Nature Commun | 武汉大学胥国勇课题组利用相分离原理开发可遗传编码的靶向蛋白降解技术

控制基因表达是研究基因功能和作物性状遗传改良的重要手段。随着CRISPR、RNAi和microRNA等技术的发展，研究者已经能够在DNA和mRNA层面对蛋白质编码基因进行靶向调控。然而，针对植物内源蛋白的调控技术仍然缺乏。尽管动物中已经开发了基于泛素-蛋白酶体降解系统（UPS）和细胞自噬途径（autophagy）的靶向蛋白降解技术（如PROTAC和AUTAC等），但这些方法普遍依赖小分子化合物、抗体或预先敲入的degron序列，极大限制了其在植物中的应用。因此，开发一种简便高效、靶向内源蛋白的降解技术，将为植物基因功能研究和作物遗传改良提供新的工具，并为人类疾病治疗提供新的思路。

近日，武汉大学高等研究院、杂交水稻全国重点实验室和湖北省洪山实验室胥国勇教授课题组在Nature Communications期刊上在线发表了题为“Genetically-encoded targeted protein degradation technology to remove endogenous condensation-prone proteins and improve crop performance”的研究论文。该研究开发了一种基于相分离原理的靶向蛋白降解技术（Targeted Condensation-prone-protein Degradation，TCD），通过遗传编码的方式靶向降解内源蛋白，实现了水稻发育和抗病性状的精准调控。

该课题组在前期研究中发现，慢性免疫反应中HEM1团聚体会导致植物叶片发生黄化等感染损伤，从而降低了植物的病害耐受性[1, 2]。为清除这些有害的蛋白质团聚体，课题组基于蛋白自我聚集的特性及E3泛素连接酶介导降解的原理，筛选出了一种可自降解的E3泛素连接酶E3TCD1，并设计了一个可遗传编码的X–E3TCD1融合蛋白作为Degrader。当内源蛋白X发生相分离聚集的时候，外源表达的X–E3TCD1能进入并将该团聚体标记，促进泛素化修饰及团聚体降解。该技术可通过瞬时表达在烟草中研究，也可通过转基因方式在拟南芥和水稻中研究基因功能。课题组利用病原响应性ProTBF1-uORFsTBF1表达盒在转录和翻译水平上控制OsELF3–E3TCD1表达，成功提升了水稻抗稻瘟病的能力，同时不影响其开花时间，实现了基因工程作物的改良目标。

该技术不涉及靶基因DNA序列的改变，且能够精准调控X–E3TCD1的表达，对致死基因功能研究具有潜在价值。它还可以实现同源蛋白的共同降解，对于冗余基因的研究及多倍体作物中等位基因的研究具有潜在的应用价值。在论文投稿过程中，动物中报道了类似的降解系统RING-Bait，该系统通过将引起阿尔茨海默病的Tau蛋白与广泛使用的E3泛素连接酶TRIM21的RING结构域融合，并通过病毒介导的基因递送方式成功清除了Tau聚集体[3]。与此不同，TCD方案通过从头筛选自降解功能的E3TCD1，使X–E3TCD1能够自我降解，从而减少了X–E3TCD1积累带来的潜在不利影响。此外，课题组的方案针对转录因子，这些蛋白与许多人类疾病密切相关，因此该研究为基因治疗更多人类疾病提供了重要的思路。

TCD系统的原理及水稻抗病性改良应用示意图

武汉大学博士研究生罗明为该论文第一作者。武汉大学胥国勇教授为通讯作者。华中农业大学袁猛教授、中国农业科学院植物保护研究所宁约瑟研究员、武汉大学朱思涛、党华、温晴、牛瑞霞、龙佳薇、王昭、仝永佳参与了该项工作。相关工作得到农业生物育种重大项目、国家自然科学基金委、湖北洪山实验室重大项目、湖北省重点研发项目等资助。

参考文献：

1. Zhou, Y. et al. Plant HEM1 specifies a condensation domain to control immune gene translation. 2023. Nat Plants 9, 289-301

2. Tang, Z. et al. Alleviating protein-condensation-associated damage at the endoplasmic reticulum enhances plant disease tolerance. 2024. Cell Host Microbe 32, 1552-1565.e1558

3. Miller, L. V. C. et al. Co-opting templated aggregation to degrade pathogenic tau assemblies and improve motor function. 2024. Cell 187, 5967-5980.e5917

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56570-x