近日，我校生命科學(xué)學(xué)院李發(fā)強(qiáng)教授和農(nóng)學(xué)院謝慶軍教授課題組聯(lián)合于 New Phytologist (影響因子10.323 ，生物學(xué)一區(qū)) 在線發(fā)表了題為Engineered AIM-based selective autophagy to degradeproteins and organelles in planta的研究論文（論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18557），首次報(bào)道了一套基于植物細(xì)胞自噬的蛋白降解系統(tǒng)，證明了靶向自噬的降解技術(shù)在植物研究中的可行性和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
細(xì)胞自噬是真核生物中一種保守的代謝機(jī)制，通過溶酶體或液泡來降解細(xì)胞質(zhì)中的多余蛋白質(zhì)或受損細(xì)胞器，以循環(huán)利用物質(zhì)，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。細(xì)胞自噬在植物生長發(fā)育過程和應(yīng)對脅迫等方面發(fā)揮著重要的作用，但是目前主要是通過自噬途徑關(guān)鍵基因的過表達(dá)以提高植物的抗逆性和產(chǎn)量，而基于自噬的靶向降解技術(shù)在植物中的研究還處于起步階段。
圖1. 基于自噬-液泡途徑的靶向降解策略示意圖
基于 ATG8 互作基序(AIM)的降解劑可以通過與靶標(biāo)底物(POI)和ATG8相互作用，將底物連接到自噬體再進(jìn)入液泡降解。
靶向降解技術(shù)是一類利用真核細(xì)胞內(nèi)天然存在的降解機(jī)制對有害物質(zhì)進(jìn)行特異降解、以維持和改善細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要技術(shù)。基于選擇性自噬機(jī)制，李發(fā)強(qiáng)教授和謝慶軍教授課題組設(shè)計(jì)了一套植物蛋白降解系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3部分組成(圖1)：來自擬南芥(Arabidopsis thaliana)的自噬銜接蛋白NBR1(Next to BRCA1 gene 1) 的AIM 基序，與靶蛋白特異結(jié)合的短肽或結(jié)構(gòu)域，以及用于示蹤的熒光蛋白。該系統(tǒng)通過靶蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域和AIM分別與靶蛋白和ATG8結(jié)合，招募自噬體將靶蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中降解。該研究通過更換不同的靶蛋白結(jié)合短肽或結(jié)構(gòu)域?qū)@套系統(tǒng)進(jìn)行了測試。首先利用對綠色熒光蛋白 (Green fluorescent protein, GFP) 具高度親和力的納米抗體 GBP (GFP-binding protein) 為 Binder，構(gòu)建了介導(dǎo)GFP融合蛋白降解的自噬銜接蛋白 AIM-GBP-mCherry。在煙草中瞬時(shí)共表達(dá)的結(jié)果顯示， AIM-GBP- mCherry 能介導(dǎo)多種GFP標(biāo)記的蛋白和細(xì)胞器轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡， 包括定位于細(xì)胞核的bZIP 轉(zhuǎn)錄因子TGA5、錨定于質(zhì)膜的油菜素甾體受體BRI1(Brassinosteroid- insensitive 1)以及過氧化物酶體。該研究進(jìn)一步利用能與油菜素內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑核心調(diào)控激酶 BIN2 (Brassinosteroid-insensitive 2) 特異互作的短肽為Binder，構(gòu)建了自噬銜接蛋白AIM-BZR1C82-mCherry ，并在擬南芥中穩(wěn)定表達(dá)，發(fā)現(xiàn)該銜接蛋白能選擇性自噬降解內(nèi)源的BIN2(圖2)。以上研究結(jié)果證明了這套基于植物細(xì)胞自噬的蛋白降解系統(tǒng)的特異性、廣泛的應(yīng)用范圍和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
該研究成果也于李發(fā)強(qiáng)教授課題組今年11月發(fā)表在《華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》的綜述《基于細(xì)胞自噬的靶向降解技術(shù)及在植物研究中的應(yīng)用前景》中提及(《華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》，2022，43 (6)：97-106)。
圖 2. 自噬銜接蛋白 AIM-BZR1C82-mCherry 能選擇性自噬降解內(nèi)源的 BIN2
該研究論文第一署名單位為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，我校生命科學(xué)學(xué)院羅娜助理研究員為第一作者，生命科學(xué)學(xué)院李發(fā)強(qiáng)教授和和農(nóng)學(xué)院謝慶軍教授為該論文的共同通訊作者；我校黃曉副教授、陶利珍教授、劉林川教授，華南師范大學(xué)高彩吉教授及未米生物的錢揚(yáng)文博士作為共同作者，為該研究的實(shí)施提供了必要的技術(shù)支持。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、“十四五”廣東省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大主攻方向“揭榜掛帥”項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目和珠江青年頂尖科學(xué)人才計(jì)劃的支持。
文圖/生命科學(xué)學(xué)院 黃曉
