中国科学院东北地理与农业生态研究所/牛津大学发文揭示本氏烟草的蛋白质组是由一种精心设计的蛋白水解机制塑造而成。

农杆菌侵染本氏烟草技术在植物科学研究中作为一种简便有效的实验方法被大量使用，并且在分子医药农业（Molecular pharming）领域中被作为蛋白质表达的平台。然而，植物内源蛋白酶引起的加工和降解阻碍了目的蛋白产量或重组蛋白的生产。 目前，研究蛋白质加工的实验技术还不成熟，因此对植物蛋白质加工的了解是非常有限的，并且对植物内源性底物知之甚少。

近日，中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆分子设计育种重点实验室大豆功能基因组学学科组和牛津大学植物化学实验室Renier van der Hoorn团队合作，在 New Phytologist 上在线发表题为“ The proteome of Nicotiana benthamiana is shaped by extensive protein processing ”的研究论文。 该研究通过改进蛋白质拓扑和迁移分析平台（PRotein TOpography and Migration Analysis Platform，PROTOMAP），将从质谱中获得的一维数据升级为二维模型，绘制出5040种植物蛋白质在凝胶中的迁移图谱。这个庞大的蛋白质组数据集暗示了本氏烟草的蛋白质组是由一种精心设计的蛋白水解机制塑造而成。

通过蛋白凝胶分离农杆菌侵染的烟草叶片中提取的可溶性蛋白，并将每个泳道切成24个凝胶切片（图1）。通过LC-MS/MS技术获得原始数据，并根据最新发布的LAB3.60本氏烟草基因组对数据进行注释（Ranawaka et al., 2023)。共检测到来自5040种植物蛋白的36967种不同胰蛋白酶肽（图1）。根据注释信息绘制了所有检测蛋白的特异图谱，提供了包括蛋白凝胶分布、肽段检测次数、信号强度、蛋白预期分子量、结构域、关键词和蛋白序列等丰富的信息，并生成PDF文件，使读者可以通过基因号、PFAM号、关键词以及序列等多种方式进行搜索（图2）。

图1农杆菌侵染的本氏烟草叶片中检测到5040种植物蛋白

图2蛋白质的拓扑结构和迁移形态的图谱示例

这个数据集揭示了约60%的被检测蛋白质具有低于预测分子量迁移的蛋白形式存在，暗示了广泛的蛋白水解过程。该分析证实了大多数蛋白酶的蛋白水解去除和自身抑制原域的降解，并揭示了果胶甲基酯酶和脂肪酶家族的不同加工过程。该分析还揭示了糖苷酶的复杂加工过程和胞外结构域脱落可能在多种受体样激酶中频繁出现的现象。利用双标签标记的候选蛋白瞬时表达实验，证实了加工事件在植物体内的真实存在（图3）。

中国科学院东北地理与农业生态研究所助理研究员、英国牛津大学博士后 郑凯杰 为论文第一作者，英国牛津大学 Renier van der Hoorn 教授为论文通讯作者。牛津大学博士生 吕晨曲 （Joy C. Lyu） 、Emma L. Thomas 等参与了研究。该研究获得中国国家留学基金委（CSC）、英国生物科技及生物科学研究委员会（BBSRC）、欧洲研究理事会（ERC）和牛津大学博士培训中心（DTC）等机构和项目的共同资助。

参考文献：

Ranawaka B, An J, Lorenc MT, Jung H, Sulli M, Aprea G, Roden S, Llaca V, Hayashi S, Asadyar L et al. 2023. A multi-omic Nicotiana benthamiana resource for fundamental research and biotechnology. Nature Plants 9: 1558–1571.