牙科团队调整DNA以改善植物药物

宾夕法尼亚大学牙科医学院生物化学与病理学系教授亨利丹尼尔在使用基因工程哄骗生菜和烟草植物在叶子中产生外来蛋白方面取得了巨大成功，无论是来自脊髓灰质炎病毒制造疫苗，用于合成疟疾药物的艾草植物，或用于进行血友病治疗的人凝血因子。

然而，多年来，他注意到虽然他的植物药物生产平台可以有效地表达细菌基因以及短的人类基因，但它难以表达病毒基因和更长的人类基因。丹尼尔及其同事假设的一个解释可能与植物，动物，细菌和病毒之间的差异有关，它们如何使用DNA代码制造蛋白质。

“植物叶绿体是细菌样的，或原核生物，人类是真核生物，”丹尼尔说。“所以这就是挑战：我们怎样才能使叶绿体识别人类基因并将其转化为自己的基因来制造蛋白质?”

蛋白质由称为氨基酸的构建块组成，它们本身是根据称为密码子的三个字母的DNA串产生的。有64个密码子但只有20个氨基酸，因为多个密码子编码相同的氨基酸。但事实证明，不同的生物对于它们用于产生给定氨基酸的密码子具有不同的偏好。

Daniell团队在最近发表在植物生理学杂志上的一篇论文中试图利用这些特定物种的偏好 。研究人员分析了133种植物的基因组，以了解哪些密码子最常用于编码特定的氨基酸。利用他们的分析结果，他们设计了一个软件程序，将任何给定的DNA序列转换成莴苣或烟草植物首选的序列。该软件现在可供其他研究人员免费使用。

接下来，研究小组测试了这种“密码子优化”过程是否导致蛋白质表达水平增加，使用优化基因的头对头比较 - 软件的输出与两种不同蛋白质中的天然基因的比较血友病治疗和脊髓灰质炎疫苗。

该研究团队与为丹尼尔血友病研究提供资金的公司Novo Nordisk合作开发了一项技术，该技术涉及对目标蛋白质的探测，以便在成品批次中得出确切的数量。

研究结果揭示了密码子优化的重大影响：该过程导致血友病凝血因子的表达水平比天然蛋白质高5至6倍，并且脊髓灰质炎病毒蛋白的水平比天然序列高约26倍。

“这两项改进 - 提高蛋白质的表达水平和量化确切的剂量 - 是[美国食品和药物管理局]对我们工作的关键问题，”丹尼尔说。“现在我们已经解决了这些问题，我们比以往任何时候都更接近将这些疗法送到诊所。”