多重稀有密码子重编码体系
2026年3月13日，浙江大学林世贤/丁文龙团队在Nature Chemistry期刊发表了题为“Recoding multiple rare codons enables the simultaneous incorporation of up to five distinct noncanonical amino acids”的研究论文。该研究工作开发了“多重稀有密码子重编码”（Multi-type Rare Codon Recoding）技术，以接近野生型天然蛋白的表达量和高重编码率合成了带有两到三种不同类型非天然氨基酸的蛋白质，并成功实现了复杂的双重生物正交标记以及蛋白质活性的双重时空激活控制，最终在哺乳动物细胞中首次成功合成了带有五种不同类型非天然氨基酸类型的蛋白质。论文通讯作者是丁文龙、林世贤；共同第一作者是博士生方誉和于微博士。
自然界遗传密码高度保守，限制了非天然氨基酸（ncAAs）直接参与蛋白质合成。尽管遗传密码拓展技术（GCE）通过引入空白密码子实现了ncAAs的定点编码，但在哺乳动物细胞中，解码空白密码子（终止密码子）面临内源翻译释放因子的强烈竞争，多重ncAAs的同时引入会使目标蛋白产量呈指数级下降，因此导致GCE多局限于单一ncAA的引入。这一瓶颈极大限制了我们对蛋白质翻译过程的精准调控及其在解析复杂翻译后修饰（PTM）网络和操纵多结构域蛋白质架构中的应用。因此，拓展蛋白质的遗传操作工具，以实现哺乳动物细胞内包含多种非天然氨基酸定制蛋白质的高效合成，仍是该领域亟待解决的难题。因此，如何在哺乳动物细胞内高效合成包含多种非天然氨基酸的定制蛋白质，仍是该领域亟待解决的核心难题。
基于前期利用TCG稀有密码子实现非天然氨基酸（ncAA）高效编码的理论基础，研究团队设想通过系统评估稀有密码子的重编码潜能，以克服传统空白密码子策略的局限，从而发展“多重稀有密码子重编码”平台（图1）。
图1：稀有密码子重编码策略的原理与扩展应用示意图。
为此，研究者建立了“密码子使用频率＜1.5%且氨酰化tRNA丰度＜0.3%”的双重筛选标准，成功筛选出8个高效的稀有密码子。团队进一步优化了TCG、ACG、CGA、TCA四个密码子，结合正交翻译系统的适配改造，开发了效率高达90%的双重稀有密码子重编码系统（图2）。
图2：双重稀有密码子重编码策略的非天然氨基酸底物扩展示意图。
在应用层面，该策略展现出强大的蛋白质精准操控能力，通过引入光控和化学调控双重去笼蔽氨基酸，实现了多活性位点复杂酶系的精准时序激活。最后，结合三重稀有密码子重编码与双重终止密码子抑制，研究团队首次在单一蛋白质中同时编码了多达五种不同类型的ncAA。该突破充分展示了哺乳动物遗传密码的巨大可塑性，为哺乳动物中蛋白质的多功能修饰与精准医疗提供了新的化学策略。（来源：科学网）