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

  • [设施]:上海光源
  • [期刊/会议名称]:Science,335(6069):720-723(online)
  • [摘要]:TAL (transcription activator-like) 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 by using two hypervariable residues [known as repeat variable diresidues (RVDs)] at positions 12 and 13. Here, we report the crystal structures of an 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, superhelical 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.
  • [发表日期]:2012
  • [第一作者]:Deng, Dong
  • [第一作者单位]:清华大学
  • [通讯作者]:施一公
  • [通讯作者单位]:清华大学
  • [论文类型]:期刊
  • [期刊分类]:SCI1区
  • [学科分类]:生物学_ 生物化学
  • [影响因子]:
  • [关键词]:CAMPESTRIS PV VESICATORIA; AVIRULENCE GENE AVRBS3; III EFFECTORS; BINDING SPECIFICITY; PROTEIN; RESISTANCE; VIRULENCE; ORYZAE; PLANT; REVEALS
  • [卷号]:
  • [期号]:
  • [起止页码]:
  • [简介]: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位的氨基酸和被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,并利用上海光源生物大分子晶体学光束线站(BL17U1)解析相位,成功获得了未结合DNA的TALE蛋白的晶体结构。结合进一步获得的TALE蛋白-DNA复合物晶体结构清晰揭示了TALE蛋白特异识别DNA的机理。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,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。该研究成果发表在Science 335,720-723,并该杂志评选出的“2012年十大突破”之“基因组的精密改造工程”引用。