施一公等揭示TALE蛋白新应用

2012年9月27日，清华大学生命学院施一公教授研究组，医学院颜宁教授研究组和北京大学席建忠教授合作在细胞子刊《细胞—报告》（Cell Reports）在线发表论文，报道转录激活因子样效应蛋白（TALE）能够特异识别DNA-RNA杂合链，并且能够保护DNA-RNA杂合链不被核酸酶降解，这一发现大大拓展了TALE在生命科学技术领域的应用。

TALE （Transcription Activator Like Effectors）是一类DNA结合蛋白。TALE蛋白的奇特之处在于它的DNA结合结构域是由可变数量的重复单元组成，每一个重复单元特异识别一个DNA碱基对。大多数情况下每个重复单元由34个氨基酸组成。每个重复序列中第13位的氨基酸特异识别DNA正向链中的ATCG碱基。根据TALE蛋白对DNA序列的特异识别，科学家们现在可以设计组装任意的TALE重复单元去识别任意序列的目标双螺旋DNA，并且构造出切割特异双链DNA序列的DNA酶TALEN （TALE nuclease），从而用于在细胞中引入定点突变、定点敲除等操作。在此次研究之前，仅知道TALE蛋白能够识别双螺旋DNA，因此TALE蛋白主要应用在对基因组DNA的操作中。

而在施一公的研究中，他们检验了TALE蛋白对单链DNA，DNA-RNA杂合链，双链RNA等不同形式核酸链的结合活性，发现TALE蛋白不仅可以识别双链DNA，还能够结合DNA-RNA杂合链，其中DNA是与TALE特异接触的链。他们进一步解析了TALE蛋白结合DNA-RNA杂合链的复合物晶体结构，揭示了TALE蛋白识别DNA-RNA杂合链的分子机理。通过结构分析，他们推测TALE蛋白可以保护DNA-RNA杂合链不被核酸酶RNase H降解，并且利用生化手段验证了这一假设。在这些发现的基础上，他们针对HIV病毒逆转录过程中的一段DNA-RNA杂合序列设计了特异的含有23个重复单元的TALE蛋白TALEHIV，该蛋白有效地阻止了RNase H 对这段DNA-RNA杂合链中RNA链的降解。如果HIV在逆转录过程中，不能有效降解RNA，则不能完成其基因组的扩增。因此，这一发现为抑制HIV病毒提供了新思路。

今年1月5日，颜宁、施一公、朱健康研究组合作在Science报道了未结合DNA和结合DNA的TALE蛋白结构，清晰揭示了TALE蛋白特异识别DNA的分子机理（/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=22223738）。 9月4日这三个研究小组又合作在Cell Research杂志上报道了TALE蛋白对甲基化DNA的识别密码（/cr/journal/vaop/ncurrent/full/cr2012127a.html）。此次研究是继上述2篇研究论文之后对TALE蛋白功能的又一重要发现，大大扩展了TALE蛋白的应用范围，比如特异抑制逆转录病毒扩增，抑制DNA复制等等。

该论文的共同*作者是博士后殷平和来自PTN-BBS研究生项目的博士研究生邓东。上海同步辐射（SSRF）为数据收集提供了帮助，保证了该课题的顺利完成。

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.