【Nat biotech】思路最重要！改造ABA受体PYR1-HAB1为生物感应器

2022年6月20日，Nature biotechnology在线发表了美国科罗拉多大学博尔德分校Timothy A. Whitehead、加州大学河滨分校Sean R. Cutler和Ian Wheeldon联合团队及其合作者题为“Rapid biosensor development using plant hormone receptors as reprogrammable scaffolds”的研究论文。该研究以植物激素脱落酸的受体PYR1为支架，建立了PYR1-HAB1感应器平台，并证实了它在开发大麻素和有机磷酸盐的高灵敏度感应器，以及其他配体依赖性感应系统中的应用；为新生物感应器的开发和应用提供了重要的平台。

设计高灵敏度、高特异性、便携的生物感应器，仍然是生物技术领域的难题。通过从自然界中选择或从头设计，许多蛋白质支架已被用于开发特定分子的感应器；这些蛋白包括，细菌的变构转录因子、G蛋白偶联受体和计算设计的结合蛋白等。但是，这些感应器大都依赖于有限的配体，只能在特定的应用中使用。

化学诱导二聚（chemically induced dimerization，CID）是一种使用外源配体来调控蛋白功能和结构变化的策略；只有在小分子配体存在的情况下，两种蛋白质才能形成稳定的异二聚体。在植物中，脱落酸（ABA）的感知，可诱导ABA受体与蛋白磷酸酶（PP2C）形成稳定的复合物，并抑制磷酸酶的活性；因此，ABA的感知系统通过CID机制发挥作用。在这个系统中，配体的识别仅发生在PYR1中，这意味着只需要工程改造PYR1，就可获得新的CID模块。此外，PP2C的作用类似于辅助受体，它与PYR1的结合可将配体的表观亲和力提高约100 倍；这意味着，在PP2C存在的情况下，原本需要微摩尔量才能结合PYR1的配体，只需纳摩尔量就能结合。

PYR1的配体结合区域由25个氨基酸组成，除去负责受体活性的6个保守氨基酸，该研究首先构建了一系列的PYR1单氨基酸和双氨基酸突变体库，共含42,743个突变体。HAB1是PP2C家族的重要成员；利用PYR1-PP2C系统的上述特性，该研究建立了PYR1-HAB1高灵敏度生物感应器平台，它通过酵母双杂（Y2H）来检测配体诱导的PYR1-BD和HAB1-AD结合（Figure 1）。

为了检测该平台的应用潜力，该研究筛选了28种大麻素（Cannabinoids）的感应器；并显示，该平台的12个PYR1突变体可识别其中14种大麻素。进一步通过X射线晶体结构分析，研究人员揭示了大麻素与PYR1突变体结合的结构机制。与其他CID系统一样，该研究证实PYR1-HAB1平台可进行快速开发并移植到各种体外和体内的配体依赖性感应系统：如磷酸酶活性抑制、基因转录激活、荧光素酶互补和类似ELISA测定等，且具有皮摩尔级到纳摩尔级的高敏感度（Figure 2）。

有机磷酸盐（organophosphates）是一类有毒的、非选择性的乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase）抑制剂，是20世纪最早广泛使用的杀虫剂之一。利用PYR1-HAB1平台，该研究发现了多个可识别有机磷酸盐的PYR1突变体；表明PYR1的配体结合区域可通过突变来识别有机磷酸盐，为开发有机磷酸盐感应器提供了通用系统（Figure 3）。

综上所述，该研究以ABA受体PYR1为支架，建立了含42,743个PYR1突变体的PYR1-HAB1平台；并证实该平台不但可用于开发大麻素和有机磷酸盐的感应器，还可快速移植到各种体外和体内的配体依赖性感应系统中；为新生物感应器的快速开发和应用提供了重要的平台。

来源：Mol Plant

转自：iPlants

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