RDDK-Shld1系統在水稻和小麥中獲得成功應用

　　在后基因組時代生物學研究的主要挑戰是鑒定所有蛋白的功能。本文威正翔禹/締一生物為您分析RDDK-Shld1系統在水稻和小麥中獲得成功應用。

    研究蛋白生物學功能的主要手段是對其表達水平進行擾動，然后觀察相應的表型變化。目前，植物學研究中常用的方法是在DNA和RNA水平對蛋白表達進行調控；然而，這些方法對蛋白水平的調控都是間接的，需要較長時間起作用，并且蛋白本身的穩定性也影響最終的調控效果。為了解決這些問題，中國科學院微生物研究所邱金龍課題組前期在雙子葉模式植物擬南芥中建立了一個通過合成的小分子化合物對體內目標蛋白水平進行直接調控的技術體系——RDDK-Shld1系統（Su, et al., 2013, Molecular Plant）。最近，邱金龍課題組在利用RDDK-Shld1系統直接精細調控單子葉作物體內蛋白水平的研究中取得新進展。

　　RDDK-Shld1系統通過在DD結構域（FKBP12的一種突變形式，穩定性非常低）的氨基端引入一個精氨酸（R），在羧基端引入一個賴氨酸（K）作為潛在的泛素接受基團，形成一個新型融合標簽RDDK，然后在RDDK標簽的N端融合一個泛素（圖1）。RDDK融合蛋白在細胞翻譯過程中，N端的泛素被切除暴露出精氨酸。根據N端法則該融合蛋白極其不穩定而被蛋白酶體降解。當人工合成小分子化合物Shld1存在時，Shld1與DD結構域結合，穩定了RDDK融合蛋白，使其在細胞中得以積累（圖1）。該研究在水稻和小麥中均未檢測到RDDK融合蛋白的滲漏表達，顯示RDDK-Shld1系統在單子葉植物中的嚴謹性。Shld1處理能誘導水稻和小麥中RDDK融合蛋白的積累，并且積累水平與Shld1施加濃度相對應。重要的是，Shld1誘導的蛋白積累具有可逆性，即在去除Shld1后，融合蛋白逐漸被降解至免疫印跡無法檢測。基于此，RDDK-Shld1系統在單子葉植物中可對目標蛋白累積實現精細的時空調控。進一步研究發現，抗除草劑蛋白Bar和抗稻瘟病蛋白Pid3的積累都可以通過RDDK-Shld1系統進行調控，并且Shld1誘導積累的RDDK-Bar和RDDK-Pid3蛋白能夠分別使相應的轉基因植物具有除草劑抗性和稻瘟病抗性，表明利用RDDK-Shld1系統可以對水稻和小麥中目標蛋白的功能進行直接調控。

　　水稻和小麥都是重要的糧食作物，雖然一些外源基因的轉入可顯著提高作物的適應性和糧食品質，但是由于外源基因表達的蛋白的積累可能會引起大眾對轉基因食品的擔憂，而RDDK-Shld1系統的應用由于在無Shld1情況下不會出現外源蛋白的積累而可以消除這個擔憂。因此，RDDK-Shld1系統作為新型的直接精細調控蛋白積累水平的技術不僅可以作為研究蛋白功能的有效工具，還為農業生物技術的發展及轉基因育種提供有力的技術支撐。研究成果已于近日在線發表于《植物生物技術雜志》（Plant Biotechnology Journal）。實驗工作主要由邱金龍課題組碩士生張靖波、助理研究員尹康權及實驗員孫娟完成，邱金龍為通訊作者。水稻和小麥的遺傳轉化得到中科院遺傳與發育生物學研究所生物技術平臺的大力幫助。該研究得到了國家轉基因專項、中科院及植物基因組學國家重點實驗室的經費支持。

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