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生命如同一臺精密的生物計算機，其核心編程語言由DNA分子中 A、T、C、G 四種堿基構成的64組密碼子組成。這些遺傳密碼通過 RNA 介導的翻譯過程，指導細胞利用20種標準氨基酸合成功能各異的蛋白質。突破這一天然遺傳密碼的限制，將開啟生命編程的新維度，為生物醫學領域帶來革命性變革。

傳統的 DNA 密碼子擴展技術在真核生物系統中存在引發終止密碼子通讀等安全性問題1。這促使科學家將目光轉向更具可塑性的 RNA 分子。RNA 不僅擺脫了 DNA 的復制與修復限制，其天然存在的 170 余種化學修飾更為遺傳密碼的工程化改造提供了豐富素材。

2025年6月25日，北京大學化學與分子工程學院的陳鵬團隊和生命科學學院伊成器團隊合作在 Nature 發表題為RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding 的論文，通過 RNA 假尿嘧啶 Ψ 修飾的定點編程，首次創造并編碼了三個 ΨCodon “密碼子”，進一步篩選并獲得了選擇性解碼 ΨCodon 的 tRNA 。該方法成功構建了一套基于RNA修飾的新型編程語言，突破了64種密碼子和20種天然氨基酸的“中心法則”限制，可驅動活細胞將非天然氨基酸定點、精準融入蛋白質的生物合成，實現蛋白質在細胞內的化學“定制合成”，從而可實現對紛繁復雜的蛋白質“變體”的精準體內合成和原位研究。這不僅拓展了生命系統的設計空間，更為合成生物學和精準醫學開辟了新路徑。通過重構生命的信息處理原件，生命編程的基本范式正在被改寫。

RNA 密碼子拓展技術：編碼和解碼全新的RNA密碼子

該研究通過開發新型 RNA 密碼子系統，突破了傳統 DNA 遺傳密碼的 64 種密碼子限制，實現了對非天然氨基酸的精準編碼與解碼。研究團隊采用序列特異性的假尿苷（Ψ）修飾技術，利用向導 RNA 在目標轉錄本的 UGA 終止密碼子上引入 Ψ 修飾，成功構建了新型人工密碼子"ΨGA"（這類修飾的終止密碼子統稱為 ΨCodon ），為蛋白質的定制合成和工程改造提供了全新的編碼工具（圖1）。

為實現 ΨCodon 的高效解碼，研究者基于合成酶-tRNA 的晶體結構數據，構建了飽和單點突變文庫，并通過篩選獲得了具有高度密碼子偏好性的 tRNA 變體（ΨGA-tRNAPyl）。該 tRNA 變體在多種報告系統中均表現出對 ΨGA 的特異性識別能力，確保其解碼過程不會干擾天然 UGA 終止密碼子的正常功能。最終，通過整合 ΨGA 編碼模塊與 ΨGA-tRNAPyl 解碼模塊，研究團隊成功構建了 RCE(ΨGA) 系統，為人工設計功能性蛋白質開辟了新途徑。

　　圖1. RNA 密碼子拓展策略示意圖。該策略包含編碼和解碼兩個核心過程，從而實現非天然氨基酸的特異性插入。

RCE系統具有更高的全局特異性

成功構建 RCE(ΨGA) 系統后，研究團隊采用多種組學方式對該技術的全局特異性進行了系統性驗證。首先，通過前期開發的Ψ修飾測序技術 "PRAISE"，在全轉錄組水平檢測發現該系統僅產生少量脫靶修飾，且未影響正常終止密碼子。進一步，研究團隊采用核糖體分析技術評估翻譯組特異性，結果顯示 RCE 系統能精準識別 ΨGA 密碼子進行翻譯，同時全轉錄組中 UGA 密碼子的非特異性通讀率顯著低于傳統遺傳密碼擴展技術（Genetic Code Expansion）。

為全面評估翻譯產物的特異性，研究團隊利用利用非天然氨基酸TetBu分子的四嗪基團，與反式環辛烯偶聯的生物素分子的成鍵反應，實現了全蛋白質組范圍內非天然氨基酸插入位點的精準檢測。蛋白質組學分析表明，RCE系統的脫靶蛋白數量較傳統GCE技術顯著減少，GO功能富集分析進一步證實其對關鍵生物學通路無明顯干擾（圖2）。

綜合轉錄組、翻譯組和蛋白質組三個層面的分析結果，充分證明 RCE 技術通過 Ψ 修飾密碼子的特異性編解碼，實現了非天然氨基酸的高精準插入并顯著降低了脫靶效應。

　　圖2. 蛋白質組分析顯示RCE系統在全蛋白質組中具有全局特異性。

RCE密碼子的拓展

研究團隊進一步拓展了 RCE 系統的密碼子范圍。通過采用與 ΨGA-tRNA^Pyl 類似的篩選策略，成功獲得了針對 ΨAA 和 ΨAG 密碼子的特異性 tRNA 解碼器。實驗驗證表明，這三種 tRNA 解碼器（ΨGA-tRNA^Pyl、ΨAA-tRNA^Pyl和ΨAG-tRNA^Pyl）表現出優異的正交性：每個解碼器僅識別其對應的 ΨCodon ，而不會通讀其他類型的 Ψ 修飾密碼子（圖3）。

　　圖3. 三對 ΨCodon: (ΨCodon)-tRNAPyl 具有專一性，兩兩正交。

RCE系統的應用

研究團隊通過 RCE 系統實現了蛋白質功能的精準調控。以 Src 激酶為研究對象，研究人員在其催化活性中心特異性插入含反式環辛烯基團的非天然賴氨酸（TCOK），成功構建了化學可激活的激酶突變體。實驗證實，該系統能高效識別 ΨGA 密碼子并準確插入 TCOK ，形成活性被暫時"鎖定"的激酶。當加入四嗪（Tz）分子后，TCOK 被剪切恢復為天然賴氨酸，從而釋放激酶活性。通過免疫印跡和磷酸化蛋白質組學分析，研究團隊驗證了該系統的精確調控能力，證明 RCE 系統特異、高效地實現功能性非天然氨基酸的插入。

　　圖4. RCE系統特異、高效地實現功能性非天然氨基酸的插入從而調控Src激酶活性。

研究團隊進一步驗證了 RCE 系統的普適性，成功利用 ΨAG 密碼子及其對應 tRNA 解碼器，在腫瘤抑制蛋白 p53 的關鍵核定位序列中精準插入TCOK非天然氨基酸。實驗證實，該系統能實現對 p53 蛋白入核過程的時空特異性化學操控。這一突破性進展不僅體現了RCE系統在蛋白質工程中的應用前景，更為合成生物學和生物醫學研究提供了全新的工具平臺。

本研究通過開發 ΨGA、ΨAA 和 ΨAG 三種新型RNA 密碼子，建立了具有高度特異性的遺傳密碼擴展系統。該系統可以實現非天然氨基酸的精準插入，并支持具有化學成鍵/斷鍵活性的功能基團整合，為蛋白質在活細胞內的定制合成和工程改造提供了全新策略。這項研究不僅突破了天然遺傳密碼的限制，更為合成生物學和精準醫學研究提供了革命性的工具平臺，為未來設計人工生物系統和開發新型生物療法奠定了重要基礎。

陳鵬教授、伊成器教授為本文的共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院2019級博士研究生劉江樂、北京大學生命科學學院博士后閆學青博士、前沿交叉學科研究院2020級博士研究生烏浩為本文的共同第一作者。

本工作獲得科技部、農業部、國家自然科學基金委、北京市科學技術委員會、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會和科學探索獎等項目的支持。

此外，北京大學核糖核酸北京研究中心和北京科學智能研究院溫翰研究員提供了核酸分子理論計算的專業指導意見；上海科技大學劉如娟課題組也在核酸分子生化檢測方面做出了重要貢獻。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09165-x