赵惠民教授Nature子刊：基因组编辑蛋白的寻靶机制

　　在整个基因组中搜寻一段特异的序列，就像试图从有着十亿拼图块的盒子中找出特殊的一块一样。利用先进的成像技术，伊利诺伊大学的研究人员发现了一组基因组编辑蛋白是如何找到它的特异靶标的，这有可能帮助设计出更好的基因疗法来治疗疾病。他们的研究工作发布在6月1日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

　　

生物通报道  在整个基因组中搜寻一段特异的序列，就像试图从有着十亿拼图块的盒子中找出特殊的一块一样。利用先进的成像技术，伊利诺伊大学的研究人员发现了一组基因组编辑蛋白是如何找到它的特异靶标的，这有可能帮助设计出更好的基因疗法来治疗疾病。他们的研究工作发布在6月1日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

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伊利诺伊大学的化学和生物分子工程学系教授赵惠民（Huimin Zhao）及Charles M. Schroeder博士是这篇论文的共同通讯作者。赵惠民教授是生物合成领域的国际著名专家，在Nature、Science等顶级期刊上发表过一系列的重要成果，获得学术奖励10余项。

TALE蛋白可以通过编程来识别和结合DNA的特定区域。研究人员一直对将TALE蛋白应用于合成生物学如对植物或细菌进行基因组编辑，或是用于基因治疗感兴趣。譬如赵惠民的研究小组就在探索利用TALE蛋白来治疗镰状细胞性贫血（延伸阅读：著名干细胞专家Cell发表基因组编辑重大成果）。

Schroeder说：“人们一直在使用这一技术，但此前却没有人完全了解其机制。一个主要的问题是，这些蛋白是如何找到它们的靶位点的？它们被设计来结合某一特定位点，但巨大的基因组有着数十亿的碱基，因此这一蛋白是如何找到它的位点的？如果了解了这一机制，你或许可以设计出更好的改良蛋白。”

先进的成像技术使得研究人员能够通过显微镜来观察个别TALE蛋白与DNA链的互作。他们观察到TALE蛋白结合利用了滑行和跳跃来寻找和发现位点。蛋白结合到DNA上，沿着DNA螺旋滑动，沿着像高速公路一样的DNA分子走下去。研究人员还发现，蛋白质沿着它们的路径完成频繁的短途跳跃，使得它们能够更有效地移动，但从不偏离DNA。

论文的共同第一作者、研究生Luke Cuculis说：“滑行和跳跃相结合意味着它们可以覆盖更大的范围，有可能成功越过了挡在它们道路上的一些障碍。”

另一位共同第一作者、研究生Zhanar Abil说：“这样的组合行为也使得TALE蛋白能够在DNA双螺旋链之间切换，对两条链进行抽样检测，提高了找到靶位点的机会。”

他们还分析了起作用的蛋白质组成部分，发现蛋白质内的一些结构域之间进行了劳动分工：一部分负责搜索，另一部分结合特异的靶序列。这一研究发现令研究人员感到非常的兴奋，因为这让他们认识了在哪里调整蛋白质设计可以让它的结合更具选择性。

Schroeder说：“我们的主要目标是要设计出降低脱靶结合的改良蛋白。如果我们可以不只是简单地改变特定结合结构域，而是在不同的地方设计出具有不同蛋白质组成部分的新蛋白，我们或许可以在不增加错误的条件下提高效率。”

接下来，研究人员正在活细胞中观察蛋白质工作，看沉浸到细胞核内忙乱的活动中去时行为是否会发生改变。

赵惠民说：“这让我们更好地认识了基因组编辑机制，当我们更好地了解它时，它会为我们提供一些关于蛋白质设计的新见解。如果你要真的谈及治疗应用，那必须是一种特殊的设计。”

（生物通：何嫱）

作者简介：

赵惠民

赵教授是生物合成领域的国际著名专家，现任美国伊利诺伊大学香槟分校化学和生物分子工程学系Centennial讲席教授，兼任化学系、生物化学系、生物物理系和生物工程系教授。已在Nature、Science、Angew. Chem.等杂志发表学术论文100多篇。迄今共获得学术奖励10余项，包括2010年当选美国AAAS Fellow，2012年当选美国Guggenheim Fellow。担任学术期刊ACS Synthetic Biology，Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology和Scientific Reports编辑，以及ACS Catalysis副编辑。

生物通推荐原文摘要：

Direct observation of TALE protein dynamics reveals a two-state search mechanism

Transcription activator-like effector (TALE) proteins are a class of programmable DNA-binding proteins for which the fundamental mechanisms governing the search process are not fully understood. Here we use single-molecule techniques to directly observe TALE search dynamics along DNA templates. We find that TALE proteins are capable of rapid diffusion along DNA using a combination of sliding and hopping behaviour, which suggests that the TALE search process is governed in part by facilitated diffusion. We also observe that TALE proteins exhibit two distinct modes of action during the search process—a search state and a recognition state—facilitated by different subdomains in monomeric TALE proteins. Using TALE truncation mutants, we further demonstrate that the N-terminal region of TALEs is required for the initial non-specific binding and subsequent rapid search along DNA, whereas the central repeat domain is required for transitioning into the site-specific recognition state