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施一公等揭示TALE蛋白新應用
點擊次數：1732 發布時間：2012-10-17
2012年9月27日，清華大學生命學院施一公教授研究組，醫學院顏寧教授研究組和北京大學席建忠教授合作在細胞子刊《細胞—報告》（Cell Reports）在線發表論文，報道轉錄激活因子樣效應蛋白（TALE）能夠特異識別DNA-RNA雜合鏈，并且能夠保護DNA-RNA雜合鏈不被核酸酶降解，這一發現大大拓展了TALE在生命科學技術領域的應用。
TALE （Transcription Activator Like Effectors）是一類DNA結合蛋白。TALE蛋白的奇特之處在于它的DNA結合結構域是由可變數量的重復單元組成，每一個重復單元特異識別一個DNA堿基對。大多數情況下每個重復單元由34個氨基酸組成。每個重復序列中第13位的氨基酸特異識別DNA正向鏈中的ATCG堿基。根據TALE蛋白對DNA序列的特異識別，科學家們現在可以設計組裝任意的TALE重復單元去識別任意序列的目標雙螺旋DNA，并且構造出切割特異雙鏈DNA序列的DNA酶TALEN （TALE nuclease），從而用于在細胞中引入定點突變、定點敲除等操作。在此次研究之前，僅知道TALE蛋白能夠識別雙螺旋DNA，因此TALE蛋白主要應用在對基因組DNA的操作中。
而在施一公領導的研究中，他們檢驗了TALE蛋白對單鏈DNA，DNA-RNA雜合鏈，雙鏈RNA等不同形式核酸鏈的結合活性，發現TALE蛋白不僅可以識別雙鏈DNA，還能夠結合DNA-RNA雜合鏈，其中DNA是與TALE特異接觸的鏈。他們進一步解析了TALE蛋白結合DNA-RNA雜合鏈的復合物晶體結構，揭示了TALE蛋白識別DNA-RNA雜合鏈的分子機理。通過結構分析，他們推測TALE蛋白可以保護DNA-RNA雜合鏈不被核酸酶RNase H降解，并且利用生化手段驗證了這一假設。在這些發現的基礎上，他們針對HIV病毒逆轉錄過程中的一段DNA-RNA雜合序列設計了特異的含有23個重復單元的TALE蛋白TALEHIV，該蛋白有效地阻止了RNase H 對這段DNA-RNA雜合鏈中RNA鏈的降解。如果HIV在逆轉錄過程中，不能有效降解RNA，則不能完成其基因組的擴增。因此，這一發現為抑制HIV病毒提供了新思路。
今年1月5日，顏寧、施一公、朱健康研究組合作在Science報道了未結合DNA和結合DNA的TALE蛋白結構，清晰揭示了TALE蛋白特異識別DNA的分子機理（http://www.sciencemag.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=22223738）。 9月4日這三個研究小組又合作在Cell Research雜志上報道了TALE蛋白對甲基化DNA的識別密碼（http://www.nature.com/cr/journal/vaop/ncurrent/full/cr2012127a.html）。此次研究是繼上述2篇研究論文之后對TALE蛋白功能的又一重要發現，大大擴展了TALE蛋白的應用范圍，比如特異抑制逆轉錄病毒擴增，抑制DNA復制等等。
該論文的共同*作者是博士后殷平和來自PTN-BBS研究生項目的博士研究生鄧東。上海同步輻射（SSRF）為數據收集提供了幫助，保證了該課題的順利完成。
原文摘要：
Specific DNA-RNA Hybrid Recognition by TAL Effectors
The transcription activator-like （TAL） effector targets specific host promoter through its central DNA-binding domain, which comprises multiple tandem repeats （TALE repeats）. Recent structural analyses revealed that the TALE repeats form a superhelical structure that tracks along the forward strand of the DNA duplex. Here, we demonstrate that TALE repeats specifically recognize a DNA-RNA hybrid where the DNA strand determines the binding specificity. The crystal structure of a designed TALE in complex with the DNA-RNA hybrid was determined at a resolution of 2.5 Å. Although TALE repeats are in direct contact with only the DNA strand, the phosphodiester backbone of the RNA strand is inaccessible by macromolecules such as RNases. Consistent with this observation, sequence-specific recognition of an HIV-derived DNA-RNA hybrid by an engineered TALE efficiently blocked RNase H-mediated degradation of the RNA strand. Our study broadens the utility of TALE repeats and suggests potential applications in processes involving DNA replication and retroviral infections.