严格控制基因表达：一款新型可编程蛋白质

虽然CRISPR可能是微生物中出现的最引人注目的遗传技术，但研究人员用来控制基因及其产物的许多工具都是从细菌系统中借鉴来的。其中之一是乳糖操纵子，它调节大肠杆菌中乳糖代谢相关基因的表达。从实验室工作台到工业大桶的应用都使用这种方法来选择性地开启基因表达。

然而，在大多数情况下，研究人员只借用了lac操作系统的一部分。他们使用抑制蛋白LacI，它可以物理地结合基因启动子上游的DNA来阻止RNA聚合酶，然后添加一个诱导剂分子，当研究人员想要开启基因表达时，诱导剂分子会去除LacI。虽然这个工程系统调节基因的表达，但它需要高浓度的LacI来持续抑制它们相比之下，大肠杆菌中出现的完整形式的操纵子包括LacI的额外结合位点，形成DNA环，使用较少的抑制蛋白更有效地抑制lac操纵子基因的转录。

一个研究小组有兴趣利用这一特性来开发一种基因调控的新方法。在发表在《Nucleic Acids Research》杂志上的一项研究中，梅奥诊所的研究人员创造了一种模仿LacI双结合能力的新型蛋白质，为未来调节基因表达提供了一种新方法

LacI是一种四聚体蛋白，使用两个二聚体结合两个特定的，相同的DNA序列。在研究人员无法插入该序列的情况下，这种特异性限制了使用LacI系统的能力，促使人们寻找一种更灵活的抑制蛋白，可以识别更多的DNA区域。

“大概是在2015年左右，我们开始研究更多的设计基因抑制循环的想法，”梅奥诊所的分子生物学家、该研究的合著者Nicole Becker说。

TALE蛋白是转录激活因子样效应物（transcription activator-like effector， TALE）的简称，是一类来源于植物病原菌黄单胞菌属的蛋白TALE通过34个重复的氨基酸区来识别DNA，其中第12和第13个氨基酸决定了每个片段将结合的核酸。病原体使用这些蛋白质来激活植物中的基因表达，从而促进细菌的生存，但科学家们破解了这种DNA结合密码，创造了可以识别他们想要的任何序列的定制TALEs。

在目前的研究中，研究小组通过将两种不同的TALE二聚体（称为A和O2）连接在一起，复制了LacI的双头性质，这两种二聚体识别不同的DNA序列。他们将这两个序列插入报告基因的上游，并使用比色法测定蛋白质是否基于缺乏颜色来抑制报告基因的表达。他们的目标是确定实现与LacI相当的基因抑制所需的参数。

首先，研究小组评估了蛋白质中两个TALE二聚体的顺序对抑制效率的影响。先前的研究表明，将较强的抑制子放置在离启动子较远的位置可以改善抑制，因此他们测试了A和O2.6的抑制程度。然后，他们将较强的TALE A序列插入到启动子的远端位置，将较弱的TALE O2序列插入到离启动子较近的位置。

该团队利用蛋白质结合和抑制的数学模型研究了最佳二聚体参数。他们确定，将TALE A作为氨基酸序列中的第一个TALE，将TALE O2作为第二个TALE，这样设计的二聚体比相反的二聚体更具抑制性。

最后，研究小组比较了他们的TALE二聚体与LacI的抑制。基于他们的模型，共价TALE二聚体的表现与LacI相当。Becker说：“我们可以人工创造出一种东西，这种东西可以创造出与lac抑制因子系统一样强大的DNA环，这真的很有趣。”

“这是TALEs的一个非常聪明的应用，”康奈尔大学（Cornell University）的分子植物病理学家Adam Bogdanove说，他没有参与这项研究。Bogdanove的团队是最初描述TALEs序列代码的团队之一。他说，实验和建模工作是优化蛋白质和探索其功能的好方法。他说：“这是工具箱中调节或操纵基因表达以了解基因功能的另一个强大工具。”

Bogdanove说，与CRISPR干扰系统相比，TALE二聚体抑制基因表达的效率如何，这在未来会很有趣。此外，他说，改进二聚体系统，使抑制程度能够得到调节，将有助于扩大其应用范围。

Becker和她的同事们也对探索使该系统可调的方法以及在真核生物模型中研究它感兴趣。与LacI不同，TALE蛋白可以识别任何序列。她解释说，他们的团队将使用他们确定的参数来测试这种TALE二聚体对细菌和真核生物DNA新区域的抑制机制。