stringtranslate.com

Эффектор, подобный активатору транскрипции

Эффекторы TAL ( подобные активатору транскрипции ) (часто называемые TALE , но не следует путать с классом гомеобоксных белков с расширением трех петель аминокислот ) представляют собой белки , секретируемые некоторыми β- и γ - протеобактериями . [1] Большинство из них — ксантомонады . Фитопатогенные бактерии Xanthomonas особенно известны благодаря TALE, продуцируемым через систему секреции III типа . Эти белки могут связывать промоторные последовательности в растении-хозяине и активировать экспрессию растительных генов, которые способствуют бактериальной инфекции. Известно, что домен TALE, ответственный за связывание с ДНК, имеет от 1,5 до 33,5 коротких последовательностей, которые повторяются многократно (тандемные повторы). [2] Было обнаружено, что каждый из этих повторов специфичен для определенной пары оснований ДНК. [2] Эти повторы также содержат остатки вариабельных повторов (RVD), которые могут обнаруживать определенные пары оснований ДНК. [2] Они распознают последовательности ДНК растений через центральный повторяющийся домен, состоящий из переменного числа примерно 34 аминокислотных повторов. По-видимому, существует взаимно однозначное соответствие между идентичностью двух важнейших аминокислот в каждом повторе и каждым основанием ДНК в целевой последовательности. Эти белки интересны исследователям как из-за их роли в заболеваниях важных видов сельскохозяйственных культур, так и из-за относительной простоты их перенаправления для связывания новых последовательностей ДНК. Подобные белки можно обнаружить у патогенных бактерий Ralstonia solanacearum [3] [4] [1] и Burkholderia rhizoxinica [5] [1] , а также у еще неопознанных морских микроорганизмов. [6] Термин TALE-likes используется для обозначения предполагаемого семейства белков, включающего TALE и родственные им белки.

Функция в патогенезе растений

Ксантомонада

Ксантомонады — это грамотрицательные бактерии, которые могут инфицировать самые разные виды растений, включая перец, рис, цитрусовые, хлопок, томаты и соевые бобы. [7] Некоторые виды Xanthomonas вызывают локализованную пятнистость листьев или полосатость листьев, в то время как другие распространяются системно и вызывают черную гниль или болезнь листьев. Они вводят в растение ряд эффекторных белков, включая эффекторы TAL, через систему секреции III типа . Эффекторы TAL имеют несколько мотивов, обычно связанных с эукариотами, включая множественные сигналы ядерной локализации и домен кислотной активации. При введении в растения эти белки могут проникать в ядро ​​растительной клетки, связывать последовательности промотора растения и активировать транскрипцию генов растений, которые способствуют бактериальной инфекции. [7] Растения выработали защитный механизм против эффекторов типа III, который включает гены R (резистентности), запускаемые этими эффекторами. Некоторые из этих R-генов, по-видимому, эволюционировали и стали содержать сайты связывания TAL-эффектора, аналогичные сайтам предполагаемого гена-мишени. Было высказано предположение, что эта конкуренция между патогенными бактериями и растением-хозяином объясняет очевидно податливую природу эффекторного ДНК-связывающего домена TAL. [8]

Не- ксантомонады

R. solanacearum , B. rhizoxinica и банановая болезнь крови (бактерия, еще окончательно не идентифицированная, входит в группу видов R. solanacearum ). [1]

Распознавание ДНК

Наиболее отличительной характеристикой эффекторов TAL является центральный повторный домен, содержащий от 1,5 до 33,5 повторов, длина которых обычно составляет 34 остатка (С-концевой повтор обычно короче и называется «полуповтором»). [7] Типичной повторяющейся последовательностью является LTPEQVVAIAS HD GGKQALETVQRLLPVLCQAHG , но остатки в 12-м и 13-м положениях являются гипервариабельными (эти две аминокислоты также известны как повторяющаяся вариабельная диостатка 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 включает две альфа-спирали и короткую петлю, содержащую RVD, где второй остаток RVD устанавливает специфичные для последовательности контакты с ДНК, в то время как первый остаток RVD стабилизирует Петля, содержащая РВД. [10] [11] Целевые сайты эффекторов TAL также обычно включают тимин, фланкирующий 5'-основание, на которое нацелен первый повтор; это, по-видимому, происходит из-за контакта между этим Т и консервативным триптофаном в N-концевой области центрального повторного домена. [10] Однако это «нулевое» положение не всегда содержит тимин, поскольку некоторые каркасы более либеральны. [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 белковых последовательностей и последовательностях ДНК целевых промоторов, полученных из базы данных генов. регулируется TALE. [13] Вторая группа (Boch) вывела код посредством молекулярного анализа эффектора TAL AvrBs3 и его целевой последовательности ДНК в промоторе гена перца, активированного AvrBs3. [14] Экспериментально подтвержденный код между последовательностью RVD и целевым основанием ДНК может быть выражен 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:

Инженерные эффекторы ТАЛ

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 можно использовать для нацеливания и активации или подавления эндогенных генов в томатах , [16] Arabidopsis thaliana , [16] и клетки человека. [17] [19] [9] [21]

Генетические конструкции для кодирования белков на основе эффекторов TAL могут быть созданы с использованием либо обычного синтеза генов, либо модульной сборки. [19] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] Плазмидный набор для сборки индивидуального TALEN и других эффекторных конструкций TAL доступен в общедоступном некоммерческом репозитории Addgene . Веб-страницы, предоставляющие доступ к общедоступному программному обеспечению, протоколам и другим ресурсам для приложений нацеливания на эффектор-ДНК TAL, включают TAL Effector-Nucleotide Targeter и Talefectors.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 сайтами узнавания) для создания «мегаTAL». [28] Такие слияния имеют некоторые общие свойства с нуклеазами с цинковыми пальцами и могут быть полезны для генной инженерии и генной терапии . [29]

Подходы, основанные на TALEN, используются в новых областях редактирования генов и генной инженерии . Слияния TALEN проявляют активность в дрожжевом анализе, [18] [30] в отношении эндогенных генов дрожжей, [22] в анализе растительных репортеров, [20] в отношении эндогенного растительного гена, [23] в отношении эндогенных генов рыбок данио , [31] ] [32] на эндогенном гене крысы , [33] и на эндогенных генах человека. [17] [23] [34] Ген HPRT1 человека был нацелен на обнаруживаемые, но не поддающиеся количественной оценке уровни. [23] Кроме того, конструкции TALEN, содержащие домен расщепления FokI, слитый с меньшей частью эффектора TAL, все еще содержащего ДНК-связывающий домен , использовались для нацеливания на эндогенные гены NTF3 и CCR5 в клетках человека с эффективностью до 25%. [17] Эффекторные нуклеазы TAL также использовались для конструирования эмбриональных стволовых клеток человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (IPSC) [34] , а также для нокаута эндогенного гена ben-1 у C. elegans . [35]

TALE-индуцированная негомологичная модификация соединения концов была использована для создания у риса устойчивости к новым заболеваниям. [1]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef Шорнак С., Москва MJ, Уорд ER, Хорват DM (04 августа 2013 г.). «Инженерная устойчивость растений к болезням на основе эффекторов ТАЛ». Ежегодный обзор фитопатологии . 51 (1). Годовые обзоры : 383–406. doi : 10.1146/annurev-phyto-082712-102255. ПМИД  23725472.
  2. ^ abc Дэн, Донг; Ян, Чуангье; Пан, Сяоцзин; Махфуз, Магди; Ван, Цзявэй; Чжу, Цзянь-Кан; Ши, Игун; Ян, Ниенг (10 февраля 2012 г.). «Структурная основа последовательности-специфического распознавания ДНК эффекторами TAL». Наука . 335 (6069): 720–723. Бибкод : 2012Sci...335..720D. дои : 10.1126/science.1215670. ISSN  1095-9203. ПМЦ 3586824 . ПМИД  22223738. 
  3. ^ Heuer H, Yin YN, Xue QY, Smalla K, Guo JH (июль 2007 г.). «Разнообразие повторяющихся доменов avrBs3-подобных генов в штаммах Ralstonia solanacearum и связь с предпочтениями хозяина в полевых условиях». Прикладная и экологическая микробиология . 73 (13): 4379–84. Бибкод : 2007ApEnM..73.4379H. дои : 10.1128/AEM.00367-07. ЧВК 1932761 . ПМИД  17468277. 
  4. ^ Ли Л, Атеф А, Пиатек А, Али З, Пиатек М, Ауида М и др. (Июль 2013). «Характеристика и особенности связывания ДНК TAL-подобных эффекторов Ralstonia». Молекулярный завод . 6 (4): 1318–30. дои : 10.1093/mp/sst006. ПМЦ 3716395 . ПМИД  23300258. 
  5. ^ де Ланге О, Вольф С., Дитце Дж., Эльзессер Дж., Морбитцер Р., Лахай Т. (июнь 2014 г.). «Программируемые ДНК-связывающие белки из Burkholderia открывают новый взгляд на TALE-подобный повторяющийся домен». Исследования нуклеиновых кислот . 42 (11): 7436–49. дои : 10.1093/nar/gku329. ПМК 4066763 . ПМИД  24792163. 
  6. ^ де Ланге О, Вольф С, Тиль П, Крюгер Дж, Клеуш С, Кольбахер О, Лахай Т (ноябрь 2015 г.). «ДНК-связывающие белки морских бактерий расширяют известное разнообразие последовательностей TALE-подобных повторов». Исследования нуклеиновых кислот . 43 (20): 10065–80. дои : 10.1093/nar/gkv1053. ПМЦ 4787788 . ПМИД  26481363. 
  7. ^ abc Boch J, Bonas U (сентябрь 2010 г.). «Эффекторы семейства Xanthomonas AvrBs3 III типа: открытие и функция». Ежегодный обзор фитопатологии . 48 : 419–36. doi : 10.1146/annurev-phyto-080508-081936. ПМИД  19400638.
  8. ^ abc Войтас Д.Ф., Йонг Дж.К. (декабрь 2009 г.). «Наука о растениях. Связывание ДНК стало проще». Наука . 326 (5959): 1491–2. Бибкод : 2009Sci...326.1491V. дои : 10.1126/science.1183604. ПМЦ 7814878 . PMID  20007890. S2CID  33257689. 
  9. ^ abc Конг Л., Чжоу Р., Куо Ю.К., Каннифф М., Чжан Ф. (июль 2012 г.). «Комплексное исследование природных ДНК-связывающих модулей TALE и доменов репрессоров транскрипции». Природные коммуникации . 968. 3 (7): 968. Бибкод : 2012NatCo...3..968C. дои : 10.1038/ncomms1962. ПМК 3556390 . ПМИД  22828628. 
  10. ^ Аб Мак А.Н., Брэдли П., Чернадас Р.А., Богданов А.Дж. , Стоддард Б.Л. (февраль 2012 г.). «Кристаллическая структура эффектора TAL PthXo1, связанного с его ДНК-мишенью». Наука . 335 (6069): 716–9. Бибкод : 2012Sci...335..716M. дои : 10.1126/science.1216211. ПМЦ 3427646 . ПМИД  22223736. 
  11. ^ Дэн Д., Ян С., Пан Х, Махфуз М., Ван Дж., Чжу Дж.К. и др. (февраль 2012 г.). «Структурная основа последовательности-специфического распознавания ДНК эффекторами TAL». Наука . 335 (6069): 720–3. Бибкод : 2012Sci...335..720D. дои : 10.1126/science.1215670. ПМЦ 3586824 . ПМИД  22223738. 
  12. ^ Стелла С., Молина Р., Ефименко И., Прието Дж., Сильва Г., Бертонати С. и др. (Сентябрь 2013). «Структура комплекса AvrBs3-ДНК дает новое представление о первоначальном механизме распознавания тимина». Акта Кристаллографика. Раздел D. Биологическая кристаллография . 69 (Часть 9): 1707–16. Бибкод : 2013AcCrD..69.1707S. дои : 10.1107/S0907444913016429. ПМК 3760130 . ПМИД  23999294. 
  13. ^ Москва MJ, Богданово AJ (декабрь 2009 г.). «Простой шифр управляет распознаванием ДНК эффекторами TAL». Наука . 326 (5959): 1501. Бибкод : 2009Sci...326.1501M. дои : 10.1126/science.1178817. PMID  19933106. S2CID  6648530.
  14. ^ abcdefg Бох Дж, Шольце Х, Шорнак С, Ландграф А, Хан С, Кей С и др. (декабрь 2009 г.). «Взлом кода специфичности связывания ДНК эффекторов TAL-типа III». Наука . 326 (5959): 1509–12. Бибкод : 2009Sci...326.1509B. дои : 10.1126/science.1178811. PMID  19933107. S2CID  206522347.
  15. ^ Дэн Д., Инь П., Ян С., Пань Икс, Гун Икс, Ци С и др. (октябрь 2012 г.). «Распознавание метилированной ДНК эффекторами TAL». Клеточные исследования . 22 (10): 1502–4. дои : 10.1038/cr.2012.127. ПМЦ 3463267 . ПМИД  22945353. 
  16. ^ abcd Морбитцер Р., Ремер П., Бох Дж., Лахай Т. (декабрь 2010 г.). «Регуляция выбранных локусов генома с использованием de novo сконструированных эффекторных факторов транскрипции, подобных активатору транскрипции (TALE)». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21617–22. Бибкод : 2010PNAS..10721617M. дои : 10.1073/pnas.1013133107 . ПМК 3003021 . ПМИД  21106758. 
  17. ^ abcde Миллер Дж.К., Тан С., Цяо Г., Барлоу К.А., Ван Дж., Ся Д.Ф. и др. (февраль 2011 г.). «Архитектура нуклеазы TALE для эффективного редактирования генома». Природная биотехнология . 29 (2): 143–8. дои : 10.1038/nbt.1755. PMID  21179091. S2CID  53549397.
  18. ^ ab Кристиан М., Чермак Т., Дойл Э.Л., Шмидт С., Чжан Ф., Хаммел А. и др. (октябрь 2010 г.). «Нацеливание на двухцепочечные разрывы ДНК с помощью эффекторных нуклеаз TAL». Генетика . 186 (2): 757–61. doi : 10.1534/genetics.110.120717. ПМЦ 2942870 . ПМИД  20660643. 
  19. ^ abc Чжан Ф, Конг Л, Лодато С, Косури С, Черч ГМ, Арлотта П (февраль 2011 г.). «Эффективное создание специфичных для последовательности эффекторов TAL для модуляции транскрипции млекопитающих». Природная биотехнология . 29 (2): 149–53. дои : 10.1038/nbt.1775. ПМЦ 3084533 . ПМИД  21248753. 
  20. ^ аб Махфуз М.М., Ли Л., Шамимузаман М., Вибово А., Фанг X, Чжу Дж.К. (февраль 2011 г.). «Созданная de novo эффекторная гибридная нуклеаза, подобная активатору транскрипции (TALE), с новой специфичностью связывания ДНК создает двухцепочечные разрывы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (6): 2623–8. Бибкод : 2011PNAS..108.2623M. дои : 10.1073/pnas.1019533108 . ПМК 3038751 . ПМИД  21262818. 
  21. ^ ab Geissler R, Scholze H, Hahn S, Streubel J, Bonas U, Behrens SE, Boch J (2011). Шиу С.Х. (ред.). «Активаторы транскрипции генов человека с программируемой ДНК-специфичностью». ПЛОС ОДИН . 6 (5): e19509. Бибкод : 2011PLoSO...619509G. дои : 10.1371/journal.pone.0019509 . ПМК 3098229 . ПМИД  21625585. 
  22. ^ аб Ли Т, Хуан С., Чжао X, Райт Д.А., Карпентер С., Сполдинг М.Х. и др. (август 2011 г.). «Модульно собранные дизайнерские эффекторные нуклеазы TAL для целевого нокаута и замены генов у эукариот». Исследования нуклеиновых кислот . 39 (14): 6315–25. дои : 10.1093/nar/gkr188. ПМЦ 3152341 . ПМИД  21459844. 
  23. ^ abcd Чермак Т., Дойл Э.Л., Кристиан М., Ван Л., Чжан Ю., Шмидт С. и др. (июль 2011 г.). «Эффективное проектирование и сборка индивидуальных TALEN и других эффекторных конструкций TAL для нацеливания на ДНК». Исследования нуклеиновых кислот . 39 (12): е82. дои : 10.1093/nar/gkr218. ПМК 3130291 . ПМИД  21493687. 
  24. ^ Морбитцер Р., Эльзессер Дж., Хауснер Дж., Лахай Т. (июль 2011 г.). «Сборка индивидуальных ДНК-связывающих доменов типа TALE путем модульного клонирования». Исследования нуклеиновых кислот . 39 (13): 5790–9. дои : 10.1093/nar/gkr151. ПМК 3141260 . ПМИД  21421566. 
  25. ^ Вебер Э., Грюцнер Р., Вернер С., Энглер С., Марилоннет С. (2011). Бендаман М (ред.). «Сборка дизайнерских эффекторов ТАЛ методом клонирования Golden Gate». ПЛОС ОДИН . 6 (5): e19722. Бибкод : 2011PLoSO...619722W. дои : 10.1371/journal.pone.0019722 . ПМК 3098256 . ПМИД  21625552. 
  26. ^ Санджана Н.Е., Конг Л., Чжоу Ю., Каннифф М.М., Фэн Г., Чжан Ф. (январь 2012 г.). «Набор эффекторных инструментов, подобных активатору транскрипции, для геномной инженерии». Протоколы природы . 7 (1): 171–92. дои : 10.1038/nprot.2011.431. ПМЦ 3684555 . ПМИД  22222791. 
  27. ^ Бриггс А.В., Риос X, Чари Р., Ян Л., Чжан Ф., Мали П., Черч ГМ (август 2012 г.). «Итеративная сборка с кэпом: быстрый и масштабируемый синтез ДНК с повторяющимися модулями, такими как эффекторы TAL, из отдельных мономеров». Исследования нуклеиновых кислот . 40 (15): е117. дои : 10.1093/nar/gks624. ПМЦ 3424587 . ПМИД  22740649. 
  28. ^ Буассель С., Жаржур Дж., Астрахан А., Адей А., Губль А., Дюшато П. и др. (Февраль 2014 года). «megaTALs: архитектура нуклеаз редкого расщепления для терапевтической геномной инженерии». Исследования нуклеиновых кислот . 42 (4): 2591–601. дои : 10.1093/nar/gkt1224. ПМЦ 3936731 . ПМИД  24285304. 
  29. ^ ДеФранческо Л. (август 2011 г.). «Подвинься над ZFN». Природная биотехнология . 29 (8): 681–4. дои : 10.1038/nbt.1935. PMID  21822235. S2CID  29925336.
  30. ^ Ли Т, Хуан С., Цзян В.З., Райт Д., Сполдинг М.Х., Уикс Д.П., Ян Б. (январь 2011 г.). «Нуклеазы TAL (TALN): гибридные белки, состоящие из эффекторов TAL и домена расщепления ДНК FokI». Исследования нуклеиновых кислот . 39 (1): 359–72. дои : 10.1093/nar/gkq704. ПМК 3017587 . ПМИД  20699274. 
  31. ^ Хуан П., Сяо А., Чжоу М., Чжу З., Линь С., Чжан Б. (август 2011 г.). «Нацеливание на наследуемые гены у рыбок данио с использованием индивидуальных TALEN». Природная биотехнология . 29 (8): 699–700. дои : 10.1038/nbt.1939. PMID  21822242. S2CID  28802632.
  32. ^ Сандер Дж.Д., Кейд Л., Хайтер С., Рейон Д., Петерсон RT, Йонг Дж.К., Йе JR (август 2011 г.). «Направленное разрушение генов в соматических клетках рыбок данио с использованием сконструированных TALEN». Природная биотехнология . 29 (8): 697–8. дои : 10.1038/nbt.1934. ПМК 3154023 . ПМИД  21822241. 
  33. ^ Тессон Л., Усал С., Меноре С., Люнг Э., Найлз Б.Дж., Реми С. и др. (август 2011 г.). «Нокаутные крысы, полученные путем микроинъекции эмбрионов TALEN». Природная биотехнология . 29 (8): 695–6. дои : 10.1038/nbt.1940 . PMID  21822240. S2CID  13525337.
  34. ^ аб Хоккемейер Д., Ван Х., Киани С., Лай К.С., Гао К., Кэссиди Дж.П. и др. (июль 2011 г.). «Генная инженерия плюрипотентных клеток человека с использованием нуклеаз TALE». Природная биотехнология . 29 (8): 731–4. дои : 10.1038/nbt.1927. ПМЦ 3152587 . ПМИД  21738127. 
  35. ^ Вуд А.Дж., Ло Т.В., Зейтлер Б., Пикл К.С., Ралстон Э.Дж., Ли А.Х. и др. (июль 2011 г.). «Целевое редактирование генома разных видов с использованием ZFN и TALEN». Наука . 333 (6040): 307. Бибкод : 2011Sci...333..307W. дои : 10.1126/science.1207773. ПМЦ 3489282 . ПМИД  21700836. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки