微生物所开发的RDDK-Shld1系统在水稻和小麦中获得成功应用

摘要: 　　在后基因组时代生物学学习的主要挑战是鉴定所有蛋白的功能。学习蛋白生物学功能的主要手段是对其表达水平进行扰动，然后观察相应的表型变化。目前，植物学学习中常用的方法是在DNA和RNA水平对蛋白表达进行调控； ...

　　在后基因组时代生物学学习的主要挑战是鉴定所有蛋白的功能。学习蛋白生物学功能的主要手段是对其表达水平进行扰动，然后观察相应的表型变化。目前，植物学学习中常用的方法是在DNA和RNA水平对蛋白表达进行调控；然而，这些方法对蛋白水平的调控都是间接的，需要较长时间起作用，并且蛋白本身的稳定性也影响最终的调控效果。为了解决这些问题，中国科学院微生物学习所邱金龙课题组前期在双子叶模式植物拟南芥中建立了一个通过合成的小分子化合物对体内目标蛋白水平进行直接调控的技术体系——RDDK-Shld1系统（Su， et al.， 2013， Molecular Plant）。最近，邱金龙课题组在利用RDDK-Shld1系统直接精细调控单子叶作物体内蛋白水平的学习中取得新进展。
　　RDDK-Shld1系统通过在DD结构域（FKBP12的一种突变形式，稳定性非常低）的氨基端引入一个精氨酸（R），在羧基端引入一个赖氨酸（K）作为潜在的泛素接受基团，形成一个新型融合标签RDDK，然后在RDDK标签的N端融合一个泛素（图1）。RDDK融合蛋白在细胞翻译过程中，N端的泛素被切除暴露出精氨酸。根据N端法则该融合蛋白极其不稳定而被蛋白酶体降解。当人工合成小分子化合物Shld1存在时，Shld1与DD结构域结合，稳定了RDDK融合蛋白，使其在细胞中得以积累（图1）。该学习在水稻和小麦中均未检测到RDDK融合蛋白的渗漏表达，显示RDDK-Shld1系统在单子叶植物中的严谨性。Shld1处理能诱导水稻和小麦中RDDK融合蛋白的积累，并且积累水平与Shld1施加浓度相对应。重要的是，Shld1诱导的蛋白积累具有可逆性，即在去除Shld1后，融合蛋白逐渐被降解至免疫印迹无法检测。基于此，RDDK-Shld1系统在单子叶植物中可对目标蛋白累积实现精细的时空调控。进一步学习发现，抗除草剂蛋白Bar和抗稻瘟病蛋白Pid3的积累都可以通过RDDK-Shld1系统进行调控，并且Shld1诱导积累的RDDK-Bar和RDDK-Pid3蛋白能够分别使相应的转基因植物具有除草剂抗性和稻瘟病抗性，表明利用RDDK-Shld1系统可以对水稻和小麦中目标蛋白的功能进行直接调控。
　　水稻和小麦都是重要的粮食作物，虽然一些外源基因的转入可显著提高作物的适应性和粮食品质，但是由于外源基因表达的蛋白的积累可能会引起大众对转基因食品的担忧，而RDDK-Shld1系统的应用由于在无Shld1情况下不会出现外源蛋白的积累而可以消除这个担忧。因此，RDDK-Shld1系统作为新型的直接精细调控蛋白积累水平的技术不仅可以作为学习蛋白功能的有效工具，还为农业生物技术的发展及转基因育种提供有力的技术支撑。学习成果已于近日在线发表于植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）。实验工作主要由邱金龙课题组硕士生张靖波、助理学习员尹康权及实验员孙娟完成，邱金龙为通讯作者。水稻和小麦的遗传转化得到中科院遗传与发育生物学学习所生物技术平台的大力帮助。该学习得到了国家转基因专项、中科院及植物基因组学国家重点实验室的经费支持。