2012年9月27日，清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授研究組，醫(yī)學(xué)院顏寧教授研究組和北京大學(xué)席建忠教授合作在細(xì)胞子刊《細(xì)胞—報告》（Cell Reports）在線發(fā)表論文，報道轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)蛋白（TALE）能夠特異識別DNA-RNA雜合鏈，并且能夠保護(hù)DNA-RNA雜合鏈不被核酸酶降解，這一發(fā)現(xiàn)大大拓展了TALE在生命科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
TALE （Transcription Activator Like Effectors）是一類DNA結(jié)合蛋白。TALE蛋白的奇特之處在于它的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域是由可變數(shù)量的重復(fù)單元組成，每一個重復(fù)單元特異識別一個DNA堿基對。大多數(shù)情況下每個重復(fù)單元由34個氨基酸組成。每個重復(fù)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(jù)TALE蛋白對DNA序列的特異識別，科學(xué)家們現(xiàn)在可以設(shè)計組裝任意的TALE重復(fù)單元去識別任意序列的目標(biāo)雙螺旋DNA，并且構(gòu)造出切割特異雙鏈DNA序列的DNA酶TALEN （TALE nuclease），從而用于在細(xì)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(yīng)用在對基因組DNA的操作中。
而在施一公的研究中，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(jié)合活性，發(fā)現(xiàn)TALE蛋白不僅可以識別雙鏈DNA，還能夠結(jié)合DNA-RNA雜合鏈，其中DNA是與TALE特異接觸的鏈。他們進(jìn)一步解析了TALE蛋白結(jié)合DNA-RNA雜合鏈的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了TALE蛋白識別DNA-RNA雜合鏈的分子機(jī)理。通過結(jié)構(gòu)分析，他們推測TALE蛋白可以保護(hù)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(shè)。在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，他們針對HIV病毒逆轉(zhuǎn)錄過程中的一段DNA-RNA雜合序列設(shè)計了特異的含有23個重復(fù)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(zhuǎn)錄過程中，不能有效降解RNA，則不能完成其基因組的擴(kuò)增。因此，這一發(fā)現(xiàn)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(jié)合DNA和結(jié)合DNA的TALE蛋白結(jié)構(gòu)，清晰揭示了TALE蛋白特異識別DNA的分子機(jī)理（/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（/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(fā)現(xiàn)，大大擴(kuò)展了TALE蛋白的應(yīng)用范圍，比如特異抑制逆轉(zhuǎn)錄病毒擴(kuò)增，抑制DNA復(fù)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(shù)據(jù)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.
