利用基因编辑工具精准调控蛋白激酶和磷酸酶能有效改良作物综合性状

作者：PBJ 2024/6/11 14:45:17

蛋白质磷酸化是植物中最为普遍的翻译后修饰，影响着植物的代谢、细胞内运输、细胞结构、细胞分裂、生长发育以及与环境的互动。蛋白激酶是一类磷酸转移酶，它们通过磷酸化作用激活或去活化目标蛋白质。蛋白磷酸酶是蛋白激酶的功能性拮抗剂，通过消除靶蛋白中的磷酸基团来负责去磷酸化。蛋白磷酸酶还抑制相应激酶的磷酸化依赖性活性和功能。蛋白激酶和磷酸酶，已成为作物基因编辑的重要靶标。近日，来自捷克帕拉茨基大学Jozef

近日，来自捷克帕拉茨基大学Jozef Šamaj等人，在《Trends in Plant Science》杂志发表了题为“Gene-edited protein kinases and phosphatases in molecular plant breeding”的综述文章。总结了在作物中利用CRISPR/ Cas9技术对蛋白激酶和磷酸酶进行基因编辑的已有进展；并提供了基于预测CRISPR/Cas9基因编辑可能导致的蛋白激酶和磷酸酶在结构，功能等方面变化的指导，以及分析这些变化在现代农业作物分子育种中可能的应用。

通过敲除或编辑蛋白激酶和磷酸酶的蛋白质序列，可以在不同条件下阐明磷酸化和去磷酸化的功能，特别是在植物对不断变化环境的早期响应中。CRISPR/Cas9技术提供了一种精确、高效的基因编辑手段，克服了传统方法的不精确和耗时问题。尽管存在一些技术限制，如难以编辑细胞器的基因，但研究者正通过改进技术来解决这些挑战。

蛋白质结构的计算预测是基因编辑的第一步并且非常重要。在开展基因编辑工作之前，利用CRISPR-P1.0和CRISPR-P2.0等在线工具可以评估sgRNA的特异性和预测脱靶概率。此外，蛋白质数据库如UniProtKB、NCBI、EMBL-EBI和PIR提供了丰富的蛋白质信息，而SwissModel Repository和PEPPI等工具使得预测蛋白质结构和蛋白质-蛋白质相互作用成为可能。AlphaFold2等数据库进一步增强了我们对蛋白质3D结构的理解和预测能力。研究人员通过CRISPR/Cas9技术结合计算预测，可以在实验前对目标基因进行深入分析，优化编辑策略，并在实验后通过测序和生化分析验证编辑结果，从而全面评估基因编辑对植物表型和生理的影响。

图1对于蛋白激酶和磷酸酶的编辑和相互作用预测的示意图

基因编辑过程中，首先预测目标蛋白的结构模型，如蛋白激酶与磷酸酶，使用AlphaFold2和PEPPI等工具进行。并通过SMART和InterPro等数据库匹配氨基酸（AA）与相互作用域。之后，利用生物体特异性数据库，如拟南芥TAIR搜索编码目标蛋白的基因组DNA（gDNA），确定目标蛋白相互作用域的序列。设计单向导RNA（sgRNA）时，检查发夹、二级结构和自互补性，并通过生物体的gDNA数据库排除脱靶风险。对编辑后的目标蛋白进行3D结构预测，并通过PEPPI预测其相互作用变化。此流程对预测编辑位点、评估对蛋白功能的影响至关重要。

本文详细列举了使用CRISPR/Cas9方法概述植物蛋白激酶和磷酸酶中的突变体，并主要介绍了拟南芥，谷物，油籽和豆类以及水果中蛋白激酶和磷酸酶基因编辑对理想植物性状的影响。研究者通过敲除或拟南芥中的蛋白激酶和磷酸酶基因，观察到植物在质量、产量、抗逆性和发育等方面的变化，也极大地推进了对这些关键信号分子功能的理解。在大麦中，MAPK6的敲除导致了胚发育异常和生长缺陷。在水稻中，通过敲除GSK3和PPKL家族基因，谷物大小和重量增加，而MAPK6的敲除则增强了抗性。在小麦中，研究者敲除IPK1基因，发现谷物重量和矿物质含量增加，同时植酸含量降低。在玉米中，TPP4的敲除影响了花序的分枝。此外，CRISPR/Cas9还被用于改善油籽和豆类作物，如通过敲除MLPK基因提高油菜的自交兼容性，或通过敲除CDPK5和PP2C基因改善豆科植物的结瘤和固氮能力。在番茄中，敲除WAK1和MAI1基因来减缓病原体感染症状的发展，或通过敲除MAPK6和MAPK3基因来改善植物结构和提高干旱胁迫下的耐受性。

总而言之，CRISPR/Cas9技术的精确性会因对蛋白质水平上突变的结构进行计算机模拟检查而不断完善。现代生物信息学工具以及统一互联的数据库，可能会加快并提高基因编辑工作的效率，以应对植物育种者感兴趣的快速环境变化。考虑到这些蛋白质家族在细胞信号传递中发挥的关键作用，产生敲除或永久非活性酶可能会有致命后果。通过利用精确调控的可诱导启动子控制下的CRISPR/Cas9结构进行基因编辑，可以缓解这一挑战。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138523003783