Efekt podobný transkripčnímu aktivátoru - Transcription activator-like effector

Efekt podobný transkripčnímu aktivátoru
180-TALEffectors 3ugm.png
TAL efektor (PDB: 3ugm), Skládka od Davida Goodsella. Pruhy jsou opakující se domény.
Identifikátory
OrganismusXanthomonas oryzae
SymbolpthXo1
UniProtB2SU53

TAL (transkripční aktivátor) efektory (často označované jako ROZPRÁVKY, ale nesmí být zaměňována s three Aminokyselina loop Eprodloužení homeobox třídy proteinů) jsou bílkoviny vylučuje Xanthomonas bakterie prostřednictvím jejich sekreční systém typu III když infikují různé rostlina druh. Tyto proteiny se mohou vázat promotér sekvence v hostitelské rostlině a aktivovat výraz rostlinných genů, které podporují bakteriální infekci. Poznávají rostlinu DNA sekvence přes centrální repetiční doménu skládající se z variabilního počtu ~ 34 opakování aminokyselin. Zdá se, že existuje vzájemná shoda mezi identitou dvou kritických aminokyselin v každé repetici a každou DNA bází v cílové sekvenci. Tyto proteiny jsou pro vědce zajímavé jak pro jejich roli při chorobách důležitých druhů plodin, tak pro relativní snadnost jejich přesměrování na vazbu nových sekvencí DNA. Podobné proteiny lze nalézt v patogenní bakterii Ralstonia solanacearum[1][2] a Burkholderia rhizoxinica,[3] stejně jako dosud neidentifikované mořské mikroorganismy.[4] Termín TALE-má rád se používá k označení domnělé rodiny proteinů zahrnující TALEs a tyto příbuzné proteiny.

Funkce v rostlinné patogenezi

Xanthomonas jsou gramnegativní bakterie, které mohou infikovat širokou škálu rostlinných druhů včetně pepře, rýže, citrusů, bavlny, rajčat a sójových bobů.[5] Některé druhy Xanthomonas způsobují lokalizovanou listovou skvrnu nebo pruh listů, zatímco jiné se šíří systémově a způsobují černou hnilobu nebo plíseň. Injikují do rostliny řadu efektorových proteinů, včetně efektorů TAL, prostřednictvím jejich sekreční systém typu III. TAL efektory mají několik motivů normálně spojených s eukaryoty, včetně několika signálů lokalizace jader a kyselé aktivační domény. Po injekčním podání do rostlin mohou tyto proteiny vstoupit do jádra rostlinné buňky, vázat sekvence promotoru rostlin a aktivovat transkripci rostlinných genů, které pomáhají při bakteriální infekci.[5] Rostliny vyvinuly obranný mechanismus proti efektorům typu III, který zahrnuje geny R (rezistence) spouštěné těmito efektory. Zdá se, že některé z těchto genů R se vyvinuly tak, že obsahují vazebná místa pro TAL-efektor podobné místu v zamýšleném cílovém genu. O této konkurenci mezi patogenními bakteriemi a hostitelskou rostlinou se předpokládá, že vysvětluje zjevně poddajnou povahu vazebné domény TAL efektorové DNA.[6]

Rozpoznávání DNA

Nejvýraznější charakteristikou TAL efektorů je centrální repetiční doména obsahující mezi 1,5 a 33,5 repeticemi, které jsou obvykle dlouhé 34 zbytků (C-terminální repetice je obecně kratší a označuje se jako „poloviční repetice“).[5] Typická opakovaná sekvence je LTPEQVVAIASHDGGKQALETVQRLLPVLCQAHG, ale zbytky na 12. a 13. pozici jsou hypervariabilní (tyto dvě aminokyseliny jsou také známé jako opakovaná proměnná diresidue nebo RVD). Existuje jednoduchý vztah mezi identitou těchto dvou zbytků v sekvenčních opakováních a sekvenčních bázích DNA v cílovém místě efektoru TAL.[6] Krystalová struktura TAL efektoru navázaného na DNA naznačuje, že každá repetice obsahuje dvě alfa helixy a krátkou smyčku obsahující RVD, kde druhý zbytek RVD navazuje sekvenčně specifické kontakty DNA, zatímco první zbytek RVD stabilizuje RVD obsahující smyčka.[8][9] Cílová místa TAL efektorů také inklinují k zahrnutí tyminu ohraničujícího 5 'základnu cílenou prvním opakováním; zdá se, že je to kvůli kontaktu mezi tímto T a konzervovaným tryptofan v oblasti N-terminálu centrální repetiční domény.[8] Tato „nulová“ poloha však nemusí vždy obsahovat tymin, protože některá lešení jsou tolerantnější.[10]

Kód TAL-DNA byl v roce 2010 rozbit dvěma samostatnými skupinami.[6] První skupina v čele s Adam Bogdanove, prolomil tento kód výpočtově hledáním vzorů v uspořádání proteinových sekvencí a DNA sekvencí cílových promotorů odvozených z databáze genů upregulovaných TALEs.[11] Druhá skupina (Boch) odvodila kód molekulární analýzou TAL efektoru AvrBs3 a jeho cílové sekvence DNA v promotoru pepřového genu aktivovaného AvrBs3.[12] Experimentálně ověřený kód mezi sekvencí RVD a cílovou bází DNA lze vyjádřit následovně:

Rozpoznávání základny TAL
ZbytekZákladnaPoznámkyReference
NIA[12]
HDCNe 5-methyl-C[12]
NGT, 5mC[12][13]
NNRPurin: G nebo A.[12]
NSNŽádný[12]
NKGSnížené TALEN činnost, pokud se používá výhradně[14][15]
NHG[7]

Cílové geny

Efektory TAL mohou indukovat geny citlivosti, které jsou členy NODULIN3 (N3) genová rodina. Tyto geny jsou nezbytné pro rozvoj onemocnění. V rýži jsou dva geny, Os-8N3 a Os-11N3, indukovány TAL efektory. Os-8N3 je indukován PthXo1 a Os-11N3 je indukován PthXo3 a AvrXa7. O možných funkcích proteinů N3 existují dvě hypotézy:

  • Podílejí se na transportu mědi, což vede k detoxikaci prostředí pro bakterie. Snížení hladiny mědi podporuje růst bakterií.
  • Podílejí se na transportu glukózy, což usnadňuje tok glukózy. Tento mechanismus poskytuje živiny bakteriím a stimuluje růst patogenů a virulenci[Citace je zapotřebí ]

Inženýrské efektory TAL

Tato jednoduchá korespondence mezi aminokyselinami v efektorech TAL a bázemi DNA v jejich cílových místech je činí užitečnými pro aplikace proteinového inženýrství. Mnoho skupin navrhlo umělé TAL efektory schopné rozpoznat nové sekvence DNA v různých experimentálních systémech.[12][14][15][16][17][18] Takto vytvořené TAL efektory byly použity k vytvoření umělých transkripčních faktorů, které lze použít k cílení a aktivaci nebo represi endogenní geny v rajče,[14] Arabidopsis thaliana,[14] a lidské buňky.[15][17][7][19]

Genetické konstrukty pro kódování TAL efektorových proteinů lze připravit pomocí kteréhokoli konvenčního genová syntéza nebo modulární sestava.[17][19][20][21][22][23][24][25] A plazmidová souprava pro sestavování vlastních TALEN a dalších konstruktů efektorů TAL je k dispozici ve veřejném, neziskovém úložišti Addgene. Mezi webové stránky poskytující přístup k veřejnému softwaru, protokolům a dalším zdrojům pro aplikace zaměřené na efektorovou DNA TAL patří TAL efektorový nukleotidový terč a taleffectors.com.

Aplikace

Upravené TAL efektory lze také fúzovat s doménou štěpení FokI vytvořit TAL efektorové nukleázy (TALEN) nebo do meganukleázy (nukleázy s delšími rozpoznávacími místy) k vytvoření „megaTALů“.[26] Takové fúze sdílejí některé vlastnosti nukleázy zinkového prstu a mohou být užitečné pro genetické inženýrství a genová terapie aplikace.[27]

V rozvíjejících se oblastech se používají přístupy založené na TALEN editace genů a genomové inženýrství. Fúze TALEN vykazují aktivitu v testu na bázi kvasinek,[16][28] na endogenních kvasinkových genech,[20] v testu reportérů rostlin,[18] na endogenním rostlinném genu,[21] na endogenní zebrafish geny,[29][30] endogenní krysa gen,[31] a na endogenních lidských genech.[15][21][32] Člověk HPRT1 gen byl zaměřen na detekovatelné, ale nekvantifikované úrovně.[21] Kromě toho TALEN konstrukty obsahující FokI štěpící doménu fúzované s menší částí TAL efektoru stále obsahující DNA vazebná doména byly použity k cílení na endogenní NTF3 a CCR5 geny v lidských buňkách s účinností až 25%.[15] Efektové nukleázy TAL byly také použity k inženýrství člověka embryonální kmenové buňky a indukované pluripotentní kmenové buňky (IPSC)[32] a vyřadit endogenní ben-1 gen v C. elegans.[33]

Viz také

Reference

  1. ^ Heuer, H .; Yin, Y. -N .; Xue, Q. -Y .; Smalla, K .; Guo, J. -H. (2007). „Repeat Domain Diversity of avrBs3-Like Genes in Ralstonia solanacearum Strains and Association with Host Preferences in the Field“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 73 (13): 4379–4384. doi:10.1128 / AEM.00367-07. PMC  1932761. PMID  17468277.
  2. ^ Lixin Li; Ahmed Atef; Agnieszka Piatek; Zahir Ali; Marek Piatek; Mustapha Aouida; Altanbadralt Sharakuu; Ali Mahjoub; Guangchao Wang; Suhail Khan; Nina V Fedoroff; Jian-Kang Zhu; Magdy M Mahfouz (červenec 2013). „Charakterizace a DNA vazebné specificity efektorů podobných Ralstonia TAL“. Molekulární rostlina. 6 (4): 1318–1330. doi:10,1093 / mp / sst006. PMC  3716395. PMID  23300258.
  3. ^ de Lange, Orlando; Christina Wolfová; Jörn Dietze; Janett Elsaesser; Robert Morbitzer; Thomas Lahaye (2014). „Programovatelné proteiny vázající DNA z Burkholderia poskytují nový pohled na doménu opakování typu TALE“. Výzkum nukleových kyselin. 42 (11): 7436–49. doi:10.1093 / nar / gku329. PMC  4066763. PMID  24792163.
  4. ^ de Lange, Orlando; Vlk, Christina; Thiel, Philipp; Krüger, Jens; Kleusch, Christian; Kohlbacher, Oliver; Lahaye, Thomas (19. října 2015). „Proteiny vázající DNA z mořských bakterií rozšiřují známou rozmanitost sekvencí opakování podobných TALE“. Výzkum nukleových kyselin. 43 (20): 10065–80. doi:10.1093 / nar / gkv1053. PMC  4787788. PMID  26481363.
  5. ^ A b C Boch J, Bonas U (září 2010). "Efekty řady XanthomonasAvrBs3 typu III: objev a funkce". Roční přehled fytopatologie. 48: 419–36. doi:10.1146 / annurev-phyto-080508-081936. PMID  19400638.
  6. ^ A b C Voytas DF, Joung JK (prosinec 2009). "Věda o rostlinách. Vazba DNA snadná". Věda. 326 (5959): 1491–2. Bibcode:2009Sci ... 326.1491V. doi:10.1126 / science.1183604. PMID  20007890. S2CID  33257689.
  7. ^ A b C Cong, Le; Ruhong Zhou; Yu-chi Kuo; Margaret Cunniffová; Feng Zhang (24. července 2012). „Komplexní vyšetřování přirozených modulů vázajících DNA TALE a domén transkripčních represorů“. Příroda komunikace. 968. 3 (7): 968. Bibcode:2012NatCo ... 3E.968C. doi:10.1038 / ncomms1962. PMC  3556390. PMID  22828628.
  8. ^ A b Mak, A.N.-S .; Bradley, P .; Cernadas, R. A .; Bogdanove, A. J .; Stoddard, B.L. (2012). „Krystalová struktura efektoru TAL PthXo1 vázaná na cíl DNA“. Věda. 335 (6069): 716–719. Bibcode:2012Sci ... 335..716M. doi:10.1126 / science.1216211. PMC  3427646. PMID  22223736.
  9. ^ Deng, D .; Yan, C .; Pan, X .; Mahfouz, M .; Wang, J .; Zhu, J. -K .; Shi, Y .; Yan, N. (2012). "Strukturální základ pro sekvenčně specifické rozpoznávání DNA TAL efekty". Věda. 335 (6069): 720–3. Bibcode:2012Sci ... 335..720D. doi:10.1126 / science.1215670. PMC  3586824. PMID  22223738.
  10. ^ Stella, Stefano; Molina, Rafael; Jefimenko, Igor; Prieto, Jesús; Silva, George; Bertonati, Claudia; Juillerat, Alexandre; Duchateau, Phillippe; Montoya, Guillermo (01.09.2013). „Struktura komplexu AvrBs3-DNA poskytuje nové poznatky o počátečním mechanismu rozpoznávání tyminu“. Acta Crystallographica oddíl D. 69 (Pt 9): 1707–1716. doi:10.1107 / S0907444913016429. ISSN  1399-0047. PMC  3760130. PMID  23999294.
  11. ^ Moscou MJ, Bogdanove AJ (prosinec 2009). "Jednoduchá šifra řídí rozpoznávání DNA pomocí TAL efektorů". Věda. 326 (5959): 1501. Bibcode:2009Sci ... 326.1501M. doi:10.1126 / science.1178817. PMID  19933106. S2CID  6648530.
  12. ^ A b C d E F G Boch J, Scholze H, Schornack S a kol. (Prosinec 2009). "Porušení kódu vazebné specificity DNA efektorů TAL typu III". Věda. 326 (5959): 1509–12. Bibcode:2009Sci ... 326.1509B. doi:10.1126 / science.1178811. PMID  19933107. S2CID  206522347.
  13. ^ Deng D, Yin P, Yan C, Pan X, Gong X, Qi S, Xie T, Mahfouz M, Zhu JK, Yan N, Shi Y (4. září 2012). "Rozpoznání methylované DNA pomocí TAL efektorů". Cell Research. 22 (10): 1502–4. doi:10.1038 / cr.2012.127. PMC  3463267. PMID  22945353.
  14. ^ A b C d Morbitzer, R .; Romer, P .; Boch, J .; Lahaye, T. (2010). „Regulace vybraných lokusů genomu pomocí transkripčních faktorů typu de novo-vytvořeného transkripčního aktivátoru podobného efektoru (TALE)“. Sborník Národní akademie věd. 107 (50): 21617–21622. Bibcode:2010PNAS..10721617M. doi:10.1073 / pnas.1013133107. PMC  3003021. PMID  21106758.
  15. ^ A b C d E Miller, J. C .; Tan, S .; Qiao, G .; Barlow, K. A .; Wang, J .; Xia, D.F .; Meng, X .; Paschon, D. E.; Leung, E .; Hinkley, S. J .; Dulay, G. P .; Hua, K. L .; Ankoudinova, I .; Cost, G. J .; Urnov, F. D .; Zhang, H. S .; Holmes, M. C .; Zhang, L .; Gregory, P. D .; Rebar, E. J. (2010). "TALE nukleázová architektura pro efektivní editaci genomu". Přírodní biotechnologie. 29 (2): 143–148. doi:10,1038 / nbt.1755. PMID  21179091. S2CID  53549397.
  16. ^ A b Christian M, Cermak T, Doyle EL a kol. (Červenec 2010). „TAL efektorové nukleázy vytvářejí cílené DNA dvouřetězcové zlomy“. Genetika. 186 (2): 757–61. doi:10.1534 / genetika.110.120717. PMC  2942870. PMID  20660643.
  17. ^ A b C Zhang, F .; Cong, L .; Lodato, S .; Kosuri, S .; Church, G. M .; Arlotta, P. (2011). "Efektivní konstrukce sekvenčně specifických TAL efektorů pro modulaci savčí transkripce". Přírodní biotechnologie. 29 (2): 149–53. doi:10,1038 / nbt.1775. PMC  3084533. PMID  21248753.
  18. ^ A b Mahfouz, M. M .; Li, L .; Shamimuzzaman, M .; Wibowo, A .; Fang, X .; Zhu, J. -K. (2011). „Hybridní nukleáza s transkripčním aktivátorem podobným transkripčnímu aktivátoru (TALE) s novou vazebnou specificitou pro DNA vytváří dvouřetězcové zlomy“. Sborník Národní akademie věd. 108 (6): 2623–8. Bibcode:2011PNAS..108,2623M. doi:10.1073 / pnas.1019533108. PMC  3038751. PMID  21262818.
  19. ^ A b Geiβler, R .; Scholze, H .; Hahn, S .; Streubel, J .; Bonas, U .; Behrens, S.E .; Boch, J. (2011). Shiu, Shin-Han (ed.). „Transkripční aktivátory lidských genů s programovatelnou specifičností DNA“. PLOS ONE. 6 (5): e19509. Bibcode:2011PLoSO ... 619509G. doi:10.1371 / journal.pone.0019509. PMC  3098229. PMID  21625585.
  20. ^ A b Li, T .; Huang, S .; Zhao, X .; Wright, D. A .; Tesaři.; Spalding, M. H .; Weeks, D. P .; Yang, B. (2011). „Modulárně sestavené návrhářské TAL efektorové nukleázy pro cílené vyřazení genů a náhradu genů u eukaryot“. Výzkum nukleových kyselin. 39 (14): 6315–6325. doi:10.1093 / nar / gkr188. PMC  3152341. PMID  21459844.
  21. ^ A b C d Cermak, T .; Doyle, E. L .; Christian, M .; Wang, L .; Zhang, Y .; Schmidt, C .; Baller, J. A .; Somia, N.V .; Bogdanove, A. J .; Voytas, D. F. (2011). „Efektivní design a montáž vlastního TALEN a dalších konstruktů založených na efektoru TAL pro cílení DNA“. Výzkum nukleových kyselin. 39 (12): e82. doi:10.1093 / nar / gkr218. PMC  3130291. PMID  21493687.
  22. ^ Morbitzer, R .; Elsaesser, J .; Hausner, J .; Lahaye, T. (2011). "Sestavení vlastních vazebných domén DNA typu TALE modulárním klonováním". Výzkum nukleových kyselin. 39 (13): 5790–5799. doi:10.1093 / nar / gkr151. PMC  3141260. PMID  21421566.
  23. ^ Weber, E .; Gruetzner, R .; Werner, S .; Engler, C .; Marillonnet, S. (2011). Bendahmane, Mohammed (ed.). „Sestavení designérských TAL efektů pomocí Golden Gate Cloning“. PLOS ONE. 6 (5): e19722. Bibcode:2011PLoSO ... 619722W. doi:10.1371 / journal.pone.0019722. PMC  3098256. PMID  21625552.
  24. ^ Sanjana, N.E .; Cong, L .; Zhou, Y .; Cunniff, M. M .; Feng, G .; Zhang, F. (2012). „Souprava efektorových nástrojů transkripčního aktivátoru pro genomové inženýrství“. Přírodní protokoly. 7 (1): 171–192. doi:10.1038 / nprot.2011.431. PMC  3684555. PMID  22222791.
  25. ^ Briggs AW, Rios X, Chari R, Yang L, Zhang F, Mali P, Church GM (srpen 2012). „Iterativní zakončená sestava: rychlá a škálovatelná syntéza DNA s opakovaným modulem, jako jsou TAL efektory z jednotlivých monomerů“. Nucleic Acids Res. 40 (15): e117. doi:10.1093 / nar / gks624. PMC  3424587. PMID  22740649.
  26. ^ Boissel, Sandrine; Jarjour, Jordan; Astrakhan, Alexander; Adey, Andrew; Gouble, Agnès; Duchateau, Philippe; Shendure, Jay; Stoddard, Barry L .; Certo, Michael T. (2014-02-01). „megaTALs: architektura štěpení nukleáz pro terapeutické genomové inženýrství. Výzkum nukleových kyselin. 42 (4): 2591–2601. doi:10.1093 / nar / gkt1224. ISSN  1362-4962. PMC  3936731. PMID  24285304.
  27. ^ Laura DeFrancesco (2011). Msgstr "Přesunout přes ZFN". Přírodní biotechnologie. 29 (8): 681–684. doi:10.1038 / nbt.1935. PMID  21822235. S2CID  29925336.
  28. ^ Li T, Huang S, Jiang WZ a kol. (Srpen 2010). „TAL nukleázy (TALN): hybridní proteiny složené z TAL efektorů a FokI DNA-štěpné domény“. Nucleic Acids Res. 39 (1): 359–72. doi:10.1093 / nar / gkq704. PMC  3017587. PMID  20699274.
  29. ^ Huang, P .; Xiao, A .; Zhou, M .; Zhu, Z .; Lin, S .; Zhang, B. (2011). "Dědičné cílení genů u zebrafish pomocí přizpůsobených TALENů". Přírodní biotechnologie. 29 (8): 699–700. doi:10.1038 / nbt.1939. PMID  21822242. S2CID  28802632.
  30. ^ Sander, J. D .; Cade, L .; Khayter, C .; Reyon, D .; Peterson, R. T .; Joung, J. K .; Yeh, J. R. J. (2011). „Cílené narušení genu v somatických buňkách zebrafish pomocí inženýrsky upravených TALENů“. Přírodní biotechnologie. 29 (8): 697–698. doi:10.1038 / nbt.1934. PMC  3154023. PMID  21822241.
  31. ^ Tesson, L .; Usal, C .; Ménoret, S. V .; Leung, E .; Niles, B. J .; Remy, S.V .; Santiago, Y .; Vincent, A. I .; Meng, X .; Zhang, L .; Gregory, P. D .; Anegon, I .; Cost, G. J. (2011). "Vyřazení krys generovaných mikroinjekcí TALEN do embrya". Přírodní biotechnologie. 29 (8): 695–696. doi:10,1038 / nbt.1940. PMID  21822240. S2CID  13525337.
  32. ^ A b Hockemeyer, D .; Wang, H .; Kiani, S .; Lai, C. S .; Gao, Q .; Cassady, J. P .; Cost, G. J .; Zhang, L .; Santiago, Y .; Miller, J. C .; Zeitler, B .; Cherone, J. M .; Meng, X .; Hinkley, S. J .; Rebar, E. J .; Gregory, P. D .; Urnov, F. D .; Jaenisch, R. (2011). „Genetické inženýrství lidských pluripotentních buněk pomocí nukleáz TALE“. Přírodní biotechnologie. 29 (8): 731–734. doi:10.1038 / nbt.1927. PMC  3152587. PMID  21738127.
  33. ^ Wood, A. J .; Lo, T.-W .; Zeitler, B .; Pickle, C. S .; Ralston, E. J .; Lee, A. H .; Amora, R .; Miller, J. C .; Leung, E .; Meng, X .; Zhang, L .; Rebar, E. J .; Gregory, P. D .; Urnov, F. D .; Meyer, B. J. (2011). „Cílená editace genomu napříč druhy pomocí ZFN a TALEN“. Věda. 333 (6040): 307. Bibcode:2011Sci ... 333..307W. doi:10.1126 / science.1207773. PMC  3489282. PMID  21700836.

externí odkazy