Эффекторы TAL ( подобные активаторам транскрипции ) (часто называемые TALE , но их не следует путать с классом белков гомеобоксного расширения трехаминокислотной петли) — это белки , секретируемые некоторыми β- и γ - протеобактериями . [1] Большинство из них — ксантомонады . Фитопатогенные бактерии Xanthomonas особенно известны своими TALE, которые производятся через их систему секреции типа III . Эти белки могут связывать промоторные последовательности в растении-хозяине и активировать экспрессию генов растений, которые способствуют бактериальной инфекции. Известно, что домен TALE, отвечающий за связывание с ДНК, имеет от 1,5 до 33,5 коротких последовательностей, которые повторяются несколько раз (тандемные повторы). [2] Было обнаружено, что каждый из этих повторов специфичен для определенной пары оснований ДНК. [2] Эти повторы также имеют повторяющиеся вариабельные остатки (RVD), которые могут обнаруживать определенные пары оснований ДНК. [2] Они распознают последовательности ДНК растений через центральный повторяющийся домен, состоящий из переменного числа ~34 повторов аминокислот. По-видимому, существует однозначное соответствие между идентичностью двух критических аминокислот в каждом повторе и каждым основанием ДНК в целевой последовательности. Эти белки интересны исследователям как из-за их роли в болезнях важных видов сельскохозяйственных культур, так и из-за относительной простоты их перенацеливания для связывания новых последовательностей ДНК. Похожие белки можно найти в патогенной бактерии Ralstonia solanacearum [3] [4] [1] и Burkholderia rhizoxinica , [5] [1] , а также в еще не идентифицированных морских микроорганизмах. [6] Термин TALE-likes используется для обозначения предполагаемого семейства белков, охватывающего TALE и эти родственные белки.
Функция в патогенезе растений
Ксантомонас
Xanthomonas — это грамотрицательные бактерии, которые могут инфицировать широкий спектр видов растений, включая перец/капсикум, рис, цитрусовые, хлопок, томаты и соевые бобы. [7]
Некоторые типы Xanthomonas вызывают локализованную пятнистость листьев или полосатость листьев, в то время как другие распространяются системно и вызывают черную гниль или пятнистость листьев. Они вводят ряд эффекторных белков, включая эффекторы TAL, в растение через свою систему секреции типа III . Эффекторы TAL имеют несколько мотивов, обычно связанных с эукариотами, включая множественные сигналы ядерной локализации и домен кислотной активации. При инъекции в растения эти белки могут проникать в ядро растительной клетки, связывать последовательности промотора растения и активировать транскрипцию генов растений, которые помогают при бактериальной инфекции. [7] Растения выработали защитный механизм против эффекторов типа III, который включает гены R (устойчивости), запускаемые этими эффекторами. Некоторые из этих генов R, по-видимому, эволюционировали так, чтобы содержать сайты связывания TAL-эффектора, похожие на сайт в предполагаемом целевом гене. Предполагается, что эта конкуренция между патогенными бактериями и растением-хозяином объясняет, по-видимому, пластичную природу домена связывания ДНК эффектора TAL. [8]
Не-Ксантомонас
R. solanacearum , B. rhizoxinica и болезнь банановой крови (бактерия, которая пока окончательно не идентифицирована, в группе видов R. solanacearum ). [1]
ДНК-распознавание
Наиболее отличительной характеристикой эффекторов TAL является центральный повторный домен, содержащий от 1,5 до 33,5 повторов, которые обычно имеют длину 34 остатка (C-концевой повтор, как правило, короче и называется «полуповтором»). [7] Типичная повторная последовательность — LTPEQVVAIAS HD GGKQALETVQRLLPVLCQAHG , но остатки в 12-м и 13-м положениях являются гипервариабельными (эти две аминокислоты также известны как повтор вариабельного остатка или RVD). Существует простая связь между идентичностью этих двух остатков в последовательных повторах и последовательными основаниями ДНК в целевом сайте эффектора TAL. [8] Кристаллическая структура эффектора TAL, связанного с ДНК, указывает на то, что каждый повтор состоит из двух альфа-спиралей и короткой петли, содержащей RVD, где второй остаток RVD образует специфичные для последовательности контакты ДНК, в то время как первый остаток RVD стабилизирует петлю, содержащую RVD. [10] [11] Целевые сайты эффекторов TAL также имеют тенденцию включать тимин, фланкирующий 5'-основание, на которое нацелен первый повтор; это, по-видимому, связано с контактом между этим T и консервативным триптофаном в области N-конца центрального домена повтора. [10] Однако эта «нулевая» позиция не всегда содержит тимин, поскольку некоторые каркасы более пермиссивны. [12]
Код TAL-ДНК был взломан двумя отдельными группами в 2010 году. [8] Первая группа, возглавляемая Адамом Богдановым , взломала этот код вычислительным путем, ища закономерности в выравниваниях последовательностей белков и последовательностях ДНК целевых промоторов, полученных из базы данных генов, активируемых TALE. [13] Вторая группа (Бох) вывела код с помощью молекулярного анализа эффектора TAL AvrBs3 и его целевой последовательности ДНК в промоторе гена перца, активированного AvrBs3. [14] Экспериментально подтвержденный код между последовательностью RVD и целевой основой ДНК можно выразить следующим образом:
Целевые гены
Эффекторы TAL могут индуцировать гены восприимчивости, которые являются членами семейства генов NODULIN3 (N3). Эти гены необходимы для развития заболевания. У риса два гена, Os-8N3 и Os-11N3, индуцируются эффекторами TAL. Os-8N3 индуцируется PthXo1, а Os-11N3 индуцируется PthXo3 и AvrXa7. Существуют две гипотезы о возможных функциях белков N3:
- Они участвуют в транспорте меди, что приводит к детоксикации среды для бактерий. Снижение уровня меди способствует росту бактерий.
- Они участвуют в транспорте глюкозы, облегчая поток глюкозы. Этот механизм обеспечивает питательными веществами бактерии и стимулирует рост патогенов и вирулентность [ необходима цитата ]
Инженерные эффекторы TAL
Это простое соответствие между аминокислотами в эффекторах TAL и основаниями ДНК в их целевых сайтах делает их полезными для приложений белковой инженерии. Многочисленные группы разработали искусственные эффекторы TAL, способные распознавать новые последовательности ДНК в различных экспериментальных системах. [14] [16] [17] [18] [19] [20] Такие сконструированные эффекторы TAL использовались для создания искусственных факторов транскрипции, которые могут использоваться для нацеливания и активации или подавления эндогенных генов в томатах , [16] Arabidopsis thaliana , [16] и клетках человека. [17] [19] [9] [21]
Генетические конструкции для кодирования белков на основе эффекторов TAL могут быть созданы с помощью обычного генного синтеза или модульной сборки. [19] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] Набор плазмид для сборки пользовательских конструкций TALEN и других эффекторов TAL доступен через общедоступный некоммерческий репозиторий Addgene . Веб-страницы, предоставляющие доступ к общедоступному программному обеспечению, протоколам и другим ресурсам для приложений нацеливания эффекторов TAL-ДНК, включают TAL Effector-Nucleotide Targeter и taleffectors.com.
Приложения
Сконструированные эффекторы TAL также могут быть слиты с доменом расщепления FokI для создания эффекторных нуклеаз TAL (TALEN) или с мегануклеазами (нуклеазами с более длинными участками распознавания) для создания «megaTAL». [28] Такие слияния имеют некоторые общие свойства с нуклеазами с цинковыми пальцами и могут быть полезны для генной инженерии и генной терапии . [29]
Подходы на основе TALEN используются в новых областях редактирования генов и генной инженерии . Слияния TALEN показывают активность в анализе на основе дрожжей, [18] [30] на эндогенных генах дрожжей, [22] в анализе репортера растений, [20] на эндогенном гене растений, [23] на эндогенных генах данио-рерио , [31] [32] на эндогенном гене крысы , [33] и на эндогенных генах человека. [17] [23] [34] Ген HPRT1 человека был нацелен на обнаруживаемые, но не количественно определенные уровни. [23] Кроме того, конструкции TALEN, содержащие домен расщепления FokI, слитый с меньшей частью эффектора TAL, все еще содержащего домен связывания ДНК , использовались для нацеливания на эндогенные гены NTF3 и CCR5 в клетках человека с эффективностью до 25%. [17] Эффекторные нуклеазы TAL также использовались для создания эмбриональных стволовых клеток человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) [34], а также для отключения эндогенного гена ben-1 у C. elegans . [35]
Модификация негомологичного соединения концов, вызванная TALE, использовалась для создания новой устойчивости к болезням у риса. [1]
Смотрите также
Ссылки
- ^ abcdef Schornack S, Moscou MJ, Ward ER, Horvath DM (2013-08-04). "Инженерная устойчивость растений к болезням на основе эффекторов TAL". Annual Review of Phytopathology . 51 (1). Annual Reviews : 383–406. doi :10.1146/annurev-phyto-082712-102255. PMID 23725472.
- ^ abc Deng, Dong; Yan, Chuangye; Pan, Xiaojing; Mahfouz, Magdy; Wang, Jiawei; Zhu, Jian-Kang; Shi, Yigong; Yan, Nieng (2012-02-10). "Структурная основа для специфического для последовательности распознавания ДНК эффекторами TAL". Science . 335 (6069): 720–723. Bibcode :2012Sci...335..720D. doi :10.1126/science.1215670. ISSN 1095-9203. PMC 3586824 . PMID 22223738.
- ^ Heuer H, Yin YN, Xue QY, Smalla K, Guo JH (июль 2007 г.). «Разнообразие повторяющихся доменов генов, подобных avrBs3, в штаммах Ralstonia solanacearum и связь с предпочтениями хозяина в полевых условиях». Applied and Environmental Microbiology . 73 (13): 4379–84. Bibcode :2007ApEnM..73.4379H. doi :10.1128/AEM.00367-07. PMC 1932761 . PMID 17468277.
- ^ Li L, Atef A, Piatek A, Ali Z, Piatek M, Aouida M и др. (Июль 2013 г.). «Характеристика и специфичность связывания ДНК эффекторов, подобных TAL Ralstonia». Molecular Plant . 6 (4): 1318–30. doi :10.1093/mp/sst006. PMC 3716395 . PMID 23300258.
- ^ de Lange O, Wolf C, Dietze J, Elsaesser J, Morbitzer R, Lahaye T (июнь 2014 г.). «Программируемые ДНК-связывающие белки из Burkholderia предоставляют свежий взгляд на домен повторов типа TALE». Nucleic Acids Research . 42 (11): 7436–49. doi :10.1093/nar/gku329. PMC 4066763 . PMID 24792163.
- ^ de Lange O, Wolf C, Thiel P, Krüger J, Kleusch C, Kohlbacher O, Lahaye T (ноябрь 2015 г.). «ДНК-связывающие белки морских бактерий расширяют известное разнообразие последовательностей TALE-подобных повторов». Nucleic Acids Research . 43 (20): 10065–80. doi :10.1093/nar/gkv1053. PMC 4787788. PMID 26481363 .
- ^ abc Boch J, Bonas U (сентябрь 2010 г.). "Xanthomonas AvrBs3 family-type-type effectors: discovery and function". Annual Review of Phytopathology . 48 : 419–36. doi :10.1146/annurev-phyto-080508-081936. PMID 19400638.
- ^ abc Voytas DF, Joung JK (декабрь 2009 г.). «Наука о растениях. Связывание ДНК стало проще». Science . 326 (5959): 1491–2. Bibcode :2009Sci...326.1491V. doi :10.1126/science.1183604. PMC 7814878 . PMID 20007890. S2CID 33257689.
- ^ abc Cong L, Zhou R, Kuo YC, Cunniff M, Zhang F (июль 2012 г.). «Комплексное исследование естественных модулей связывания ДНК TALE и доменов транскрипционных репрессоров». Nature Communications . 968. 3 (7): 968. Bibcode :2012NatCo...3..968C. doi :10.1038/ncomms1962. PMC 3556390 . PMID 22828628.
- ^ ab Mak AN, Bradley P, Cernadas RA, Bogdanove AJ , Stoddard BL (февраль 2012 г.). «Кристаллическая структура эффектора TAL PthXo1, связанного со своей ДНК-мишенью». Science . 335 (6069): 716–9. Bibcode :2012Sci...335..716M. doi :10.1126/science.1216211. PMC 3427646 . PMID 22223736.
- ^ Дэн Д., Ян К., Пан Х., Махфуз М., Ван Дж., Чжу Дж. К. и др. (февраль 2012 г.). «Структурная основа для специфического для последовательности распознавания ДНК эффекторами TAL». Science . 335 (6069): 720–3. Bibcode :2012Sci...335..720D. doi :10.1126/science.1215670. PMC 3586824 . PMID 22223738.
- ^ Stella S, Molina R, Yefimenko I, Prieto J, Silva G, Bertonati C и др. (сентябрь 2013 г.). «Структура комплекса AvrBs3-ДНК дает новое представление о первоначальном механизме распознавания тимина». Acta Crystallographica. Раздел D, Биологическая кристаллография . 69 (Pt 9): 1707–16. Bibcode :2013AcCrD..69.1707S. doi :10.1107/S0907444913016429. PMC 3760130 . PMID 23999294.
- ^ Moscou MJ, Bogdanove AJ (декабрь 2009 г.). "Простой шифр управляет распознаванием ДНК эффекторами TAL". Science . 326 (5959): 1501. Bibcode :2009Sci...326.1501M. doi :10.1126/science.1178817. PMID 19933106. S2CID 6648530.
- ^ abcdefg Boch J, Scholze H, Schornack S, Landgraf A, Hahn S, Kay S и др. (декабрь 2009 г.). «Breaking the code of DNA binding specify of TAL-type III effectors». Science . 326 (5959): 1509–12. Bibcode :2009Sci...326.1509B. doi :10.1126/science.1178811. PMID 19933107. S2CID 206522347.
- ^ Дэн Д., Инь П., Ян Ч., Пан Х., Гун Х., Ци С. и др. (октябрь 2012 г.). «Распознавание метилированной ДНК эффекторами TAL». Cell Research . 22 (10): 1502–4. doi :10.1038/cr.2012.127. PMC 3463267 . PMID 22945353.
- ^ abcd Morbitzer R, Römer P, Boch J, Lahaye T (декабрь 2010 г.). «Регулирование выбранных локусов генома с использованием de novo-engineered транскрипционных активаторов-подобных эффекторных (TALE) факторов транскрипции». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21617–22. Bibcode : 2010PNAS..10721617M. doi : 10.1073/pnas.1013133107 . PMC 3003021. PMID 21106758 .
- ^ abcde Miller JC, Tan S, Qiao G, Barlow KA, Wang J, Xia DF и др. (февраль 2011 г.). «Архитектура нуклеазы TALE для эффективного редактирования генома». Nature Biotechnology . 29 (2): 143–8. doi :10.1038/nbt.1755. PMID 21179091. S2CID 53549397.
- ^ ab Christian M, Cermak T, Doyle EL, Schmidt C, Zhang F, Hummel A и др. (октябрь 2010 г.). «Нацеливание на двухцепочечные разрывы ДНК с помощью эффекторных нуклеаз TAL». Genetics . 186 (2): 757–61. doi :10.1534/genetics.110.120717. PMC 2942870 . PMID 20660643.
- ^ abc Zhang F, Cong L, Lodato S, Kosuri S, Church GM, Arlotta P (февраль 2011 г.). «Эффективное построение специфичных для последовательности эффекторов TAL для модуляции транскрипции млекопитающих». Nature Biotechnology . 29 (2): 149–53. doi :10.1038/nbt.1775. PMC 3084533 . PMID 21248753.
- ^ ab Mahfouz MM, Li L, Shamimuzzaman M, Wibowo A, Fang X, Zhu JK (февраль 2011 г.). "De novo-engineered transcription activator-like effector (TALE) hybrid nuclease with novel DNA binding specity makes double-strand breaks". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (6): 2623–8. Bibcode : 2011PNAS..108.2623M. doi : 10.1073/pnas.1019533108 . PMC 3038751. PMID 21262818 .
- ^ ab Geissler R, Scholze H, Hahn S, Streubel J, Bonas U, Behrens SE, Boch J (2011). Shiu SH (ред.). "Транскрипционные активаторы человеческих генов с программируемой ДНК-специфичностью". PLOS ONE . 6 (5): e19509. Bibcode :2011PLoSO...619509G. doi : 10.1371/journal.pone.0019509 . PMC 3098229 . PMID 21625585.
- ^ ab Li T, Huang S, Zhao X, Wright DA, Carpenter S, Spalding MH и др. (август 2011 г.). «Модульно собранные дизайнерские TAL-эффекторные нуклеазы для целевого нокаута генов и замены генов у эукариот». Nucleic Acids Research . 39 (14): 6315–25. doi :10.1093/nar/gkr188. PMC 3152341 . PMID 21459844.
- ^ abcd Cermak T, Doyle EL, Christian M, Wang L, Zhang Y, Schmidt C и др. (июль 2011 г.). «Эффективное проектирование и сборка пользовательских конструкций TALEN и других эффекторных конструкций TAL для нацеливания ДНК». Nucleic Acids Research . 39 (12): e82. doi :10.1093/nar/gkr218. PMC 3130291 . PMID 21493687.
- ^ Morbitzer R, Elsaesser J, Hausner J, Lahaye T (июль 2011 г.). «Сборка пользовательских доменов связывания ДНК типа TALE с помощью модульного клонирования». Nucleic Acids Research . 39 (13): 5790–9. doi :10.1093/nar/gkr151. PMC 3141260. PMID 21421566 .
- ^ Вебер Э., Грюцнер Р., Вернер С., Энглер К., Мариллонне С. (2011). Бендахман М. (ред.). «Сборка дизайнерских эффекторов TAL с помощью клонирования Golden Gate». PLOS ONE . 6 (5): e19722. Bibcode : 2011PLoSO...619722W. doi : 10.1371/journal.pone.0019722 . PMC 3098256. PMID 21625552 .
- ^ Sanjana NE, Cong L, Zhou Y, Cunniff MM, Feng G, Zhang F (январь 2012 г.). «Набор эффекторов, подобных активаторам транскрипции, для генной инженерии». Nature Protocols . 7 (1): 171–92. doi :10.1038/nprot.2011.431. PMC 3684555 . PMID 22222791.
- ^ Briggs AW, Rios X, Chari R, Yang L, Zhang F, Mali P, Church GM (август 2012 г.). «Итеративная сборка с кэпом: быстрый и масштабируемый синтез ДНК с повторным модулем, такой как эффекторы TAL, из отдельных мономеров». Nucleic Acids Research . 40 (15): e117. doi :10.1093/nar/gks624. PMC 3424587. PMID 22740649 .
- ^ Boissel S, Jarjour J, Astrakhan A, Adey A, Gouble A, Duchateau P и др. (февраль 2014 г.). "megaTALs: архитектура редкорасщепляющей нуклеазы для терапевтической генной инженерии". Nucleic Acids Research . 42 (4): 2591–601. doi :10.1093/nar/gkt1224. PMC 3936731. PMID 24285304 .
- ^ DeFrancesco L (август 2011). «Подвиньтесь над ZFN». Nature Biotechnology . 29 (8): 681–4. doi :10.1038/nbt.1935. PMID 21822235. S2CID 29925336.
- ^ Li T, Huang S, Jiang WZ, Wright D, Spalding MH, Weeks DP, Yang B (январь 2011 г.). "TAL нуклеазы (TALN): гибридные белки, состоящие из эффекторов TAL и домена расщепления ДНК FokI". Nucleic Acids Research . 39 (1): 359–72. doi :10.1093/nar/gkq704. PMC 3017587 . PMID 20699274.
- ^ Хуан П., Сяо А., Чжоу М., Чжу З., Линь С., Чжан Б. (август 2011 г.). «Нацеливание наследуемых генов у данио-рерио с использованием индивидуальных TALEN». Nature Biotechnology . 29 (8): 699–700. doi :10.1038/nbt.1939. PMID 21822242. S2CID 28802632.
- ^ Sander JD, Cade L, Khayter C, Reyon D, Peterson RT, Joung JK, Yeh JR (август 2011 г.). «Целевое нарушение генов в соматических клетках данио-рерио с использованием сконструированных TALEN». Nature Biotechnology . 29 (8): 697–8. doi :10.1038/nbt.1934. PMC 3154023 . PMID 21822241.
- ^ Tesson L, Usal C, Ménoret S, Leung E, Niles BJ, Remy S и др. (август 2011 г.). «Крысы с нокаутом, полученные путем микроинъекции эмбрионов TALEN». Nature Biotechnology . 29 (8): 695–6. doi : 10.1038/nbt.1940 . PMID 21822240. S2CID 13525337.
- ^ ab Hockemeyer D, Wang H, Kiani S, Lai CS, Gao Q, Cassady JP и др. (июль 2011 г.). «Генетическая инженерия плюрипотентных клеток человека с использованием нуклеаз TALE». Nature Biotechnology . 29 (8): 731–4. doi :10.1038/nbt.1927. PMC 3152587 . PMID 21738127.
- ^ Wood AJ, Lo TW, Zeitler B, Pickle CS, Ralston EJ, Lee AH и др. (июль 2011 г.). «Целевое редактирование генома у разных видов с использованием ZFN и TALEN». Science . 333 (6040): 307. Bibcode :2011Sci...333..307W. doi :10.1126/science.1207773. PMC 3489282 . PMID 21700836.
Дальнейшее чтение
- Schornack S, Boch J (2010). «Распутывая 20-летнюю загадку». IS-MPMI Reporter (1). Международное общество молекулярных взаимодействий растений и микробов: 3–4.
- Goodsell D (декабрь 2014 г.). «TAL Effectors». Молекула месяца в банке данных белков (PDB) . Научно-исследовательское объединение по структурной биоинформатике (RCSB). doi :10.2210/rcsb_pdb/mom_2014_12.
Внешние ссылки
- «Комплексный, общедоступный ресурс по инженерной технологии эффекторов TAL». TALengineering.org .
- "TALengineering newsgroup".
Группа новостей для обсуждения технологии инженерных эффекторов TAL
- «Открытый ресурс для эффекторных конструкций TAL». www.taleffectors.com .