清华大学颜宁,施一公再发Science文章

【字体: 时间:2012年01月09日 来源:生物通

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  来自清华大学生命科学学院和医学院,美国普渡大学等处的研究人员发表了题为“Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors”的文章,报道了转录激活因子样效应蛋白(TALE)特异识别DNA的分子机理,这提供了TALE蛋白的改造基础,极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。相关成果公布在Science杂志上,并被作为亮点推荐文章。

  生物通报道:来自清华大学生命科学学院和医学院,美国普渡大学等处的研究人员发表了题为“Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors”的文章,报道了转录激活因子样效应蛋白(TALE)特异识别DNA的分子机理,这提供了TALE蛋白的改造基础,极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。相关成果公布在Science杂志上,并被作为亮点推荐文章。

文章的通讯作者是清华大学颜宁教授和施一公教授,共同第一作者是来自“清华、北大、NIBS三校联合培养项目”的二年级研究生邓东、清华大学生命学院的研究生闫创业,和清华大学医学院的一年级研究生潘孝敬。这项研究是与美国普渡大学朱健康教授研究组合作完成。除此之外,上海同步辐射(SSRF)为数据收集提供了及时有效的巨大便利。

TALE (Transcription Activator Like Effectors)植物致病菌Xanthomonas通过III型分泌系统注入到宿主细胞内的一种蛋白质。TALE蛋白的奇特之处在于它的DNA结合结构域--该DNA 结合结构域不同于其他已知的DNA结合结构域。它是由不同数量的重复单元组成,每一个重复单元特异识别一个DNA碱基对。大多数情况下每个重复单元由34个氨基酸组成。这34个氨基酸中除了第12,13位的氨基酸变化较大之外,其他氨基酸高度保守。这两个不保守的氨基酸被命名为RVD(repeat variable diresidue)。每个重复序列中12,13位的氨基酸和识别的核苷酸种类有特殊的一一对应关系。

TALE蛋白的特异DNA序列识别以及灵活的可组装性为它们在分子生物学中的应用提供了巨大的前景,科学家们可以设计组装任意的TALE单元去识别目标DNA双螺旋序列。这一特性已经被用来构造切割特异双链DNA序列的DNA酶TALEN (TALE nuclease),成功用于在细胞基因组中引入定点突变、定点敲除等操作。理解TALE识别DNA的分子机制,会极大地促进其在生命科学领域的应用。

TALE蛋白到底是如何实现这种特殊的DNA识别方式呢?为了回答这个有趣的问题,颜宁、施一公、朱健康研究组合作,选择了一个经过改造的TALE蛋白dHax3,进行结构生物学和生物化学研究,最终获得了2.4埃和1.85埃两个高分辨率的晶体结构:未结合DNA和结合DNA的TALE蛋白结构。

这些晶体结构显示TALE蛋白的重复单元组成Helix-loop-helix的结构围绕DNA呈右手螺旋状排列,并清晰揭示了TALE蛋白特异识别DNA的机理。结构还显示RVD这两个残基中只有第二位的氨基酸才与碱基特异识别。结构比较进一步展示了TALE蛋白类似于弹簧的伸展性。这些结构信息提供了TALE蛋白的改造基础,极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。

这是清华大学结构生物学研究的又一重要成果,是自2009年4月以来清华大学作为通讯作者发表的第11篇Nature、Science、Cell论文。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors

TAL effectors, secreted by phytopathogenic bacteria, recognize host DNA sequences through a central domain of tandem repeats. Each repeat comprises 33 to 35 conserved amino acids and targets a specific base pair using two hypervariable residues (known as RVD) at positions 12 and 13. Here, we report the crystal structures of a 11.5-repeat TAL effector in both DNA-free and DNA-bound states. Each TAL repeat comprises two helices connected by a short RVD-containing loop. The 11.5 repeats form a right-handed, super-helical structure that tracks along the sense strand of DNA duplex, with RVDs contacting the major groove. The 12th residue stabilizes the RVD loop, whereas the 13th residue makes a base-specific contact. Understanding DNA recognition by TAL effectors may facilitate rational design of DNA-binding proteins with biotechnological applications.

作者简介:
颜宁
教授、博士生导师

1977年出生于山东。1996-2000年就读于清华大学生物系获学士学位;2000-2004年于普林斯顿大学分子生物学系攻读博士学位;2005-2007年于普林斯顿大学分子生物学系从事博士后研究;2007年受聘于清华大学医学院担任教授、博导。获得由 Science 和GE Healthcare评选的2005年“青年科学家奖”(北美地区)。

实验室的主要研究方向:
1.重要膜蛋白的结构与功能研究
2.胆固醇代谢调控通路的结构生物学和生物化学研究
 

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