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题目：A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年3月15日
通讯作者单位：哈佛大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05824-z
主要内容：
具有合成基因组的细菌被设计成改变DNA代码指示细胞制造蛋白质的方式。这种“语言屏障”用于从基因上分离细胞，并使它们对病毒感染免疫。
随着科学家越来越有能力根据特定的设计标准构建合成基因组，这使得能够产生具有自然界中没有的有益特性的细胞。作者报告说，他们已经设计了细菌，使其对病毒感染免疫，并获得可能对微生物生物防护有用的特性。这项工作对开发生物技术中安全和有效的应用具有重要意义，并且令人信服地展示了使用合成基因组所开辟的可能性。
与修改活细胞中现有基因组的基因组工程技术不同，合成基因组可以从头开始设计和构建。这意味着基因组的变化规模，以及细胞行为的变化规模，不再受到编辑现有DNA的能力的限制。
先前已经建立了一个功能性的合成基因组对于模型细菌大肠杆菌。该基因组的一个特征是细菌如何将其DNA编码的信息翻译成蛋白质。
DNA决定了蛋白质中氨基酸的顺序和含量，三个DNA碱基的序列（称为密码子）编码给定的氨基酸。这个代码在生物学中几乎普遍在进化上是保守的。为了产生蛋白质，DNA序列信息被复制到相应的信使RNA中。转移RNA（tRNA）识别每个密码子，然后将其“翻译”为特定的氨基酸，以掺入生长的蛋白质链中。此代码中存在冗余，因为大多数氨基酸可以由多个密码子编码。这使得交换等效密码子成为可能，在保持氨基酸含量的同时改变DNA序列。
通过在基因组规模上交换密码子，合成大肠杆菌基因组被设计为排除三个特定密码子的所有实例。其中两个通常编码氨基酸丝氨酸，另一个指示蛋白质组装停止。负责翻译这些排除密码子的tRNA可以从细胞中去除或重新用于新功能。这种重新编码基因组以改变细胞解释DNA密码的方式的过程具有许多影响，尤其是细胞如何与病毒相互作用。
病毒通常缺乏产生复制自身和攻击宿主细胞所需的蛋白质的资源。相反，它们劫持了宿主的资源，包括其tRNA池。在这种情况下，在从基因组中去除了一些tRNA的合成细胞中，病毒遗传信息将无法正确翻译，从而使病毒与宿主不相容。以前的工作确实表明，具有合成基因组并去除了一些tRNA的细胞在受到某些病毒的攻击时可以逃避感染。
Nyerges及其同事从环境和废水样本中鉴定出携带自身tRNA拷贝的病毒，并表明这些病毒不依赖于宿主tRNA，可以感染重新编码的细胞。为了保护工程细胞免受这类病毒的侵害，Nyerges等人。开发了改变DNA代码和蛋白质含量之间联系的tRNA。这些tRNA识别从合成基因组中去除的两个密码子。然而，这些tRNA不是在蛋白质组装过程中将它们翻译成亲水性氨基酸丝氨酸，就像通用遗传密码通常发生的那样，而是引导疏水性氨基酸亮氨酸的掺入（图1a）。
如果将含有与这些tRNA识别的密码子相对应的密码子的任何DNA序列引入这些细胞，则这种变化会产生后果。在蛋白质合成过程中，由此产生的亮氨酸插入（其化学性质与丝氨酸的化学性质不同）可能会改变蛋白质的结构和性质，使其失活。因此，这些细菌说的是一种与自然界其他部分不同的“语言”，包括病毒。
并行工作大肠杆菌合成基因组背后的团队已经表明，这种方法足以防止具有自身tRNA的选定病毒感染。然而，令人惊讶的是，Nyerges等人发现，他们分离的病毒仍然可以用修饰的tRNA感染和杀死细胞。对经历感染的细胞的进一步分析表明，病毒编码的tRNA以高水平产生，迅速超过宿主tRNA，并导致大多数病毒蛋白被正确组装和功能。
面对病毒tRNA的这种优势，研究小组决定通过选择病毒tRNA并生成新版本来迫使编码从丝氨酸转换为亮氨酸，从而将这种力量重新转向入侵病毒。有了这些病毒衍生的替代tRNA，工程细菌细胞可以驱动“不正确”氨基酸掺入病毒蛋白中。有问题的病毒以及测试的所有其他病毒都无法克服这种分子语言屏障，也无法感染工程细胞。
至关重要的是，作者认为，具有工程合成基因组的细菌具有前所未有的逃避病毒感染的能力，可能比天然细菌种群具有竞争优势。因此，如果意外释放到受控环境之外，微生物可能会构成严重的挑战。
因此，作者着手通过进一步利用对合成基因组进行的密码子变化来增强工程菌株的生物安全性。以他们以前的一些工作为基础Nyerges及其同事使菌株“上瘾”于一种名为L-4，4'-联苯丙氨酸（BipA）的合成氨基酸。对细胞进行修饰以识别重新利用的密码子，作为将BipA掺入细菌细胞生存所需的蛋白质中的指令，从而将微生物的生长限制在向它们提供这种非天然分子的环境中（图1b）。
最后，作者证明，重新编码策略可用于防止合成DNA在称为移动遗传元件的序列上的传播。微生物以各种方式自然地在细胞之间交换遗传信息，包括通过转移称为质粒的环状DNA分子 - 研究人员用来将DNA转移到细胞中的元素。作者创建了一组质粒，这些质粒使用工程细胞的修饰密码子语言来编码细菌中质粒复制所需的组分。这些质粒只能在具有合成基因组和工程化tRNA的细胞中发挥作用，这种情况大大降低了工程DNA无意中转移到野生细菌种群的风险（图1c）。
目前，建立一个有效的合成基因组需要付出巨大的努力，到目前为止只有少数几个完成。在这方面的能力正在慢慢扩大，真核细胞（包含细胞核）的完整合成基因组预计将在未来几年内完成。并致力于人类合成基因组计划的工作也在进行中。随着合成基因组项目的数量、规模和雄心的增加，研究和操纵生物学的能力也会增加。在这项工作中，通过密码子再利用所取得的令人印象深刻的壮举将对细菌生物技术非常有价值，其中病毒污染是一个持续且昂贵的问题。
这项工作的最大影响可能是为其他生物体的合成基因组的类似策略提供基础。疫苗和蛋白质疗法等关键医疗产品越来越依赖于使用易受病毒感染的哺乳动物或人类细胞培养系统，这对成本和产品安全产生了重大影响。可控、可靠的制造工艺，防止病毒感染问题，对于最大限度地发挥这些行业对健康和福祉的积极影响至关重要，同时确保这些工艺安全、可控并保持公众信心。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05824-z
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