近日，華東理工大學(xué)藥學(xué)院、生物反應器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室、光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心楊弋教授團隊與中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所科研團隊在蛋白質(zhì)光遺傳學(xué)控制技術(shù)研究中取得突破性進(jìn)展，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》上發(fā)表了題為“Controllingprotein stability with SULI, a highly sensitive tag for stabilization upon lightinduction”的研究文章。
?
?
基因編輯、轉錄調控和RNA干擾是目前廣泛應用的活細胞蛋白質(zhì)操縱方法，可以用于研究特定蛋白在復雜生物過(guò)程中的功能。特別是CRISPR-Cas系統，其作為一種靈活和強大的基因組編輯工具，近年來(lái)得到了極為廣泛的應用。然而，這些技術(shù)均是在基因或mRNA水平對蛋白質(zhì)進(jìn)行控制，而mRNA轉錄生成和翻譯均需要時(shí)間，使得這些方法在表型控制方面存在有較大的延遲。內源性細胞蛋白可以在蛋白酶體靶向的情況下，通過(guò)蛋白酶體靶向的嵌合分子（PROTACs）或通過(guò)降解特定的抗體和抗體受體來(lái)進(jìn)行快速降解。然而，發(fā)展這些蛋白特異的小分子誘導物或者抗體耗時(shí)較長(cháng)且價(jià)格高昂，而且它們在生物體內自由擴散，一旦加入便很難從生物系統中去除，導致蛋白質(zhì)調控的可逆性差。因此，發(fā)展可以直接在蛋白水平對蛋白質(zhì)進(jìn)行高時(shí)空分辨調控的工具是至關(guān)重要的。
光由于其精確的時(shí)間和空間分辨率可以滿(mǎn)足理想的蛋白質(zhì)控制開(kāi)關(guān)的幾乎所有要求。迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)設計出了多種光誘導降解子（LIDs），并成功應用于酵母、線(xiàn)蟲(chóng)、斑馬魚(yú)和哺乳動(dòng)物細胞等模式生物中蛋白質(zhì)降解的光遺傳學(xué)精密調控。已報道的LIDs均包括一個(gè)來(lái)自高等植物的藍光敏感LOV蛋白和一個(gè)C端降解子短肽（degron）。在黑暗條件下，LOV蛋白的C端α螺旋與它的核心結構域相互作用，從而將降解子短肽保護起來(lái)，不被蛋白酶識別和降解。在藍光照射下，LOV蛋白的C端α螺旋與LOV核心結構域解離，降解子短肽被釋放出來(lái)，進(jìn)而被蛋白酶識別并降解。然而，這些LIDs即使在非誘導狀態(tài)下也會(huì )破壞目標蛋白的穩定性，從而縮小了蛋白質(zhì)水平的動(dòng)態(tài)調控范圍。此外，LIDs中的降解子短肽如鳥(niǎo)氨酸脫羧酶（ODC）的C端序列和四氨基酸小肽RRRG，只能在蛋白質(zhì)的C端起作用。因此，LIDs必須融合在目標蛋白質(zhì)的C端，因此對于不耐受C端融合的蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)并不適用。因此，發(fā)展具有優(yōu)良光誘導特性且更好通用性的光敏感蛋白質(zhì)降解子仍是非常急迫且具有挑戰性的。
在本研究中，研究團隊基于光敏蛋白VVD發(fā)展了光誘導穩定的蛋白質(zhì)降解標簽SULI（stabilization upon light induction）。在黑暗條件下，SULI標簽會(huì )被細胞的降解系統識別并降解；在藍光照射下，SULI標簽則非常穩定。實(shí)驗結果表明，SULI可被用于調控多種報告蛋白的穩定性。更重要的是，SULI可插入在目的蛋白的N端、C端甚至是內部來(lái)調控它們的穩定性。進(jìn)一步研究結果表明，SULI對目的蛋白的降解是光強依賴(lài)的，并且可以震蕩式調控目的蛋白在細胞中的豐度。本研究還研究了SULI介導蛋白質(zhì)降解的分子機制。結果表明，SULI是通過(guò)非賴(lài)氨酸泛素化依賴(lài)的蛋白酶體途徑降解的，并且還伴隨有聚集與去聚集過(guò)程。研究團隊利用顯微成像實(shí)驗證明SULI在其降解過(guò)程中會(huì )發(fā)生聚集，并在Hsp104蛋白的輔助下完成去聚集并進(jìn)入蛋白酶體完成降解過(guò)程。本研究隨后利用SULI調控酵母細胞內源蛋白SicI的穩定性，實(shí)現酵母細胞周期的精確控制。此外，SULI還可用于調控斑馬魚(yú)中蛋白質(zhì)的穩定性，通過(guò)對Pitx2蛋白穩定性的調控，本研究實(shí)現了斑馬魚(yú)發(fā)育過(guò)程的精確控制。綜上，SULI為研究不同細胞過(guò)程中的蛋白質(zhì)代謝和功能提供了一個(gè)強大而方便的工具。
?
?
該篇論文第一作者為茅繆偉博士（現為中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康所副研究員）、錢(qián)亞杰博士與張文耀博士，通訊作者為楊弋教授和陳顯軍教授。該研究獲得了中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康所王澤峰研究員的大力支持。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市細胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地、生物反應器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室基金、教育部基本科研業(yè)務(wù)費等經(jīng)費資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37830-0
?
?
來(lái)源：華東理工大學(xué)新聞網(wǎng)
官方微信
