將固氮酶系統(tǒng)導(dǎo)入植物細(xì)胞以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物自主固氮，從而減少或替代工業(yè)氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是生物固氮研究的終極目標(biāo)。2023年8月16日，北京大學(xué)楊建國與王憶平團(tuán)隊(duì)在美國科學(xué)院院刊《PNAS》上以Article的形式在線發(fā)表了題為“Organelle-dependent polyprotein designs enable stoichiometric expression of nitrogen fixation components targeted to mitochondria”的研究論文，創(chuàng)制了基于線粒體信號(hào)肽酶的多聚蛋白型固氮酶系統(tǒng)，進(jìn)一步解決了真核細(xì)胞中協(xié)調(diào)表達(dá)固氮酶組分時(shí)面臨的瓶頸問題。
固氮酶系統(tǒng)高度復(fù)雜，需要十幾個(gè)基因同時(shí)且按特定比例表達(dá)才能實(shí)現(xiàn)其功能性，基因數(shù)量眾多及各基因協(xié)調(diào)表的需求極大的限制了固氮酶系統(tǒng)向真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。為了解決多基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題，2018年楊建國與王憶平團(tuán)隊(duì)借鑒了植物病毒多聚蛋白的策略，利用煙草蝕刻病毒的TEVp蛋白酶，在大腸桿菌底盤中成功將產(chǎn)酸克雷伯菌的鉬鐵固氮酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為了僅包含5個(gè)基因的多聚蛋白型系統(tǒng)（Yang et al., 2018 PNAS）。然而將該系統(tǒng)引入酵母細(xì)胞底盤時(shí)，發(fā)現(xiàn)并不能成功的表達(dá)固氮酶的各個(gè)組分，通過分析發(fā)現(xiàn)外源蛋白酶TEVp與固氮酶組分共表達(dá)時(shí)可能對(duì)酵母細(xì)胞產(chǎn)生了潛在的細(xì)胞毒性。為了解決這一新的問題，本研究中選擇了真核細(xì)胞中內(nèi)源且高度保守的線粒體信號(hào)肽酶MPP來替代外源蛋白酶TEVp，從而規(guī)避細(xì)胞毒性風(fēng)險(xiǎn)。通過設(shè)計(jì)和篩選獲得了一組可以被MPP高效識(shí)別和切割的僅包含10個(gè)氨基酸殘基的序列，基于該序列以及內(nèi)源MPP構(gòu)建了2.0版本的多聚蛋白，并成功在酵母線粒體中實(shí)現(xiàn)了固氮酶組分的高效和協(xié)調(diào)表達(dá)。
附圖：線粒體中多聚蛋白型固氮酶系統(tǒng)示意圖
楊建國研究員與王憶平教授團(tuán)隊(duì)長期致力于生物固氮的合成生物學(xué)研究，在固氮酶系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方面取得了多項(xiàng)研究成果，為推進(jìn)真核固氮領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。本論文是研究團(tuán)隊(duì)在PNAS發(fā)表的第5篇系列研究論文，楊建國研究員為本論文共同第一作者及共同通訊作者；相楠博士為論文共同第一作者；英國JIC研究中心Ray Dixon教授、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王憶平教授為論文共同通訊作者；博士生劉逸珩、郭琛月、李晨昱、蔡舒怡以及博士后李輝參與了部分研究工作。該研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京大學(xué)生科啟東創(chuàng)新基金以及蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
課題組長期招聘博士后，詳見：http://hsuijk.cn/rczp/372935.htm
參考文獻(xiàn)：
1. Jianguo Yang#, Xiaqing Xie#, Nan Xiang, Zhe-Xian Tian, Ray Dixon*, and Yi-Ping Wang*. (2018) Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology. PNAS. 115 (36): E8509-E8517
2. Jianguo Yang#,*, Nan Xiang#, Yiheng Liu, Chenyue Guo, Chenyu Li, Hui Li, Shuyi Cai, Ray Dixon*, Yi-Ping Wang*. (2023) Organelle-dependent polyprotein designs enable stoichiometric expression of nitrogen fixation components targeted to mitochondria. PNAS. 120 (33): e2305142120