開發基于植物細胞自噬的蛋白降解系統

近日，華南農業大學教授李發強/謝慶軍課題組合作，首次報道了一套基于植物細胞自噬的蛋白降解系統，證明了靶向自噬的降解技術在植物研究中的可行性和發展潛力。相關研究在線發表于New Phytologist。

細胞自噬是真核生物中一種保守的代謝機制，通過溶酶體或液泡來降解細胞質中的多余蛋白質或受損細胞器，以循環利用物質，從而維持細胞穩態。細胞自噬在植物生長發育過程和應對脅迫等方面發揮著重要的作用，目前的研究主要是通過自噬途徑關鍵基因的過表達以提高植物的抗逆性和產量，而基于自噬的靶向降解技術在植物中的研究還處于起步階段。

靶向降解技術是一類利用真核細胞內天然存在的降解機制對有害物質進行特異降解、以維持和改善細胞穩態的重要技術。目前基于細胞自噬的靶向降解技術的應用潛能還遠未被完全開發，特別是在植物研究領域。細胞利用選擇性自噬特異降解各種底物的過程是通過一類自噬銜接蛋白的介導來完成。自噬銜接蛋白作為一個雙功能分子，既可以識別并特異結合自噬底物，也可以通過自身含有的、能與自噬核心蛋白ATG8結合的互作基序AIM（ATG8-interacting motif）錨定在自噬囊泡膜上，從而將底物導入自噬體中。基于選擇性自噬機制，李發強和謝慶軍課題組設計了一套植物蛋白降解系統。該系統由3部分組成：來自擬南芥（Arabidopsis thaliana）的自噬銜接蛋白NBR1（Next to BRCA1 gene 1）的AIM，與靶蛋白特異結合的短肽或結構域Binder，以及用于示蹤的熒光蛋白。該系統通過靶蛋白結合結構域和AIM分別與靶蛋白和ATG8結合，招募自噬體將靶蛋白轉運至液泡中降解。

該研究通過更換不同的靶蛋白結合短肽或結構域對這套系統進行了測試。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，構建了介導GFP融合蛋白降解的自噬銜接蛋白AIM-GBP-mCherry。在煙草中瞬時共表達的結果顯示，AIM-GBP- mCherry能介導多種GFP標記的蛋白和細胞器轉運至液泡，包括定位于細胞核的bZIP轉錄因子TGA5、錨定于質膜的油菜素甾體受體BRI1（Brassinosteroid- insensitive 1）以及過氧化物酶體。

該研究進一步利用能與油菜素內酯信號轉導途徑核心調控激酶BIN2（Brassinosteroid-insensitive 2）特異互作的短肽為Binder，構建了自噬銜接蛋白AIM-BZR1C82-mCherry，并在擬南芥中穩定表達，發現該銜接蛋白能選擇性自噬降解內源的BIN2。

上述研究結果證明了這套基于植物細胞自噬的蛋白降解系統的特異性、廣泛的應用范圍和發展潛力，可以通過設計和改造自噬銜接蛋白，將靶向降解底物的范圍拓展至非蛋白類生物大分子，以期達到將對植物生長發育不利的因子經由細胞自噬轉運并區室化隔離于液泡的目的，進而開發能夠抵御病毒侵染或抵抗有害物質的農作物新品種。