RDDK-Shld1系統(tǒng)在水稻和小麥中獲得成功應(yīng)用

　　在后基因組時代生物學(xué)研究的主要挑戰(zhàn)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(tǒng)在水稻和小麥中獲得成功應(yīng)用。

    研究蛋白生物學(xué)功能的主要手段是對其表達(dá)水平進(jìn)行擾動，然后觀察相應(yīng)的表型變化。目前，植物學(xué)研究中常用的方法是在DNA和RNA水平對蛋白表達(dá)進(jìn)行調(diào)控；然而，這些方法對蛋白水平的調(diào)控都是間接的，需要較長時間起作用，并且蛋白本身的穩(wěn)定性也影響最終的調(diào)控效果。為了解決這些問題，中國科學(xué)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(nèi)目標(biāo)蛋白水平進(jìn)行直接調(diào)控的技術(shù)體系——RDDK-Shld1系統(tǒng)（Su, et al., 2013, Molecular Plant）。最近，邱金龍課題組在利用RDDK-Shld1系統(tǒng)直接精細(xì)調(diào)控單子葉作物體內(nèi)蛋白水平的研究中取得新進(jìn)展。

　　RDDK-Shld1系統(tǒng)通過在DD結(jié)構(gòu)域（FKBP12的一種突變形式，穩(wěn)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(tuán)，形成一個新型融合標(biāo)簽RDDK，然后在RDDK標(biāo)簽的N端融合一個泛素（圖1）。RDDK融合蛋白在細(xì)胞翻譯過程中，N端的泛素被切除暴露出精氨酸。根據(jù)N端法則該融合蛋白極其不穩(wěn)定而被蛋白酶體降解。當(dāng)人工合成小分子化合物Shld1存在時，Shld1與DD結(jié)構(gòu)域結(jié)合，穩(wěn)定了RDDK融合蛋白，使其在細(xì)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(dá)，顯示RDDK-Shld1系統(tǒng)在單子葉植物中的嚴(yán)謹(jǐn)性。Shld1處理能誘導(dǎo)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(yīng)。重要的是，Shld1誘導(dǎo)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(tǒng)在單子葉植物中可對目標(biāo)蛋白累積實現(xiàn)精細(xì)的時空調(diào)控。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，并且Shld1誘導(dǎo)積累的RDDK-Bar和RDDK-Pid3蛋白能夠分別使相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(tǒng)可以對水稻和小麥中目標(biāo)蛋白的功能進(jìn)行直接調(diào)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(zhuǎn)入可顯著提高作物的適應(yīng)性和糧食品質(zhì)，但是由于外源基因表達(dá)的蛋白的積累可能會引起大眾對轉(zhuǎn)基因食品的擔(dān)憂，而RDDK-Shld1系統(tǒng)的應(yīng)用由于在無Shld1情況下不會出現(xiàn)外源蛋白的積累而可以消除這個擔(dān)憂。因此，RDDK-Shld1系統(tǒng)作為新型的直接精細(xì)調(diào)控蛋白積累水平的技術(shù)不僅可以作為研究蛋白功能的有效工具，還為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展及轉(zhuǎn)基因育種提供有力的技術(shù)支撐。研究成果已于近日在線發(fā)表于《植物生物技術(shù)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(quán)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(zhuǎn)化得到中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所生物技術(shù)平臺的大力幫助。該研究得到了國家轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?、中科院及植物基因組學(xué)國家重點實驗室的經(jīng)費支持。

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