控制基因表達是研究基因功能和作物性狀遺傳改良的重要手段。隨著CRISPR、RNAi和microRNA等技術的發展，研究者已經能夠在DNA和mRNA層面對蛋白質編碼基因進行靶向調控。然而，針對植物內源蛋白的調控技術仍然缺乏。儘管動物中已經開發了基於泛素-蛋白酶體降解系統（UPS）和細胞自噬途徑（autophagy）的靶向蛋白降解技術（如PROTAC和AUTAC等），但這些方法普遍依賴小分子化合物、抗體或預先敲入的degron序列，極大限制了其在植物中的應用。因此，開發一種簡便高效、靶向內源蛋白的降解技術，將為植物基因功能研究和作物遺傳改良提供新的工具，併為人類疾病治療提供新的思路。
近日，武漢大學高等研究院、雜交水稻全國重點實驗室和湖北省洪山實驗室胥國勇教授課題組在Nature Communications期刊上線上發表了題為“Genetically-encoded targeted protein degradation technology to remove endogenous condensation-prone proteins and improve crop performance”的研究論文。該研究開發了一種基於相分離原理的靶向蛋白降解技術（Targeted Condensation-prone-protein Degradation，TCD），透過遺傳編碼的方式靶向降解內源蛋白，實現了水稻發育和抗病性狀的精準調控。
該課題組在前期研究中發現，慢性免疫反應中HEM1團聚體會導致植物葉片發生黃化等感染損傷，從而降低了植物的病害耐受性[1, 2]。為清除這些有害的蛋白質團聚體，課題組基於蛋白自我聚集的特性及E3泛素連線酶介導降解的原理，篩選出了一種可自降解的E3泛素連線酶E3TCD1，並設計了一個可遺傳編碼的X–E3TCD1融合蛋白作為Degrader。當內源蛋白X發生相分離聚集的時候，外源表達的X–E3TCD1能進入並將該團聚體標記，促進泛素化修飾及團聚體降解。該技術可透過瞬時表達在菸草中研究，也可透過轉基因方式在擬南芥和水稻中研究基因功能。課題組利用病原響應性ProTBF1-uORFsTBF1表達盒在轉錄和翻譯水平上控制OsELF3–E3TCD1表達，成功提升了水稻抗稻瘟病的能力，同時不影響其開花時間，實現了基因工程作物的改良目標。
該技術不涉及靶基因DNA序列的改變，且能夠精準調控X–E3TCD1的表達，對致死基因功能研究具有潛在價值。它還可以實現同源蛋白的共同降解，對於冗餘基因的研究及多倍體作物中等位基因的研究具有潛在的應用價值。在論文投稿過程中，動物中報道了類似的降解系統RING-Bait，該系統透過將引起的Tau蛋白與廣泛使用的E3泛素連線酶TRIM21的RING結構域融合，並透過病毒介導的基因遞送方式成功清除了Tau聚集體[3]。與此不同，TCD方案透過從頭篩選自降解功能的E3TCD1，使X–E3TCD1能夠自我降解，從而減少了X–E3TCD1積累帶來的潛在不利影響。此外，課題組的方案針對轉錄因子，這些蛋白與許多人類疾病密切相關，因此該研究為基因治療更多人類疾病提供了重要的思路。
TCD系統的原理及水稻抗病性改良應用示意圖
武漢大學博士研究生羅明為該論文第一作者。武漢大學胥國勇教授為通訊作者。華中農業大學袁猛教授、中國農業科學院植物保護研究所寧約瑟研究員、武漢大學朱思濤、黨華、溫晴、牛瑞霞、龍佳薇、王昭、仝永佳參與了該項工作。相關工作得到農業生物育種重大專案、國家自然科學基金委、湖北洪山實驗室重大專案、湖北省重點研發專案等資助。
參考文獻：
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
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56570-x
