遗传密码的扩展

胡英考

(首都师范大学生命科学学院 北京 100048)

生物的遗传信息都贮存在各自的基因组中，而组成基因组的碱基只有4种： ATGC(RNA中U替代了T)，即4种碱基的不同排列组合形成了不同的基因和基因组。遗传密码共有64个密码子，其中还包括终止密码子和简并密码子，所以，实际编码20种氨基酸的密码子不到64种。在漫长的生物进化过程中，这4种碱基的排列组合有变化，但没有更多碱基的参与，自然界的生物均是如此，概莫能外。

仅凭4种碱基、64个密码子、20种氨基酸就能形成地球上那么多形形色色的生命，如果再增加一个碱基对，则可以有6×6×6=216个密码子，扣除原有的64个密码子，理论上还有152种可以编码氨基酸的新的密码子，编码的氨基酸总数可以达到172种，这样形成的生命形式会有无限种可能。

早在20世纪70年代，一些学者就尝试着挑战自然，扩展遗传密码，但一直没有成功。直到1990年，瑞士苏黎世联邦理工学院的化学家Steven Benner领导的团队，才初步证明这一想法是可行的。他们将胞嘧啶和鸟嘌呤碱基进行人工改造，首次合成出包含人工改造后的非天然碱基的DNA分子，同时这些新的DNA分子还能在试管中自我复制，并制造RNA和蛋白质[1]。不过，当时人工制造的这些DNA分子仅在试管中有活性，在活细胞内就失活了。

要想在活细胞中发挥作用，外源碱基对要与自然碱基对一样能够进行配对，这样就不会破坏DNA的形态和基本的功能，使DNA可以被忠实地复制和转录。2014年，来自美国加州的Floyd Romesberg实验室报告了一项突破性的进展，他们成功地将人工合成的人造碱基对植入了大肠杆菌的基因组，且能够在大肠杆菌中自我复制和转录。但最初这些人工合成的碱基会严重阻碍大肠杆菌的生长，而且随着时间的推移，这些外源的碱基会丢失；另外，这种新的碱基尚不能指导蛋白的合成[2]。此后，Romesberg实验室对这一对碱基进行了系统的修饰，并成功地合成出了不会被大肠杆菌排斥的人造碱基，能够长期稳定存在于大肠杆菌体内。但它们仍旧不能指导蛋白质的合成，因为细胞中没有能够识别新碱基的tRNA，也没有能与人造碱基相对应的氨基酸的参与。

为解决不能合成蛋白质的问题，Romesberg实验室创造了一种改良过的、能识别人造碱基的tRNA以及相应的氨基酸，该tRNA能够将人工合成的氨基酸运输到核糖体中，这些氨基酸被整合进了大肠杆菌所表达的蛋白质中。同时，研究人员还运用多种检测技术证明了，这种蛋白质中的确存在人工合成的氨基酸。最近，该研究团队首次用实验室合成的、自然界中不存在的X-Y碱基对和相应的氨基酸，成功地在实验室创造了包含ATGCXY 6种碱基的全新生命体[3]。目前已成功地将人工合成的碱基对插入到对抗生素耐药细菌基因的关键位点上，使表达这种碱基的细菌对于青霉素类抗生素异常敏感。

该研究表明，人工合成的碱基对也能完成信息的储存和提取，意味着人类成功地扩展了遗传密码。在可预见的未来，将会有更多的人工碱基对添加到遗传密码表中；一些非天然的氨基酸将通过人造密码加入到蛋白质中，用来设计更容易被细胞吸收的，或者毒性更低、分解更快的药物，应用前景十分广阔。