植物合成生物技术：通过内质网与高尔基体工程优化重组治疗性蛋白的表达与糖基化

《BIOspektrum》：Pflanzen als Plattformen für die Herstellung therapeutischer Proteine

语 面对传统生物制剂系统在成本、安全性和糖基化修饰方面的局限，本研究聚焦植物表达系统的革新。通过工程化改造内质网（ER）结构蛋白（如RTNs/LNPs）以增强分泌能力，并利用植物特异性CTS结构域精准靶定人类糖基化酶（HuGEs）至高尔基体特定区室，成功实现治疗性蛋白的人源化N-糖基化修饰。该研究为植物平台生产复杂糖蛋白提供了关键技术支撑，推动生物制药向更安全、可扩展方向迈进。

　　

随着生物制药需求的激增，传统微生物和哺乳动物表达系统在成本、规模化及安全性方面面临挑战。植物系统因其低成本、易扩展和低免疫原性优势，成为重组治疗性蛋白生产的理想平台。然而，植物特有的糖基化模式（如β-1,2-木糖化和α-1,3-岩藻糖化）可能引发人体免疫反应，且缺乏合成复杂人源化N-糖链（如唾液酸化结构）的关键酶，限制了其临床应用。

为解决这一问题，牛津布鲁克斯大学Verena Kriechbaumer团队在《BIOspektrum》发表研究，系统探讨了通过调控植物分泌途径（内质网与高尔基体）优化蛋白生产的潜力。研究指出，内质网形态调控蛋白（如管状结构促进蛋白RTNs和扁平膜囊稳定蛋白LNPs）的平衡表达可增强植物细胞的蛋白分泌能力。同时，通过替换人类糖基化酶（HuGEs）的胞质-跨膜-茎区（CTS）为植物特异性序列（如拟南芥MUR3-CTS和FUT13-CTS），可实现酶在高尔基体 medial/trans 区室的精准定位，逐步重构人源化糖基化途径。

关键技术方法

研究采用共聚焦显微镜与Airyscan超分辨成像技术分析蛋白亚细胞定位；通过荧光标记（如GFP-HDEL、ST-mRFP）可视化内质网和高尔基体结构；利用CTS结构域替换策略构建嵌合酶（如MUR3-GNTIV、FUT13-B4GALT1），并在烟草表皮细胞中表达；通过荧光强度线扫描统计验证酶定位特异性。

研究结果

1. 内质网形态调控与分泌能力优化

电镜观测显示，玉米根冠分泌细胞的扁平膜囊比例显著高于分生组织细胞，表明ER结构可塑性与其功能相关。过量表达RTNs可促进管状结构形成，而LNPs则增加扁平膜囊占比，证实通过调控这些结构蛋白可定向改造ER形态，提升复杂蛋白（如分泌型IgA）的组装效率。

2. 高尔基体区室化与酶定位策略

植物高尔基体由数百个独立移动的堆叠构成，其cis、medial、trans 区室依次执行糖基化修饰。

研究发现，未经修饰的HuGEs在植物细胞中表达量低且分布弥散。而将HuGEs的哺乳动物CTS替换为植物源CTS后，如MUR3-CTS引导的GNTIV定位于medial区室，FUT13-CTS引导的B4GALT1富集于trans区室，显著提升酶活性与糖链加工效率。

3. 双标记策略精确定位

采用MUR3-CTS-mTagBFP与FUT13-CTS-mRFP双标记系统，可在同一细胞内区分medial/trans区室。

线剖面分析显示，改造后的酶与对应区室标记荧光高度重叠，证实CTS结构域独立决定定位特异性，无关催化结构域来源。

结论与意义

该研究证实植物系统可通过分子工程实现治疗性蛋白的“人源化”生产。ER结构调控增强蛋白折叠能力，而CTS介导的亚高尔基体靶向技术解决了糖基化修饰的空间顺序难题，为生产抗体、酶类等复杂糖蛋白奠定基础。此策略不仅提升植物平台的工业适用性，也为合成生物学提供了亚细胞器工程的新范式，推动生物制药向绿色、精准化发展。