轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)蛋白（transcription activator-like effector, TALE）經(jīng)設(shè)計后能夠結(jié)合到幾乎任何選定的DNA上。在一項新的研究中，來自斯洛文尼亞國家化學(xué)研究所的研究人員報道一個TALE蛋白能夠以一種高度極化的方式取代另一個TALE蛋白，具體而言就是一個TALE蛋白僅能夠取代一個位于它的右側(cè)附近的結(jié)合到DNA上的TALE蛋白，而不能夠取代一個位于它的左側(cè)附近的結(jié)合到DNA上的TALE蛋白。TALE蛋白的這種不同尋常的性質(zhì)已被用來增加基因表達調(diào)控的精確度、設(shè)計哺乳動物細胞中的邏輯電路和阻止CRISPR在DNA上進行脫靶切割。相關(guān)研究結(jié)果于2018年11月19日在線發(fā)表在Nature Chemical Biology期刊上，論文標(biāo)題為“Polarized displacement by transcription activator-like effectors for regulatory circuits”。論文通訊作者為斯洛文尼亞國家化學(xué)研究所合成生物學(xué)與免疫學(xué)系主任Roman Jerala。論文第一作者為Jerala研究課題組博士后研究員Tina Lebar。

圖片來自National Institute of Chemistry, Slovenia。

細胞的性質(zhì)由編碼到基因組中的DNA程序所確定?；蚧钚杂膳cDNA緊密結(jié)合的蛋白所確定。合成生物學(xué)能夠通過靶向結(jié)合到特定DNA位點上的定制蛋白來操縱基因激活。大約十年前，科學(xué)家們破解了一組稱為TALE的蛋白對DNA序列的識別，其中TALE蛋白是首先在感染植物的細菌中發(fā)現(xiàn)的。對這種識別機制的理解使得人們能夠設(shè)計出與幾乎任何選定的DNA序列結(jié)合的TALE蛋白。添加一個能夠?qū)е禄蜃兊糜谢钚缘幕驔]有活性的小蛋白附加物到任何一個TALE蛋白中，就能夠讓任何一個基因激活或失活，這就使得它們對醫(yī)學(xué)治療和生物技術(shù)非常有用。

TALE蛋白的風(fēng)頭在某種程度上被CRISPR技術(shù)所遮蓋，這是因為后者能夠做與TALE相同的事情，但要比前者更容易使用。如今，Jerala研究課題組發(fā)現(xiàn)TALE蛋白能夠執(zhí)行一些額外的技巧，這可能會讓它們重新成為人們關(guān)注的焦點。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個TALE蛋白彼此間相鄰時，位于左側(cè)的結(jié)合到DNA上的TALE蛋白能夠?qū)⑽挥谟覀?cè)的結(jié)合到DNA上的TALE蛋白驅(qū)逐出去，但反之則不然。

Jerala解釋道，位于左側(cè)的TALE蛋白能夠?qū)⑽挥谟覀?cè)的TALE蛋白從DNA上驅(qū)趕下來，這是他們發(fā)現(xiàn)的一個精心設(shè)計的分子取代的例子，而且他們發(fā)現(xiàn)這能夠用于其他目的。

除了對這種極化取代機制提出一種解釋之外，這些研究人員還展示了TALE蛋白的這一特征對于調(diào)節(jié)基因表達非常有用。Lebar說，“我們發(fā)現(xiàn)我們能夠進一步擴展這種TALE蛋白取代；將一個額外的TALE蛋白（記為A）放置在一個TALE蛋白（記為B）的左側(cè)，這樣A就能夠有效地取代位于A右側(cè)的B，這隨后允許下一個位于B右側(cè)的TALE蛋白結(jié)合到它的靶位點上。這類似于多米諾骨牌效應(yīng)，但是僅每隔一個的多米諾骨牌倒下。我們發(fā)現(xiàn)在使用多達5個相鄰的TALE蛋白時，這一點仍然有效，這非常令人興奮和出乎意料。更重要的是，我們意識到我們能夠使用一系列相鄰的TALE蛋白來編碼OR、AND和NAND之類的邏輯功能，從而可用于調(diào)節(jié)人體細胞對外部信號作出的反應(yīng)并讓使細胞中的信息處理變得更加有效。”

實際上，這些研究人員能夠基于TALE蛋白取代在哺乳動物細胞中展示了兩種輸入布爾邏輯門（input Boolean logic gate）。雖然人們之前已在細胞中構(gòu)建出邏輯功能，但是這項新的研究改進了它們的效率。另外一個優(yōu)點是這種類型的基因活性調(diào)節(jié)是高度精確的。不同于之前的幾種方法的是，它能夠讓一個選定的基因失活，同時相鄰的基因仍然保持活性。

極化取代（polarized displacement）似乎是TALE蛋白獨有的，而且也可用于阻止CRISPR復(fù)合物在DNA上形成。CRISPR是一種強大的工具，主要被科學(xué)家們用來切割細胞中的選定的DNA靶位點；然而人們已報道，它存在著脫靶切割的問題。因此，這種TALE取代機制可用于保護基因組中的這些我們不希望發(fā)生切割的的位點。

這些研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)對于理解自然界中的這種取代機制和提高細胞治療或生物技術(shù)制備的精確性、安全性和效率都很重要。

參考資料：

Tina Lebar, An?e Verbi?, Ajasja Ljubeti? et al. Polarized displacement by transcription activator-like effectors for regulatory circuits. Nature Chemical Biology, Published Online: 19 November 2018, doi:10.1038/s41589-018-0163-8.