特约综述 | 刘建祥-植物表达外源蛋白研究进展及展望

植物表达外源蛋白研究进展及展望

蒋铭轩，李康，罗亮，刘建祥，芦海平

DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0662

植物生物反应器是借助植物细胞生产具有重要价值药物、医用蛋白等高附加值产品，需要分子生物学、基因工程、医药学以及现代农业等学科的交叉融合。分子农场（molecular farming）具有操作简单、成本低、生产周期短、大规模应用前景广阔等优势，但是分子农场的宿主植物选择以及遗传改造一直是科研人员面临的挑战，同时伴随如何提高产量、优化品质等关键科学问题。近日，《生物技术通报》在线发表了浙江大学生命科学学院刘建祥团队特邀综述《植物表达外源蛋白研究进展及展望》。本文综述了植物生物反应器的宿主类型、表达系统模式以及宿主改造策略。本文现已在第11期《胁迫生物学和生物技术专刊》上线，欢迎下载阅读！→点此阅读文章

本文主要包括以下几部分内容：    

1 表达宿主及表达模式

1.1 烟草瞬时表达

1.2 水稻稳定表达

1.3 其他植物表达系统

2 提高外源蛋白表达效率的研究

2.1 转录-翻译水平调控

2.2 通过抑制蛋白酶提高目标蛋白产量

2.3 糖基化修饰系统优化

2.4 内质网蛋白质量监控系统优化

3 总结与展望

以植物为宿主表达外源蛋白具有成本低、可规模化生产、安全且环保的优点。烟草瞬时表达具有速度快的特点，可同时转入多个基因，除了目的蛋白，还可以加入辅助修饰等因子。水稻胚乳作为生物反应器具有易提取纯化，同时部分医药蛋白或者功能小分子可直接通过食物摄入体内。无论是医药蛋白还是药物的制备上，两者都有不少成功的案例。本文着重综述了植物生物反应器表达外源蛋白的相关研究进展，目前植物中生产具有活性的外源蛋白依旧面临多方面的困难和挑战。

相比分子伴侣蛋白直接过表达策略，对UPR途径核心转录因子bZIP28、bZIP60的研究及应用近几年有所突破。拟南芥UPR途径中有两个重要的调控因子：bZIP28和bZIP60，在内质网胁迫应答中发挥了重要作用。拟南芥膜相关转录因子bZIP60的激活是在mRNA水平上被调控的，代表了另外一种调控方式。当内质网胁迫后，内质网定位的IREl感知到内质网腔内聚集的大量未折叠蛋白后，IREl被激活后在细胞质内剪切bZlP60 mRNA中的双茎环结构，引起bZIP60基因发生阅读框移码，新编码形成的不含有跨膜域的bZIP60s蛋白具有转录激活作用，进入细胞核调控UPR相关的下游基因。因此，可通过控制bZIP28、bZIP60的表达水平，进一步提高分子伴侣的表达量，从而优化内质网稳态。

尽管在植物中尚未利用bZIP28和bZIP60作为切入点进行UPR途径优化从而改善外源蛋白的表达，但在酵母和哺乳动物细胞中已经广泛使用。已有多项研究结果表明，优化内质网内环境，缓解内质网胁迫，有助于外源蛋白表达。因此，后期植物生物反应器研究可围绕内质网蛋白折叠进行深化研究，完善蛋白质翻译后修饰等过程，促进外源蛋白高效表达。

作者简介

刘建祥，浙江大学求是特聘教授、博士生导师。先后获国家优秀青年基金、国家杰出青年基金、上海市浦江人才计划、浙江省万人计划等资助。长期从事植物逆境生物学方面的研究，近年来在植物内质网胁迫应答和植物响应温度变化（胁迫）分子机理等领域取得了一系列研究成果，在Science Advances、Science Bulletin、PNAS、Plant Cell、Molecular Plant 等国际著名学术期刊上发表多篇重要研究论文。

芦海平，浙江大学特聘研究员，博士生导师。从事水稻养分高效利用及内质网胁迫应答方面的研究，已在Nature Plants、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等国际著名学术期刊发表研究论文。

阅读

“胁迫生物学和生物技术”专刊正式出版！

特约综述 | 祝英方-中介体复合物在植物非生物胁迫应答中的功能

特约综述 | 赵心清-基于转运蛋白工程提升微生物菌株耐受性和生物制造效率的研究进展

特约综述 | 方晓峰-相分离调控植物胁迫感知和应答的研究进展