转录激活子样效应蛋白（transcription activator-like effector, TALE）经设计后能够结合到几乎任何选定的DNA上。在一项新的研究中，来自斯洛文尼亚国家化学研究所的研究人员报道一个TALE蛋白能够以一种高度极化的方式取代另一个TALE蛋白，具体而言就是一个TALE蛋白仅能够取代一个位于它的右侧附近的结合到DNA上的TALE蛋白，而不能够取代一个位于它的左侧附近的结合到DNA上的TALE蛋白。TALE蛋白的这种不同寻常的性质已被用来增加基因表达调控的精确度、设计哺乳动物细胞中的逻辑电路和阻止CRISPR在DNA上进行脱靶切割。相关研究结果于2018年11月19日在线发表在Nature Chemical Biology期刊上，论文标题为“Polarized displacement by transcription activator-like effectors for regulatory circuits”。论文通讯作者为斯洛文尼亚国家化学研究所合成生物学与免疫学系主任Roman Jerala。论文第一作者为Jerala研究课题组博士后研究员Tina Lebar。
图片来自National Institute of Chemistry, Slovenia。
细胞的性质由编码到基因组中的DNA程序所确定。基因活性由与DNA紧密结合的蛋白所确定。合成生物学能够通过靶向结合到特定DNA位点上的定制蛋白来操纵基因激活。大约十年前，科学家们破解了一组称为TALE的蛋白对DNA序列的识别，其中TALE蛋白是首先在感染植物的细菌中发现的。对这种识别机制的理解使得人们能够设计出与几乎任何选定的DNA序列结合的TALE蛋白。添加一个能够导致基因变得有活性的或没有活性的小蛋白附加物到任何一个TALE蛋白中，就能够让任何一个基因激活或失活，这就使得它们对医学治疗和生物技术非常有用。
TALE蛋白的风头在某种程度上被CRISPR技术所遮盖，这是因为后者能够做与TALE相同的事情，但要比前者更容易使用。如今，Jerala研究课题组发现TALE蛋白能够执行一些额外的技巧，这可能会让它们重新成为人们关注的焦点。他们发现当两个TALE蛋白彼此间相邻时，位于左侧的结合到DNA上的TALE蛋白能够将位于右侧的结合到DNA上的TALE蛋白驱逐出去，但反之则不然。
Jerala解释道，位于左侧的TALE蛋白能够将位于右侧的TALE蛋白从DNA上驱赶下来，这是他们发现的一个精心设计的分子取代的例子，而且他们发现这能够用于其他目的。
除了对这种极化取代机制提出一种解释之外，这些研究人员还展示了TALE蛋白的这一特征对于调节基因表达非常有用。Lebar说，“我们发现我们能够进一步扩展这种TALE蛋白取代；将一个额外的TALE蛋白（记为A）放置在一个TALE蛋白（记为B）的左侧，这样A就能够有效地取代位于A右侧的B，这随后允许下一个位于B右侧的TALE蛋白结合到它的靶位点上。这类似于多米诺骨牌效应，但是仅每隔一个的多米诺骨牌倒下。我们发现在使用多达5个相邻的TALE蛋白时，这一点仍然有效，这非常令人兴奋和出乎意料。更重要的是，我们意识到我们能够使用一系列相邻的TALE蛋白来编码OR、AND和NAND之类的逻辑功能，从而可用于调节人体细胞对外部信号作出的反应并让使细胞中的信息处理变得更加有效。”
实际上，这些研究人员能够基于TALE蛋白取代在哺乳动物细胞中展示了两种输入布尔逻辑门（input Boolean logic gate）。虽然人们之前已在细胞中构建出逻辑功能，但是这项新的研究改进了它们的效率。另外一个优点是这种类型的基因活性调节是高度精确的。不同于之前的几种方法的是，它能够让一个选定的基因失活，同时相邻的基因仍然保持活性。
极化取代（polarized displacement）似乎是TALE蛋白独有的，而且也可用于阻止CRISPR复合物在DNA上形成。CRISPR是一种强大的工具，主要被科学家们用来切割细胞中的选定的DNA靶位点；然而人们已报道，它存在着脱靶切割的问题。因此，这种TALE取代机制可用于保护基因组中的这些我们不希望发生切割的的位点。
这些研究人员表示，这一发现对于理解自然界中的这种取代机制和提高细胞治疗或生物技术制备的精确性、安全性和效率都很重要。
参考资料：
Tina Lebar, Anže Verbič, Ajasja Ljubetič et al. Polarized displacement by transcription activator-like effectors for regulatory circuits. Nature Chemical Biology, Published Online: 19 November 2018, doi:10.1038/s41589-018-0163-8.