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本文聚焦植物中靶向蛋白质降解系统。介绍了蛋白质泛素化及降解机制，综述了基于 Cullin-RING 连接酶（CRLs）、细菌新型 E3 连接酶（NELs）、N 端规则途径的降解系统，还探讨了 PROTACs 的应用。这些为植物研究及生物技术发展提供了重要工具。
引言
控制蛋白质丰度对理解复杂生物途径至关重要。在动物细胞和酵母中，已开发出诱导靶蛋白（POIs）降解或稳定的方法，但在植物中，由于控制蛋白靶标泛素化的工具有限，这一方法尚未得到充分利用。本文将介绍植物中调控蛋白质降解的新方法，探讨其挑战与机遇。
蛋白质泛素化和降解机制
泛素化是将泛素分子共价连接到底物上，标记蛋白质以便降解的过程，是一个依赖 ATP 的酶促级联反应，涉及 E1 泛素激活酶、E2 泛素结合酶和 E3 泛素连接酶。E3 泛素连接酶主要负责底物识别的特异性和泛素转移，分为 RING、HECT 和 RBR 三种类型 。
Cullin-RING 连接酶（CRLs）是多亚基 RING E3 连接酶，如 SCFTIR复合物参与生长素信号传导。N-recognins（UBR Box E3 连接酶）通过 N 端蛋白途径使蛋白质泛素化并降解。拟南芥中 E3 连接酶超 1400 种，远超人类的约 600 种，凸显植物泛素化途径的复杂性。
蛋白质降解的特异性很大程度上取决于降解子（degrons），包括 N-degrons、C-degrons 和内部降解子，如植物中的配体诱导降解子（LIDs）参与激素信号传导。这些机制为非植物系统中靶向蛋白质操纵和治疗干预提供了策略。
利用 CRL E3 连接酶进行靶向蛋白质降解
多种蛋白质降解子利用 CRL 型 E3 连接酶使蛋白质靶标泛素化。
生长素诱导降解子（AID 和 AID2）系统基于 TIR1 生长素受体活性，TIR1 与 CULLIN1、SKP1 形成 SCFTIR E3 泛素连接酶复合物。在酵母中，表达 TIR1 和与 AID 降解子融合的靶蛋白，生长素可诱导其泛素化降解。但在植物中，生长素处理会导致转录和转录后水平的重大变化，限制了该系统的应用。
deGradFP 系统利用与抗 GFP 纳米抗体 VhhGFP4 融合的果蝇 F-box 蛋白 Slmb，在烟草和拟南芥中靶向降解 GFP 标记的融合蛋白。通过组织特异性和诱导型启动子控制 F-box 蛋白表达，可时空特异性地耗尽靶蛋白，但该系统依赖转录调控，不适用于高度动态的过程。
在红藻中开发的基于 CRL 的系统，利用雷帕霉素促进 FKBP 与 FRB 结合，诱导靶蛋白降解。但 FRB 结构域会使蛋白靶标不稳定，且该系统对雷帕霉素敏感的植物（如拟南芥）不适用。
利用 NEL 进行靶向蛋白质降解
E3 靶向植物蛋白降解（E3 DART）系统使用来自沙门氏菌的新型 E3 连接酶（NEL）SspH1，它是一种单多肽，包含 LRR 靶标招募结构域和 E3 催化结构域。HR1b 作为降解子，与 E3 DART 结合，使靶蛋白泛素化并通过蛋白酶体降解。在烟草中，地塞米松（DEX）诱导 E3 DART 表达，可降解 HR1b 标记的融合蛋白，但在拟南芥中效果不佳，主要是由于 E3 DART 连接酶表达诱导较弱。该系统的缺点是依赖 E3 连接酶表达的诱导，而非翻译后激活。
通过 N 端规则途径进行靶向蛋白质降解
多个蛋白质降解系统利用 N 端规则途径。早期的温度敏感型降解子（ts-degron）在 37°C 时，泛素被切割暴露 N 端 R 残基，通过 N 端规则途径降解，但 37°C 的温度要求不适合植物。
低温降解子（lt-degron）将允许温度移至 16°C，限制温度移至 29°C，在烟草和拟南芥中对多种靶蛋白有效，但 29°C 的孵育温度可能影响研究的生物途径。
基于蛋白质去稳定结构域（DDs）的系统，如 FKBP12F36V L106P与 Shield-1 结合可稳定融合蛋白，去除 Shield-1 则降解。在植物中，该系统经改进后效果有所提升，如 RDDK 系统，但存在成本高、仅适用于 N 端融合等缺点。基于大肠杆菌二氢叶酸还原酶（ecDHFR）和甲氧苄啶（TMP）的系统，TMP 成本低且可用于 N 端和 C 端融合，但尚未在植物中应用，其潜在的副作用也未测试。
烟草蚀纹病毒（TEV）蛋白酶诱导的蛋白质不稳定（TIPI）系统，利用 TEV 蛋白酶切割产生不稳定的 N-degron，诱导靶蛋白通过 N 端规则途径降解。在拟南芥分生组织中，该系统可细胞特异性地降解 WUS 蛋白，但 TEV 蛋白酶切割效率和 WUS 降解效率未量化，还需进一步研究。
利用 PROTACs 进行靶向降解
分子胶和蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）可促进靶蛋白与内源性 E3 连接酶相互作用，使靶蛋白泛素化降解。PROTACs 是双功能化学探针，由两个配体通过连接子连接而成，一个配体结合靶蛋白，另一个结合 E3 连接酶。PROTACs 在人类治疗中已显示可行性，但在植物研究中，其发展依赖于对植物靶蛋白结构的了解，目前相关信息有限。随着蛋白质结构预测和配体对接工具的发展，有望开发出针对植物靶标的 PROTACs。
未来展望
植物中诱导型蛋白质降解系统仍面临诸多挑战，需要进一步优化。开发多种合成方法，以适应不同植物物种和组织的需求。利用植物 E2 结合酶进行靶向蛋白质降解具有潜力，此前研究表明植物 E2 与靶标结合域融合可在体外使蛋白靶标泛素化，在人类细胞中的成功应用也为植物研究提供了参考。对于膜蛋白，可通过内吞途径将其靶向液泡降解；动物细胞中已证明可通过自噬靶向整个细胞器降解，这在植物中也有潜在应用。加强现有方法的验证和创新工具的开发，将推动植物研究和农业实践的发展。
