TALENTM靶向基因修饰新工具

2011年7月美国市场研究公司Select Biosciences主办的生命科学大奖（Life Science Awards）揭晓，以基因组编辑修饰闻名的生物技术公司Cellectis Bioresearch凭借着Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs)技术服务荣获最具创新性的新服务（Most Innovative New Service）奖项。TALENs定制基因修饰服务，为多个学科的研究人员提供强大的新工具。

 

Cellectis Bioresearch的市场销售副总裁Dr. Luc Selig表示：“我们推出这个技术服务才几个月，就得到如此殊荣，我深表荣幸，这个奖项极大地激励我们团队，会进一步优化此技术，以高质量的服务、合理的价格回报给客户。”

 

“我们第一个将TALENs技术推向市场，力争每一天都会有新的客户接受我们的服务。” Cellectis Bioresearch的CEO Marc Le Bozec补充道，“我们的目标是为全世界的生物科研人员提供基因组定制服务，我们预测此项服务有着巨大的市场潜力。”

 

TALENTM 服务极具革命性。由于价格上可以承受，可以支持众多生命科学研究者获取基因组定制工具。TALENTM技术已经成功应用到了细胞(干细胞）、酵母、斑马鱼、大鼠、小鼠及植物等各类模式生物上，此项技术定会带来新的实验理念与思路。

 

技术简介

 

TALEN (Transcription Activator-Like (TAL) Effector Nucleases)靶向基因敲除基因修饰是一种崭新的分子生物学工具。科研人员发现来自植物病原菌Xanthomonas中的TAL蛋白核酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有较恒定的对应关系。利用此恒定对应关系，构建与核酸内切酶的融合蛋白，在特异位点打断目标基因组DNA序列，从而可在该位点进行DNA编辑修饰操作，比如knock-out、knock-in、碱基替换、点突变或者基因修饰等。该技术与常规锌指核酸酶(ZFN)相比更有优势，能识别任意目标基因序列，不受上下游序列影响等问题，因此使得基因操作更加简单方便。

 

技术原理

 

1. TALE模块构建

 

33-35个氨基酸重复序列构成了TALE的核心区域，可以特异性地识别DNA序列。这些重复的氨基酸序列除了第12位和第13位变化较大外，其余氨基酸序列高度保守，而这两个氨基酸被称为RVDs(Repeat-Variable Di-residues)并且与A、G、C、T一一对应，即NI识别A，HD识别C，NG识别T， NN和NK识别G（如图1所示）。因此为识别某一特定氨基酸序列，只需设计相应TALE单元串联克隆即可。由于物种多样性、基因组序列多样性，选择的特异性序列长度也有所不同，对于哺乳类动物（包括人）一般选择15-30bp的DNA序列作为识别序列。

图1 RVD识别一个碱基

 

2. TALEN质粒对的构建

 

将识别特异靶DNA序列的TALE与核酸内切酶FokI偶联,可构建成TALEN质粒。FokI需形成二聚体方能发挥活性。因此在目标DNA中选择两处（间隔13-22个碱基，保证FokI能形成二聚体）序列（Cellectis Bioresearch一般选择17个碱基），分别克隆形成表达载体，得到TALEN质粒对（如图2所示）。因此TALE是识别靶基因，而FokI是起了切割DNA的作用。

图2  TALEN质粒构建

 

3. TALEN的非同源重组/基因敲除

 

TALEN质粒对共转入细胞后，表达的融合蛋白即特异性地与靶DNA结合。而两个TALEN融合蛋白中的FokI核酸内切酶形成二聚体，发挥剪切活性，在两个靶位点之间打断目标基因（如图3所示），形成DSB（Double-Strand Breaks），诱发DNA损伤修复机制。细胞可通过非同源重组NHEJ （Nonhomologous End Joining）方式修复DNA，由于缺乏修复模板，在此过程中或多或少地会删除或插入一定数目的碱基，造成移码，使得目的基因失活或敲除，最终形成目标基因敲除突变体（如图4所示）。

图3 TALEN识别并剪切靶DNA
 

图4 基因敲除原理

 

(A) TALENTM技术打断目的基因，诱导非同源重组方式修复DNA

(B) 非同源重组修饰会插入或删除一些碱基，造成移码突变

(C) 最终形成基因敲除

 

4. TALEN的同源重组/基因修饰

 

产生DSB后，如果有同源修复模板，细胞可通过同源重组HR (Homologous Recombination)方式修复DNA，如果在细胞中转入的质粒含有修复模板，就可以对目标DNA做修饰，如点突变、碱基替换、碱基磷酸化、加入标记（如GFP、6XHis…）等等（如图5所示）。

图5 基因修饰原理

 

(A) TALENTM技术打断目的基因

(B) 同源重组模板--质粒

(C) 通过同源重组，进行DNA修饰

 

文献支持

 

Knockout rats generated by embryo microinjection of TALENs. Tesson L., et al. Nature Biotechnology 29

Targeted gene disruption in somatic zebrafish cells using engineered TALENs. Sander J.D., et al. Nature Biotechnology 29, 697-698, August 2011

Heritable gene targeting  in zebrafish using customized TALENs. Huang P., et al. Nature Biotechnology 29, 699-700, August 2011

Targeted genome editing across species using ZFNs and TALENs. Wood A.J., et al. SCience July; 333(6040):307

A novel TALE nuclease scaffold enables high genome editing activity in combination with low toxicity. Mussolino C., et al. Nucleic Acids Research, August 2011.

Assembly of TALE-type DNA binding domaines by modular cloning. Morbitzer R., et al. Nucleic Acids Research, July 2011, 39(13):5790-9

TAL nucleases (TALNs): hybrid proteins composed of TAL effectors and FokI DNA-cleavage domain.  Ting Li, et al. Nucleic Acids Research, 2011, Vol. 39, No. 1 359-372

Efficient construction of sequence-specific TAL effectors for modulating mammalian transcription. Feng Zhang, et al. Nature biotechnology Letters: published online 19 January 2011; doi: 10.1038/nbt1775

Targeting DNA Double-Strand Breaks with TAL Effector Nucleases. Michelle Christian, et al. Genetics 186: 757-761 (October 2010)

De novo-engineered transcription activator-like effector (TALE) hybrid nuclease with novel DNA binding specificity creates double-strand breaks. Magdy M. Mahfouz, et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Jan 24

A TALE nuclease architecture for efficient genome editing. Jeffrey. C. Miller, et al. Nature biotechnology Articles: published online 22 December 2010