通过分子位移发现基因调控的新原理

可以设计转录激活因子样效应蛋白(TALE)蛋白质以结合几乎任何选择的DNA。研究人员现在报道，TALE可以以高度极化的方式从DNA中取代另一种TALE蛋白 - 它可以取代TALE蛋白与其右侧相邻的DNA结合，但不能与左侧相邻。TALEs的这种不寻常的特性已被用于提高基因表达调控的精确度，设计哺乳动物细胞中的逻辑电路，以及防止在非所需DNA位点的CRISPR切割。

细胞的性质由硬连线到基因组中的DNA程序定义。基因活性由与DNA紧密结合的蛋白质定义。合成生物学可以通过设计的蛋白质操纵基因激活，所述蛋白质可以被靶向以结合选择的DNA靶标。大约十年前，科学家破译了一组称为TALEs(转录激活因子效应子的缩写)的蛋白质的DNA序列识别，这些蛋白质首先在感染植物的细菌中发现。对该代码的理解使研究人员能够设计出与几乎任何选定的DNA序列结合的TALE蛋白。添加导致基因变得活跃或无活性的小蛋白质附加物可以添加到任何TALE 蛋白质中，它可以激活或灭活任何基因，使它们对医学治疗和生物技术非常有用。

TALES在某种程度上被CRISPR技术所掩盖，它可以做与TALE相同的事情，但更容易使用。Lebar等人。现在表明TALE可以执行一些额外的技巧，可能会让他们重新成为焦点。斯洛文尼亚的研究人员发现，当两个TALEs彼此紧密结合时，左边的那个TALE能够移除与其右边的DNA结合的TALE，但反之则不然。

项目负责人Roman Jerala是斯洛文尼亚卢布尔雅那国立化学研究所合成生物学和免疫学系主任，他解释说：“想象一排小椅子，一个人坐在一把椅子上。如果你坐在椅子上这个人，你可能有点太大了，无法放在一把椅子上，所以你轻推邻居，他不能再坐着，不得不站起来。通常情况下，这个人可能会轻推你，你必须站起来，但是在TALEs的情况下，这只能在一个方向上起作用。左边的TALE蛋白质可以从DNA中移除它们的右边。这是我们发现的设计分子位移的一个例子。我们发现它可以用于其他目的。“

除了提出对这种极化位移机制的解释之外，研究人员还证明了TALE的这一特征对调节基因表达非常有用。该报告的第一作者，Jerala集团的博士后研究员Tina Lebar说：“我们发现我们可以进一步扩展TALE位移;左边的附加TALE可以有效地取代其右邻居，然后允许下一个正确的TALE绑定回目标。这就像多米诺骨牌效应，但只有每一秒多米诺骨牌倒下。我们已经证明，这可以与多达五个相邻的TALE一起使用，这非常令人兴奋和出乎意料。更重要的是，我们意识到我们可以使用一系列相邻的TALE来编码逻辑函数，例如OR，AND，NAND，这些可用于调节人体细胞对外部信号的响应，并使细胞中的信息处理更多有效。”

实际上，他们能够基于TALE位移在哺乳动物细胞中展示输入布尔逻辑门。虽然之前已在单元格中构建逻辑函数，但此报告可提高其效率。另一个优点是这种基因活性调节是高度精确的。与之前的几种方法相反，它可以使相邻基因保持活性而使选定的基因失活。

极化位移似乎是TALE独有的，也可用于防止在DNA上形成CRISPR复合物。CRISPR是一种强大的工具，主要由科学家用于切割细胞中选定的DNA靶位点; 但据报道，它也可以切割不需要的目标。因此，TALE置换机制可用于保护我们不希望被切割的基因组中的位点。

通过其他分子的结合来分解分子复合物是自然界中最重要的原则之一，并且该报告可能是第一种情况，其中置换是故意设计并用于全新的目标。研究人员表示，这一发现对于理解自然界中促进位移的机制以及提高细胞治疗或生物技术生产的精确性，安全性和效率都很重要。该研究由斯洛文尼亚研究机构资助。