客观日本

利用肽改变色素体,迅速导入目标DNA

2019年11月05日 生物医药

日本理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心生物高分子研究小组的特别研究员Chonprakun Thagun和Jo-Ann Chuah研究员(当时)及组长沼田圭司等人的研究小组发现,通过组合2种功能性肽,能将DNA导入植物细胞的各种色素体中。

此次的研究成果有望加快利用色素体的物质形成以及色素体相关的基因解析等的速度。

以前,向色素体中导入基因和蛋白质属于偶然行为,要先使靶分子附着于金颗粒等,然后通过高压力将其打入细胞内部。因此,向色素体中导入DNA的效率还有改善的空间。

此次,研究小组试着利用结合细胞穿膜肽以及融合了聚阳离子肽和叶绿体转运序列的功能性肽形成的簇,将质粒DNA导入植物细胞内部的色素体中。最终,选择性地导入到了色素体的叶绿体、有色体和淀粉体中。另外还确认,报告基因产生了靶蛋白。

相关研究成果已于10月23日发布在德国科学期刊《Advanced Science》的网络版上。

利用肽改变色素体,迅速导入目标DNA

图:利用肽改变色素体

背景

“色素体”是植物细胞和真核藻类的细胞器,在光合作用及其他代谢过程中发挥着至关重要的作用。色素体会根据环境和所需的功能,分化为叶绿体、有色体和淀粉体等多个种类。叶绿体是叶和茎等绿色植物组织最常见的色素体,参与光合作用和氧气生成。有色体会合成和积聚色素类胡萝卜素,将花的果实和花瓣分化的细胞由红色变为黄色。淀粉体是存在于植物的根部、根茎和块茎等储藏部分的无色色素体,负责淀粉的储藏。

如上所述,色素体作为向植物细胞供应氧气和代谢物的细胞工厂工作,同时还具有生成多种物质的能力。改变色素体的话,能有效生成多种代谢物。不过,向色素体导入DNA进行修饰的基础技术非常有限,还无法应用于作物等实用植物。

沼田组长等人此前开发了利用细胞穿膜肽的基因导入法。研究确认,从细菌到动植物细胞均可广泛应用该方法,有报告显示,可以选择性地向线粒体等细胞器中导入基因。此次,研究小组试着利用该基因导入法,向色素体中导入了DNA。

研究方法与成果

研究小组首先使融合了叶绿体转运序列和聚阳离子肽的功能性肽与质粒DNA混合,制备了离子复合体。然后添加含细胞膜穿透性序列的肽,制备了由肽和DNA构成的簇。簇的直径约为200纳米(nm,1nm为10亿分之1米)。首先将该簇注入模型植物拟南芥的叶子中,成功将DNA导入了叶绿体中(图1)。

利用肽改变色素体,迅速导入目标DNA

图1:通过肽将质粒DNA导入叶绿体中

通过使质粒DNA与含叶绿体转运序列的肽结合,并添加含细胞膜穿透序列的肽,形成含两种功能性肽的簇,然后成功将其导入植物内部的色素体中。

除叶绿体外,接下来还评价了其他色素体是否也能以相同的方法导入DNA。由于已利用模型植物确认能导入DNA,下面试着向实际植物导入DNA。研究小组利用本氏烟草(Nicotiana benthamiana)叶子中存在的叶绿体、番茄果实中存在的有色体和土豆根茎中存在的淀粉体,解析了利用肽导入DNA的效率(图2)。研究确认,虽然效率和导入时间等存在差异,但所有色素体都通过导入DNA表达了报告基因,并由此合成了蛋白质。图2是利用共聚焦激光显微镜观察到的叶绿体及有色体的报告基因表达情况。

利用肽改变色素体,迅速导入目标DNA

图2:在番茄果实和烟叶中导入肽和DNA簇

左图是在番茄果实中导入肽和DNA簇的情形。中间的图是烟叶叶绿体的共聚焦激光显微镜图像。右侧的洋红色表示叶绿体,左侧的绿色表示报告基因表达。右图是土豆根茎的淀粉体图像。左侧的共聚焦激光显微镜图像中,洋红色表示报告基因表达,绿色表示叶绿素,右侧的明场图像为无色淀粉体聚集的样子。

在该研究中,通过利用叶绿体转运序列,不仅是叶绿体,在其他色素体中也能有选择地导入DNA。这意味着,无论色素体如何分化,都可以利用相同的转运序列选择性地送达。另外,通过组合使用细胞膜穿透序列,可以轻松向植物细胞内导入簇,被认为能进一步提高色素体的改变效率。

未来展望

以往的叶绿体改变技术要花时间和精力制备植物材料,而且需要使用昂贵的实验设备,获取形成目标生物分子的转基因植物也需要时间。

本研究将肽用作转运DNA的基因载体,开发了向色素体导入基因的新技术。通过利用结合了细胞穿透性肽和叶绿体靶向性肽两种功能的肽和质粒DNA簇,预计DNA分子穿过了植物细胞膜,并通过形成囊泡和细胞内囊泡运输有效地导入了色素体中。无需施加高压力,只利用单纯的浸润法,就可以在不损伤植物的情况下导入复杂的溶液,而且能迅速观察或确认分化为不同种类的色素体中的基因表达。

如上所述,研究小组开发的基因导入技术能迅速改变植物细胞的色素体,有望为物质的高效形成和未知基因功能的基础研究等做出贡献。

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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