水稻全基因组蛋白标签计划（RPTP）

来源：BioArt植物

来源 | Mol Plant

2020年11月13日，Molecular Plant 在线发表了题为Rice Protein Tagging Project: A Call for International Collaborations on Genome Wide in-locus Tagging of Rice Proteins的评论文章。该文章由中国科学院李家洋院士、韩斌院士和美国科学院朱健康院士、Pamela Ronald院士，四名植物研究领域的著名科学家共同署名，提出了一项名为“水稻全基因组蛋白标签计划（RPTP）”的倡议，旨在通过国际合作，在全基因组范围内为水稻的每一个蛋白编码基因原位融合一个蛋白标签，该计划有望将极大地促进以蛋白质为基础的分子机理研究。1997年9月，国际水稻基因组测序项目（IRGSP）启动，该项目汇集了十个国家的资源，获得了第一个完整的水稻基因组序列，推动水稻的研究和育种进入了基因组学时代。2008年，张启发院士等提出“RICE2020”国际合作计划，旨在对所有水稻基因、转录本和蛋白质进行系统和全面的研究，以加速水稻育种进程，满足国人日益增长的粮食需求。目前，通过一系列大规模的测序和分析，水稻上在核酸层面（基因及其转录本）的研究已取得广泛而深入的进展。众所周知，生物体主要由蛋白行使各项生物学功能，它也是理解所有生物过程的核心，包括产量、品质和抗逆抗病性等重要农艺性状。但是，蛋白层面的研究进展严重滞后，相比于40000个左右已注释的水稻基因，只有不到1000个基因在蛋白层面被初步解析，两者的差距巨大。蛋白研究通常需要相应的特异性抗体，但是植物蛋白抗体制备困难，难以广泛适用。一个替代性的做法是通过转基因手段将融合标签肽段（如Flag、HA、GFP等）的目的基因转化相应的基因功能缺失突变体植株。然而，这种异位表达方法并不能完全重现内源蛋白的特性。一种优选的解决方案是将编码标签肽段的DNA序列原位精准敲入至目标基因的N端或C端，使之与目标基因形成融合蛋白，从而实现蛋白质原位标记。高等植物的蛋白质原位标记在技术上一直极具挑战性。最近，朱健康院士课题组通过对CRISPR技术的开发，采用修饰后的DNA片段作为供体，在水稻上实现了高效的片段靶向敲入和替换技术（Lu et al., Nature Biotechnology, 2020）。他们先后在14个基因位点上成功实现了靶向敲入，通过对1393株各类T0代基因编辑水稻植株的分析发现，该方法的敲入效率可高达47.3%，平均效率为25%。该技术使水稻蛋白质原位标记成为一项常规实验。基于此，“水稻全基因组蛋白质标签计划”具备了切实的可行性。“水稻全基因组蛋白质标签计划（RPTP）”将是一个极其庞大的项目。文章作者为RPTP提出了一个分“三个阶段”的五年计划。第一阶段（2021-2022年），在上海、北京和美国Davis的实验室开展一个试点项目，在N末端标记约1,000个水稻转录因子，以评估该项目的可行性，并建立一个平台来管理水稻株系和相关数据，成立一个有关RPTP的国际联盟。第二阶段（2022-2024年），选择约10,000个具有广泛关注的蛋白质进行标记。第三阶段（2024-2026年），标记大部分剩余的水稻蛋白质，从而完成或接近完成RPTP。在过去的几十年中，水稻突变体为功能基因组学的发展发挥了极其重要的作用。本文倡议的RPTP将产生数以万计的水稻株系，这些具有原位蛋白标签的种质资源将可直接用于水稻蛋白质的各种体内体外分析，例如Western blot，CoIP，免疫沉淀结合质谱分析（IP-MS）和染色质免疫沉淀（ChIP）等。该资源平台的建立将为广大科研人员提供全新的和全面的水稻蛋白研究资源，从而使研究深度广泛地拓展至对生命过程有着重要调控作用的蛋白水平上；高通量、精准、实时、原位的蛋白功能解析，有望产生众多新的发现，进一步推动植物科学的发展；与以前突变体库和大规模测序等重大项目一样，蛋白领域的广泛研究有望进一步推动发现更多有价值的蛋白，指导植物育种实践，产生巨大的社会和经济效益。本文的第一作者和通讯作者为陆钰明副研究员，并由Pamela Ronald院士、韩斌院士、李家洋院士和朱健康院士共同署名发表。该工作得到了中国科学院和国家科学基金会植物基因组研究计划的资助。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.11.006