Les organismes vivants synthétisent une étonnante variété de protéines en combinant 20 acides aminés en chaînes de n’importe quelle longueur et ordre. Par le passé, pour étendre la diversité des protéines au-delà de ces 20 sous-unités, les scientifiques modifié le code génétique et conçu des protéines artificielles qui transportent des acides aminés non conventionnels.1 Cependant, ces efforts n’ont eu qu’un succès limité, car les cellules n’ont incorporé les éléments de base supplémentaires que dans quelques copies des protéines souhaitées.
Dans une récente Science étude, biologistes synthétiques développé une stratégie alternative incorporer de nouveaux acides aminés dans les protéines.2 Ces résultats fournissent une nouvelle méthode pour générer des protéines aux propriétés artificielles avec des rendements élevés, élargissant ainsi le champ d’application de la biologie synthétique.
« Ce groupe a fait beaucoup de travail et a pu obtenir des gains d’efficacité supérieurs à 80 %, ce qui, je pense, montre qu’ils ont vraiment fait le maximum », a déclaré James Van Deventerun ingénieur en protéines de l’Université Tufts qui n’a pas participé à l’étude.
Les ribosomes reçoivent des instructions pour synthétiser des protéines à partir des gènes sous la forme d’un transcrit d’ARN énumérant l’ordre dans lequel les 20 acides aminés doivent apparaître. Cependant, l’ARN est limité à quatre lettres : adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et uracile (U). Pour que les quatre bases aient la capacité de coder 20 acides aminés, les le ribosome les lit en triplets connus sous le nom de codons, pour lesquels il existe 64 variétés.3 Pour ajouter des acides aminés à la chaîne protéique en croissance, les codons recrutent l’ARN de transfert (ARNt) vers le ribosome. Chaque ARNt reconnaît une séquence de codon spécifique et délivre l’acide aminé correspondant à la protéine naissante. Trois des 64 codons signalent la fin de la synthèse protéique. Ces codons d’arrêt ne s’associe pas à l’ARNt et ne demande pas au ribosome de libérer la chaîne polypeptidique.4
Lors des tentatives précédentes visant à élargir l’alphabet du code génétique, les chercheurs ont introduit dans les cellules un ARNt lié à un acide aminé non canonique et reconnaît un codon stop.5 Cependant, cette stratégie s’est avérée inefficace car les protéines qui déclenchent la fin de la synthèse des protéines lié au codon plus fortement que l’ARNt modifié, de sorte que les codons stop ont conservé leur fonction naturelle la plupart du temps.6 « L’efficacité est généralement inférieure à cinq pour cent, donc dans ce cas, vous pouvez rarement faire des applications basées sur cela », a déclaré Shixian-Linbiologiste synthétique à l’Université du Zhejiang et co-auteur de l’étude. Lin a émis l’hypothèse qu’il pourrait être plus efficace de donner aux cellules un ARNt qui s’associe à un codon rare. Pour les codons rares, le la cellule produit moins d’ARNt correspondantet l’ARNt synthétique fait face à moins de concurrence.7
L’équipe de Lin a d’abord dû rechercher des codons rares dans les lignées cellulaires humaines. À l’aide du séquençage de l’ARN, ils ont répertorié les sept triplets les moins populaires. Pour déterminer lequel des sept ils pouvaient réutiliser le plus efficacement, ils ont introduit chacun des codons rares dans le gène de la protéine fluorescente verte améliorée (eGFP) et ont transfecté la construction modifiée dans les cellules. Lorsqu’ils ont traité les cultures avec de l’ARNt synthétique qui portait un acide aminé non conventionnel facilement traçable et ont reconnu ces codons rares, ils ont découvert que le triplet TCG introduisait le nouveau bloc de construction dans la protéine avec le rendement le plus élevé.
Étant donné que le codon TCG pouvait efficacement ordonner au ribosome d’ajouter l’acide aminé non conventionnel à une protéine souhaitée, les scientifiques ont estimé qu’il pourrait également ajouter la nouvelle sous-unité à d’autres protéines de la cellule qui abritent ce triplet rare, modifiant ainsi potentiellement la fonction de facteurs essentiels. Pour évaluer le niveau d’inclusion de fond, les chercheurs ont traité les cellules avec différents ARNt porteurs d’un acide aminé traçable et reconnaissant soit le codon TCG, soit l’un des six autres codons les moins utilisés. Après avoir récolté toutes les protéines des cellules et les avoir colorées pour le bloc de construction traçable, l’équipe a découvert que celles traitées avec l’ARNt correspondant au codon TCG produisaient le signal le plus faible, révélant que ce triplet conduisait au niveau le plus faible d’incorporation de fond dans d’autres protéines.
Pour comprendre pourquoi la réaffectation du codon TCG n’affectait que très peu les autres protéines de la cellule, l’équipe de Lin a étudié les séquences d’ARN de chaque côté du codon TCG. Ils ont découvert que l’efficacité de l’incorporation dépendait des séquences environnantes. « Nous avons même découvert que si le codon en amont mute d’un SNP (polymorphisme d’un seul nucléotide), l’efficacité du recodage va être radicalement différente », a déclaré Lin. Cela signifie que les chercheurs qui cherchent à réaffecter ce codon doivent soigneusement réfléchir à l’endroit où le placer dans une séquence. « Dans certains cas, nous incorporons ces codons rares dans différentes positions sur la protéine, et l’efficacité du recodage diverge considérablement de 5 à 99 % », a-t-il noté.
Enfin, pour repousser les limites de leur stratégie, les biologistes synthétiques ont tenté de réutiliser les deux codons suivants les moins utilisés, TAG et TGA, aux côtés de TCG. Ils ont réussi à modifier l’eGFP pour qu’il porte simultanément trois acides aminés non conventionnels dans sa chaîne. Cette découverte révèle que de multiples sous-unités nouvelles aux propriétés uniques peuvent être ajoutées aux protéines, augmentant ainsi la capacité des chercheurs à concevoir des biomolécules aux fonctions complexes.
L’ingénierie des protéines pour qu’elles transportent des acides aminés non conventionnels pourrait avoir des applications thérapeutiques. Van Deventer a suggéré que les scientifiques pourraient utiliser cette stratégie pour installer un acide aminé qui agit comme un conjugué médicamenteux sur des anticorps. Le fait d’amener la cellule à incorporer le conjugué pendant la synthèse des protéines pourrait améliorer le rendement par rapport à la modification chimique d’anticorps déjà préparés, a-t-il expliqué.
Les chercheurs pourraient également utiliser cette stratégie pour ajouter des éléments constitutifs aux propriétés inhabituelles dans les protéines. « Nous essayons d’incorporer des acides aminés non naturels à forte réactivité chimique », explique Lin. Cela pourrait permettre au nouvel acide aminé de subir d’autres modifications après la synthèse des protéines. Par exemple, cette approche pourrait permettre aux chercheurs d’incorporer des acides aminés réticulables dans les protéines, les forçant à se coupler physiquement, a noté Van Deventer. Une telle technologie pourrait faciliter l’étude des interactions physiques entre les protéines.
Divulgation des conflits d’intérêts : Shixian Lin a déposé un brevet provisoire lié à cette étude dans le but de commercialiser la technique.
Les références
1. Tang H, et al. Technologies récentes d’expansion du code génétique et leurs implications sur les applications de la biologie synthétique. J Mol Biol. 2022;434(8):167382.
2. Ding W, et al. Recodage de codons rares pour une incorporation efficace d’acides aminés non canoniques dans les cellules de mammifères. Science. 2024;384(6700):1134-1142.
3. Komar AA. Le Yin et le Yang de l’utilisation des codons. Hum Mol Genet. 2016;25(R2):R77-R85.
4. Brown A, et al. Base structurelle de la reconnaissance du codon stop chez les eucaryotes. Nature. 2015;524(7566):493-496.
5. Chin J. Élargir et reprogrammer le code génétique. Nature. 2017;550(7674):53–60.
6. Lekomtsev SA. Codes génétiques non standard et terminaison de la traduction. Mol Biol. 2007;41(6):878-885.
7. Komar AA. Un code dans un code : comment les codons affinent le repliement des protéines dans la cellule. Biochimie Mosc. 2021;86(8):976-991.
