现出优异的正交性：每个解码器仅识别其对应的 ΨCodon ，而不会通读其他类型的 Ψ 修饰密码子（图3）。

　　图(tu)3. 三(san)对 ΨCodon: (ΨCodon)-tRNAPyl 具有(you)专一(yi)性(xing)，两(liang)两(liang)正(zheng)交。

RCE系统的应用

研(yan)(yan)究团(tuan)队通(tong)过 RCE 系统(tong)实(shi)现(xian)了(le)(le)蛋白质(zhi)功能的(de)(de)(de)(de)精准调(diao)控(kong)。以 Src 激(ji)酶(mei)(mei)(mei)为研(yan)(yan)究对(dui)象，研(yan)(yan)究人员在其催化活(huo)(huo)性(xing)中心特(te)(te)异性(xing)插入(ru)(ru)含(han)反(fan)式环辛(xin)烯基(ji)团(tuan)的(de)(de)(de)(de)非天(tian)然(ran)(ran)赖氨(an)酸（TCOK），成(cheng)功构(gou)建了(le)(le)化学可激(ji)活(huo)(huo)的(de)(de)(de)(de)激(ji)酶(mei)(mei)(mei)突变体。实(shi)验(yan)证(zheng)(zheng)实(shi)，该系统(tong)能高效(xiao)识(shi)别 ΨGA 密码子并准确(que)插入(ru)(ru) TCOK ，形成(cheng)活(huo)(huo)性(xing)被暂时"锁定(ding)"的(de)(de)(de)(de)激(ji)酶(mei)(mei)(mei)。当加(jia)入(ru)(ru)四(si)嗪（Tz）分子后，TCOK 被剪切恢复为天(tian)然(ran)(ran)赖氨(an)酸，从而释放(fang)激(ji)酶(mei)(mei)(mei)活(huo)(huo)性(xing)。通(tong)过免疫印迹和磷(lin)酸化蛋白质(zhi)组(zu)学分析，研(yan)(yan)究团(tuan)队验(yan)证(zheng)(zheng)了(le)(le)该系统(tong)的(de)(de)(de)(de)精确(que)调(diao)控(kong)能力，证(zheng)(zheng)明 RCE 系统(tong)特(te)(te)异、高效(xiao)地实(shi)现(xian)功能性(xing)非天(tian)然(ran)(ran)氨(an)基(ji)酸的(de)(de)(de)(de)插入(ru)(ru)。

　　图4. RCE系统特异、高效地实现(xian)功能性非天然(ran)氨基酸的(de)插(cha)入从而调(diao)控(kong)Src激酶(mei)活性。

研究团(tuan)队进一步验证(zheng)(zheng)了(le) RCE 系(xi)统(tong)的(de)(de)(de)普适(shi)性(xing)，成功利用 ΨAG 密码(ma)子及其(qi)对(dui)应 tRNA 解码(ma)器(qi)，在(zai)肿瘤抑(yi)制蛋白(bai)(bai) p53 的(de)(de)(de)关(guan)键核定位序(xu)列中精准插入(ru)TCOK非天然氨基酸(suan)。实(shi)验证(zheng)(zheng)实(shi)，该系(xi)统(tong)能实(shi)现(xian)对(dui) p53 蛋白(bai)(bai)入(ru)核过程(cheng)的(de)(de)(de)时空特(te)异性(xing)化学操控。这一突破性(xing)进展不(bu)仅体现(xian)了(le)RCE系(xi)统(tong)在(zai)蛋白(bai)(bai)质工(gong)程(cheng)中的(de)(de)(de)应用前景，更为(wei)合成生物学和生物医学研究提供(gong)了(le)全新的(de)(de)(de)工(gong)具(ju)平(ping)台。

本研(yan)究(jiu)(jiu)通过(guo)开(kai)发 ΨGA、ΨAA 和(he) ΨAG 三种(zhong)新型RNA 密(mi)(mi)码(ma)子，建(jian)立了(le)(le)具有高度特异性的遗(yi)传(chuan)(chuan)密(mi)(mi)码(ma)扩展系(xi)统。该系(xi)统可(ke)以实(shi)现非天然氨(an)基(ji)(ji)酸的精准(zhun)(zhun)插入，并支持具有化学(xue)成键(jian)/断键(jian)活性的功能(neng)基(ji)(ji)团整合(he)，为(wei)蛋(dan)白质在活细胞内(nei)的定制合(he)成和(he)工程改造(zao)提供了(le)(le)全新策略。这项(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)不仅突破了(le)(le)天然遗(yi)传(chuan)(chuan)密(mi)(mi)码(ma)的限制，更为(wei)合(he)成生物(wu)(wu)学(xue)和(he)精准(zhun)(zhun)医学(xue)研(yan)究(jiu)(jiu)提供了(le)(le)革命性的工具平台，为(wei)未来设计(ji)人(ren)工生物(wu)(wu)系(xi)统和(he)开(kai)发新型生物(wu)(wu)疗法奠定了(le)(le)重要基(ji)(ji)础。

陈(chen)鹏教授、伊成器(qi)教授为(wei)本(ben)文的共同通(tong)讯作者(zhe)。北京大学(xue)(xue)前沿交叉学(xue)(xue)科(ke)研(yan)(yan)究院(yuan)(yuan)2019级(ji)博士研(yan)(yan)究生(sheng)刘江乐、北京大学(xue)(xue)生(sheng)命科(ke)学(xue)(xue)学(xue)(xue)院(yuan)(yuan)博士后闫学(xue)(xue)青(qing)博士、前沿交叉学(xue)(xue)科(ke)研(yan)(yan)究院(yuan)(yuan)2020级(ji)博士研(yan)(yan)究生(sheng)乌浩为(wei)本(ben)文的共同第一作者(zhe)。

本工作获(huo)得(de)科(ke)技部(bu)、农(nong)业部(bu)、国家自然(ran)科(ke)学基(ji)金(jin)委、北京(jing)市科(ke)学技术委员会、北京(jing)分子(zi)科(ke)学国家研究中心、新(xin)基(ji)石基(ji)金(jin)会和科(ke)学探索(suo)奖(jiang)等项(xiang)目的支持。

此(ci)外，北京(jing)大学核(he)糖核(he)酸(suan)北京(jing)研究中(zhong)心和北京(jing)科学智能研究院温翰研究员提供(gong)了核(he)酸(suan)分子理论计算的(de)专业指导(dao)意见；上海科技大学刘如娟课题组也在核(he)酸(suan)分子生化检测方面做出了重(zhong)要贡献(xian)。

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