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比较TALEN技术与ZFN技术 重组锌指核酸酶(zinc—fingernucleases,ZFN)技术与转录激活因子样效应蛋白核酸酶(transcriptionactivator—likeeffectornucleases,TALEN)技术是可以对基因组进行定点修饰的基因编辑技术,可精确地定位到基因组的某一位点上并剪断靶标DNA片段从而插入新的基因片段,从而对原基因组进行“编辑”。 ZFN技术依赖于特异性识别并结合DNA的锌指蛋白和FokI核酸内切酶可剪切结构域组成的融合蛋白,可切割特异DNA序列并引起DNA双链断裂(double-strandbreaks,DSB),DSB激活细胞的DNA修复机制,从而定点修饰基因组。TALEN是由转录激活因子样效应物(TALE)代替ZF与FokI核酸内切割域组成的基因编辑工具. 一、结构与原理 ZFN技术中,锌指结构域通常由3—6Cys2-His2型锌指单元串联而成,他们借助一个Zn2+形成ββα构象,其中α螺旋中的-1,+3,+6位的三个氨基酸直接与靶DNA的三联碱基相互作用.这三个残基中的任一残基的改变都会影响ZF对目标碱基的识别。根据目的基因设计8-10个锌指结构域并与FokI结合可构成靶向特定位点的ZFNs,在FokI切割域的二聚化作用下完成对目的基因的编辑。 TALE蛋白包括三部分:N端序列、C端序列、由高度保守的重复单元组成的中心重复区。每个重复单元中除12、13位氨基酸可变外其余几乎相同,12、13位的两个氨基酸被称为重复可变的双氨基酸残基(repeatvaribledi-residues,RVDs)。RVD与A、T、C、G之间有着严格的对应关系,即NI-A;NG-T;HD-C;NN—G。构建TALE时,根据靶DNA序列变换RVDs并串联重复单元并与FokI切割结构域结合,TALE与靶位点结合,二聚化的FokI对其进行切割,完成基因编辑操作. 二、ZFN、TALEN异同点比较 与ZFN相比,TALEN的优势是十分明显的。第一,TALEN简化了ZFN复杂的筛选过程,在简单的分子克隆条件下就可构建出高效的TALEN;第二,TALEN结合DNA序列更为严格,打靶效率高于ZFN;第三,TALEN降低了脱靶的可能性,从而降低了对受体细胞的毒性。详细比较如下: 2.1共同点 二者均为人工改造的核酸内切酶,由特异性识别靶DNA的识别域和非特异性剪切dsDNA的切割域,他们配合着行使功能,缺一不可. ZFN、TALEN中的FokI是源于黄单胞杆菌的一种限制性核酸内切酶,它只有形成二聚体时才对dsDNA具有剪切活性。 FokI切割DNA后的修复机制相同:在两个靶位点之间剪切DNA,在DSB处诱发DNA的同源重组修复机制和非同源末端连接修复机制,从而达到定点修饰。 2。2不同点 开发时间:最早的ZFN出现在18年前,而TALEN技术才于2007年问世。 靶DNA序列的识别:ZF结构域识别的是三联碱基,而TALEN结构域识别的是某特定的核苷酸。例如:某蛋白包括两个锌指结构域,可识别六个碱基;而当它包括两个TALEN结构域时即两个RVD,仅能识别两个碱基。此外,TALEN的RVD与碱基之间的对应关系与物种、细胞、DNA序列无关,并且设计简单,成本低,与ZFN相比活性更高。 上下文依赖效应:ZFN在识别DNA序列时,重复氨基酸之间会产生相互作用,也就是上下文依赖效应,从而使得识别的特异性发生了改变,影响基因修饰效率。还未见TALEN上下文依赖效应的相关报道. 对细胞的毒性效应:锌指酶切割DNA时易产生脱靶现象,对细胞产生了毒副作用。TALEN脱靶情况较少,毒性小。例如:通过点对点地比较二者对人细胞内源基因CCR5的删除效果,发现在效率大体相同的情况下,目前实验数据显示TALE所产生的细胞毒性比ZFN小得多。 靶向基因序列长度:与ZFN相比,TALEN可以识别更长的靶基因序列。 三、存在的问题与展望 目前,ZFN技术还存在以下困惑:锌指蛋白结构域与DNA结合的特异性、亲和性有待提高;如何让解决ZFN的高效导入、可调控切、瞬时表达问题;ZFN对细胞的潜在综合作用需进行综合评价,并对引起的潜在免疫反应,尤其是针对于源于细菌的FokI结构域的客观评价。 同样地,TALEN技术还存在以下问题:设计识别20个碱基含有1000多个氨基酸的TALEN蛋白,会引起机体的免疫应答,降低了其在细胞中的打靶效率;TALEN同样会产生脱靶的现象,可能由于细胞中染色体的状态引起,如TALEN技术对于异染色质化的基因无效;TALEN技术的应用主要集中在基因敲除方面,但是否适合大片段基因的插入尚不明确。 ZFN、TALEN技术为人们定向改造基因提供了基础,但相关应用还处于初级阶段,但他们在转基因动、植物的研究方面尤其是TA