TALEN基因编辑技术

前言转录激活样效应因子核酸酶（transcriptionactivator-likeeffectornuclease,TALEN）技术与锌指核酸酶（Zinc-fingernuclease,ZFN）技术组成了一大类强有力的基因组编辑工具，这一大类技术的发展重新划定了生物学研究的边界。这些嵌合核酸酶由两部分组成——一个可编码的序列特异性DNA结合模块与一个非特异性的DNA切割结构域。通过诱导DNA双链断裂（DNAdouble-strandbreak）来刺激容易出错的非同源末端连接或在特定基因所在的位置进行的同源定向修复，TALEN和ZFN能够完成一系列遗传学编辑修饰操作。成簇规律间隔短回文重复（clusteredregulatoryinterspacedshortpalindromicrepeat,CRISPR）技术是最新出现的一种基因组编辑工具，它能够完成RNA导向的DNA识别及编辑。与其它基因组编辑工具相比，CRISPR技术更易于操作，具有更强的可扩展性。本文将以上述三种技术为例，介绍并探讨新一代位点特异性基因组工程技术的生物学原理、未来发展趋势，及其在遗传学研究领域的作用和潜在的医学应用前景。一、TALEN技术TAL效应因子（TALeffector,TALE）最初是在一种名为黄单胞菌（Xanthomonassp.）的植物病原体中作为一种细菌感染植物的侵袭策略而被发现的。这些TALE通过细菌III类分泌系统（bacterialtypeIIIsecretionsystem）被注入植物细胞中，通过靶定效应因子特异性的基因启动子来调节转录，来促进细菌的集落形成。由于TALE具有序列特异性结合能力，研究者通过将FokI核酸酶与一段人造TALE连接起来，形成了一类具有特异性基因组编辑功能的强大工具，即TALEN。近年来，TALEN已广泛应用于酵母、动植物细胞等细胞水平基因组改造，以及拟南芥、果蝇、斑马鱼及小鼠等各类模式研究系统。2011年《自然·方法》（NatureMethods）将其列为年度技术，而2012年的《科学》（Science）则将TALEN技术列入了年度十大科技突破，针对该文的评论更是给予它基因组的巡航导弹技术的美誉。1.TALEN结构及技术原理1.1TALEN的典型结构如前文所述，典型的TALEN由一个包含核定位信号（Nuclearlocalizationsignal,NLS）的N端结构域、一个包含可识别特定DNA序列的典型串联TALE重复序列的中央结构域，以及一个具有FokI核酸内切酶功能的C端结构域组成。不同类型的TALEN元件识别的特异性DNA序列长度有很大区别。一般来说，天然的TALEN元件识别的特异性DNA序列长度一般为17-18bp；而人工TALEN元件识别的特异性DNA序列长度则一般为14-20bp。图1TALEN的结构。（A）与靶点DNA（灰色显示，PDBID：3UGM）结合的TALE蛋白。每一个独立的TALE重复序列元件包含33到35个氨基酸残基，这些TALE重复序列元件能够通过两个高变异度的残基（即重复可变双残基，RVD，棍状显示）来识别一个单一的碱基对。（B）TALE核酸酶（TALEN）形成二聚体结合DNA的动画演示。TALEN目标位点由两个TALE结合位点组成，这两个位点间通过不同长度的间隔区序列（12-20bp）分开。TALE可以被设计成仅仅识别左半侧位点或右半侧位点。图片来源：ThomasGaj,CharlesA.Gersbach,andCarlosF.BarbasIII.(2013)ZFN,TALEN,andCRISPR/Cas-basedmethodsforgenomeengineering.TrendsinBiotechnology,31(7):397-405.1.2TALEN技术的原理与步骤TALEN技术的原理并不复杂，即通过DNA识别模块将TALEN元件靶向特异性的DNA位点并结合，然后在FokI核酸酶的作用下完成特定位点的剪切，并借助于细胞内固有的同源定向修复（HDR）或非同源末端连接途径（NHEJ）修复过程完成特定序列的插入（或倒置）、删失及基因融合（图2）。图2TALEN进行基因组编辑的原理。利用位点特异性核酸酶可以进行基因组编辑，而核酸酶诱导的DNA双链断裂（DSB）可由同源定向修复（HDR）或非同源末端连接途径（NHEJ）来修复。（A）在供体质粒（donorplasmid）暴露出延长的同源臂（homologyarm）的情况下，HDR可能导致插入的单个或多个转基因发生改变或取代原有的基因。（B）在缺失供体质粒的情况下，NHEJ介导的修复会产生小的插入或删失突变，并可能导致目标基因被破坏；在有双链寡核苷酸或线状供体质粒存在的情况下，这些DNA片段可能通过NHEJ介导的连接反应插入；同时诱导两个DSB的产生则会引起删失、插入和易位突变。图片来源：ThomasGaj,CharlesA.Gersbach,andCarlosF.BarbasIII.(2013)ZFN,TALEN,andCRISPR/Cas-basedmethodsforgenomeengineering.TrendsinBiotechnology,31(7):397-405.TALEN技术的核心原理就是在同一个蛋白（TALEN）上有序地实现引导进入细胞核、靶位点DNA的特异性识别和靶位点DNA的切割这三个不同的功能，这一点在上述TALEN典型结构一节中已作了较为详细的描述。在具体操作中，例如在实验室条件下，实现TALEN的关键就在于完成DNA的特异性识别功能，一般说来分为两个步骤。图3与图4分别以“铂金门”TALEN构建系统（PlatinumGateTALENconstructionsystem）和商业化的easyT体系为例，展示了实验操作中TALEN元件的构建。图3“铂金门”TALEN构建系统TALEN元件构建操作示意图。步骤一，四个或更少的组件被连接到阵列质粒（arrayplasmid）上；步骤二，构建好的阵列随后被连接到哺乳动物表达载体中；白色和粉色的长方形分别表示在BsaI和Esp3I限制性内切酶切割后留下的粘性末端；蓝色字母代表RVD，红色字母代表non-RVD变化，黄色长方形代表后一半重复。图片来源：TetsushiSakuma,HiroshiOchiai,TakehitoKaneko,TomojiMashimo,DaisukeTokumasu,etal.(2014)Repeatingpatternofnon-RVDvariationsinDNA-bindingmodulesenhancesTALENactivity.ScienceReport,3(3379):1-8.图4“easyT”TALEN构建系统TALEN元件构建操作示意图。（A）包含一个长度为18.5个组件的TALE重复元件的TALEN体系示意图。该TALE重复元件由20个单体单位（monomerunit）组装而成。单体单位的边界在组装过程中发生了移位。（B）TALEN克隆示意图。第一步，由四个单体通过连接反应组装成4聚体；第二步，4聚体（4-mers）进行PCR扩增，琼脂糖凝胶电泳，胶回收并浓缩；最后，在第二次连接反应中，4聚体被组装到TALEN骨架质粒（backboneplasmid）上；黄色和蓝色箭头分别表示4聚体扩增时的正向引物与反向引物。图片来源：TomonoriKatsuyama,ArslanAkmammedov,MakikoSeimiya,SamuelC.Hess,CemSieversandRenatoPar.(2013)AnefficientstrategyforTALEN-mediatedgenomeengineeringinDrosophila.NucleicAcidsResearch,41(17):e163-171.1.2.1构建TAL靶点识别模块TAL的DNA特异性识别单位是间隔32个恒定氨基酸残基的二联氨基酸。二联氨基酸与AGCT这4个核苷酸碱基有一一对应的关系：腺嘌呤（A）由NI识别、胸腺嘧啶（T）由NG识别、鸟嘌呤（G）由NN识别，而胞嘧啶（C）则由HD识别。实验操作中，我们通过靶位点的DNA序列可以反推能特异性识别这一序列的二联氨基酸序列，从而构建TAL靶点识别模块。1.2.2TAL靶点识别模块的克隆与表达根据之前对TALEN结构的介绍，我们需要将上一步骤中根据目标DNA序列构建好的一对TAL靶点识别模块与N端的核定位序列、C端的FokI酶连接起来，才能得到一个完整的TALEN元件。一般来说，我们可以采用专门用于构建TALEN的真核表达载体体系，将一对特异性的TAL靶点识别模块克隆进该载体中，再通过转染等方式导入细胞内。这种体系一般由供体质粒（donorplasmid，提供单基、二联及三联等类型的TAL模块）和骨架质粒（backboneplasmid，用于构建TALEN并表达构建好的TALEN）两类质粒构成，常用的TALEN体系有RCIscript-GoldyTALEN和pC-GoldyTALEN、TAL5-BB和pTAL6-BB及pCS2TAL3-DD和pCS2TALE-RR等。2.TALEN技术的应用及近期发展虽然TALEN技术的基本原理并不难理解，但其发现过程却较为曲折。从1989年首次发现TAL起，研究者前后历时近21年才研究清楚TAL的工作原理。自2010年正式发明TALEN技术以来，全球范围内多个研究小组利用体外培养细胞、酵母、拟南芥、水稻、果蝇及斑马鱼等多个动植物体系验证了TALEN的特异性切割活性。2.1TALEN技术的应用2011年北京大学（PekingUniversity）的Zhang等人首次使用TALEN技术在斑马鱼中成功实现了定向突变和基因编辑；而爱荷华州立大学（IowaStateUniversity）的Wang等人则在2012年，也以斑马鱼为模式动物，并首次使用TALEN技术在活体内完成了特定DNA的删除、人工DNA插入等较为复杂的操作。随后TALEN技术在植物、大小鼠的基因组改造等方面的应用也顺利完成。而2013年Zhang使用TALEN诱导了DNA双链断裂，提高同源定向修复效率，在斑马鱼中实现了同源重组基因打靶。2.2TALEN的近期发展如前所述，经典的TALEN体系已经广泛应用，越来越多的实验室以及实验外包公司均能很好地完成TALEN相关实验，但是基本限于单基因的插入或敲除操作，而且主要用于单个基因功能的研究。2013年，首尔国立大学化学系和国家基因工程创新举措研究中心的Kim课题组建立了一个全基因组规模（genome-scalecollection）的TALEN体系，他们系统地选取了人类基因组中高度特异性的序列作为靶位点以避开脱靶（offtarget）效应，通过一种高通量克隆体系，一次性构建了18,740个编码蛋白的基因的TALEN质粒。在这项研究中，研究者以一种巧妙的方式优化了TALEN质粒的结构，以检测插入靶位点后质粒对应位置上EGFP的表达的方式检测了TALEN靶位点插入成功率（图5a）。通过这一方式，他们可以研究不同间隔序列下特定靶位点插入效率（图5b&c），从而针对每一个靶位点，都能选出最佳的TALEN体系结构。2014年2月，北京大学生命科学学院魏文胜课题组依托于一种自主研发的TALE蛋白组装技术（ULtiMATEsystem）完成了全部TALE元件的解码工作。近年来，随着TALEN技术逐渐成熟，全球范围内各实验室已广泛使用TALEN技术来完成基因打靶操作。TALEN通过与显微注跨越干细胞研究、基因治疗、神经网络，以及射、慢病毒感染等技术手段相结合，其应用范动植物育种等多个领域，强力推动生命科学的围越来越广。相信在不远的将来，其应用必将进步。图5TALEN元件的优化。（a）基于RFP-GFP报告基因的各TALEN元件基因编辑活动的检测方法图示，只有插入靶位点后才能修正紧随其后EGFP的读码框以表达EGFP；（b）TALEN靶点和TAL效应子与FokI结构域