全 文 :植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (12): 1141~1150 1141
收稿 2012-10-12 修定 2012-12-07
资助 中央高校基本科研业务费专项资金(DL09DA02)、国家自然
科学基金(30970223)和中国博士后科学基金(200902365)。
* 通讯作者(E-mail: lixinli1@gmail.com; Tel: 0451-82192237)。
基因工程的技术飞跃——TALE技术的研究进展
李季, 韩宝达, 崔国新, 李立新*
东北林业大学盐碱地生物资源环境研究中心, 东北油田盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室, 哈尔滨150040
摘要: 类转录激活因子(TALEs)是一类来源于植物致病菌黄单胞菌属(Xanthomonas)的III型效应因子。TALE由N端转移结
构域、串联重复的DNA结合结构域、C端核定位信号及酸性转录激活结构域组成。TALE的DNA结合结构域经基因工程
修饰能够识别并结合任意指定的DNA序列, 从而可以实现对目的基因组位点的调控。目前, 已有多种TALE的快速构建
法。因此, TALE以及TALE衍生蛋白在基因工程领域具有广阔的应用前景。本文综述了TALE的研究现状, 对TALE技术的
优点和不足进行了简要的阐述, 并对其应用前景做了初步探讨。
关键词: TALE分布; TALE结构特征; TALE构建方法; TALE应用前景
Advances in TALE Research
LI Ji, HAN Bao-Da, CUI Guo-Xin, LI Li-Xin*
Key Laboratory of Saline-Alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field of Ministry of Education, Alkali Soil Natural Envi-
ronmental Science Center, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: Transcription activator-like effectors (TALEs) are type III effector proteins from plant-pathogenic
bacteria of the genus Xanthomonas. All TAL effectors are composed of an N-terminal translocation domain,
central tandem repeat DNA binding domain, C-terminal nuclear localization signals and an acidic transcription-
al activation domain. Central repeats of TALE can be engineered to bind any user-selected DNA targets. Conse-
quently, TALE proteins can be engineered to achieve site-specific modification in the genome. Recently, several
rapid TALE assembly approaches have been established. Therefore, TALE and TALE-derived proteins could be
widely used for genome engineering. This article reviews recent advances in TALE research.
Key words: distribution of TALE; structural features of TALE; TALE assembly approaches; prospect of TALE
类转录激活因子(transcription activator-like ef-
fectors, TALEs)是由黄单胞菌属(Xanthomonas)的
革兰氏阴性植物致病菌产生的一类天然细菌效应
因子。该类致病菌侵染植物体时, 能够通过III型
分泌系统将TALE等致病因子转移到植物细胞中
(Bogdanove等2010)。进入植物细胞后, TALE转运
到细胞核中与特异的DNA序列结合, 模仿真核转
录因子的作用方式激活某些特异基因的表达(Kay
等2007; Romer等2009, 2010)。通常情况下, 此类
基因的表达有助于细菌的繁殖和传播。但在某些
植物体内, 这类基因的表达能够引发植物的防御反
应(图1) (Antony等2010; Boch和Bonas 2010; Christian
等2010; Gu等2005, 2009; Sugio等2007; Yang等2006)。
TALE与DNA结合的特异性是由TALE中间区
域的DNA结合结构域决定的, 通过基因工程修饰,
该DNA结合结构域能够结合任一指定的DNA靶位
点。与核酸酶、甲基化酶或整合酶等功能结构域
融合得到的重组TALE能够对基因组的特异性位
点进行相关修饰(Mahfouz和Li 2011)。因此, TALE
图1 TALE在植物疾病及防御反应中的作用
Fig.1 The roles of TALE in plant disease and defense response
参考Bogdanove等(2010)、Boch和Bonas (2010)、Kay和Bonas
(2009)并作修改。TALE通过III型分泌系统进入植物细胞, 然后被转
移到植物细胞核中, 识别特异的DNA序列, 激活特异宿主基因的表
达, 从而导致植物体产生病理反应。但有些植物能产生防御反应。
植物生理学报1142
在基因操作相关研究领域具有广泛的应用前景,
对于这一技术的开发和利用具有十分重要的实用
价值。
1 TALE的分布
最先发现的TALE存在于黄单胞菌属的成员。
1989年, Bonas等在Xanthomonas campestris pv. vesicato-
ria中鉴定得到第一个TALE, 命名为AvrBs3 (Bonas
等1989)。迄今为止, 已陆续在黄单胞菌属及其致
病变型中发现将近40种TALE (表1)。研究发现, 在
部分罗尔斯通氏菌(Ralstonia solanacearum)的突变
表1 黄单胞菌属中已经发现的TALE
Table 1 The TALE found in Xanthomonas
致病菌名称 TALE名称 GenBank登录号 重复区结构 参考文献
X. campestris pv. vesicatoria AvrBs3 X16130、CAA34257 17.5*34 Bonas等1989; Kay等2007; Romer等2007
AvrBs4 X68781、CAA48680 17.5*34 Bonas等1993
X. campestris pv. armoraciae Hax2 AY993937、AAY43358 21.5*35 Kay等2005
Hax3 AY993938、AAY43359 11.5*34 Kay等2005
Hax4 AY993939、AAY43360 14.5*34 Kay等2005
X. campestris pv. malvacearum Avrb6 L06634、AAB00675 13.5*34 De Feyter和Gabriel 1991; De Feyter等
1993; Yang等1994
PthN AF016221、AAB69865 13.5*34 Chakrabarty等1997
X. campestris pv. citri Apl1 AB021363、BAA37119 17.5*34 Kanamori和Tsuyumu 1998
Apl2 AB021364、BAA37120 15.5*34 Kanamori和Tsuyumu 1998
Apl3 AB021365、BAA37121 23.5*34 Kanamori和Tsuyumu 1998
X. citri PthA U28802、AAC43587 17.5*34 Swarup等1991
PthB AY228335、AAO72098 17.5*34 Brunings和Gabriel 2003
HssB3.0 BAF46269 17.5*34 Shiotani等2007
PthA-KC21 BAF46271 17.5*34 Shiotani等2007
X. axonopodis pv. manihotis PthB AF012325、AAD01494 12.5*34 Restrepo和Verdier 1997
X. axonopodis pv. citri PthA1 XACa0022、AAM39226 16.5*34 Brunings和Gabriel 2003; Da Silva等2002
PthA2 XACa0039、AAM39243 15.5*34 Brunings和Gabriel 2003; Da Silva等2002
PthA3 XACb0015、AAM39261 15.5*34 Brunings和Gabriel 2003; Da Silva等2002
PthA4 XACb0065、AAM39311 17.5*34 Brunings和Gabriel 2003; Da Silva等2002
X. citri pv. citri PthA* ABO77780 17.5*34 Al-Saadi等2007
PthAW ABO77779 17.5*34 Al-Saadi等2007
X. citri pv. aurantifolii PthB NP_942641 17.5*34 Al-Saadi等2007
PthC ABO77782 17.5*34 Al-Saadi等2007
X. oryzae pv. oryzae AvrXa3 AY129298、NC_006834、 8.5*34 Li等2004; Lee等2005
AAN01357、YP_199878.1
Avrxa5 AY377126、AAQ79773 5.5*34 Hopkins等1992; Bai等2000
AvrXa7 AF262933、AAF98332、 25.5*34 Bai等2000; Hopkins等1992; Vera Cruz等
AAF98343 2000; Yang等2000; Yang和White 2004
AvrXa10 U50552、AAA92974 15.5*34 Hopkins等1992; Zhu等1998
AvrXa27 AY986494、AAY54168 16.5*34 Gu等2004
PthXo1 ACD58243 20.5*34 Yang等2006
PthXo2 AAS46026 21.5*34 Yang和White 2004
PthXo3 AAS46027 21.5*34 Yang和White 2004
PthXo6 ACD58920 22.5*34 Sugio等2007
PthXo7 ACD57198 21.5*34 Sugio等2007
PthXo8 ACD60557 22.5*34 Yang和White (未发表资料)
X. oryzae pv. oryzicola Avr/Pth3 AY875712、AAW59492 15.5*34 Zou等(未发表资料)
Avr/Pth13 AY875711、AAW59491 5.5*34 Zou等(未发表资料)
Avr/Pth14 AY875713、AAW59493 19.5*34 Zou等(未发表资料)
X. gardener AvrHah1 ABP97430 17.5*34 Schornack等2008
李季等: 基因工程的技术飞跃——TALE技术的研究进展 1143
型个体存在TALE的近缘蛋白, 这些蛋白在致病菌
侵染植物体时也是通过III型分泌系统转运到宿主
细胞中, 但是否具有转录激活因子的作用尚不清
楚(Heuer等2007; Mukaihara等2010)。此外, 甜菜
和瞿麦致病菌成团泛菌(Pantoea agglomerans)体内
的宿主特异性决定因子HsvB和HsvG能够定位于
植物细胞核, 结合双链DNA分子, 在酵母中已证实
有转录激活活性, 但是在结构上与黄单胞菌属的
TALE存在明显差异(Nissan等2006)。
2 TALE的结构特征
所有的TALE都由N末端的转移结构域(TS)、
中间DNA结合结构域、C末端的核定位信号(NLS)
和酸性转录激活结构域(AD)组成(图2-A) (Bog-
danove等2010; Bogdanove和Voytas 2011; Christian
等2010; Dean 2011; Heuer等2007; Mahfouz和Li
2011; White等2009)。其中N末端的转移结构域在
TALE通过III型分泌系统转移到植物体内的过程
中发挥作用(Szurek等2002), 中间串联重复的DNA
结合结构域介导TALE与特异序列的DNA结合
(Gurlebeck等2005; Herbers等1992; Kay等2007;
Mukaihara等2010), C末端的核定位信号和酸性转
录激活结构域在TALE转运到细胞核并行使转录
激活功能的过程中具有重要作用(Van den Ack-
erveken等1996; Zhu等1998)。
TALE的N末端转移结构域以及C末端的核定
位信号和转录激活结构域具有高度的保守性, 不
同成员之间互换这些功能区域并不影响其正常发
挥作用。通过对113个TALE序列进行比对的结果
表明, 不同TALE的中间DNA结合结构域的重复数
量存在明显差异(Boch和Bonas 2010)。该结构域
的重复数量一般为1.5~33.5个, 较为常见的是17.5
个(Boch等2009)。具有较短重复区域的TALE很可
能没有功能, 因为研究表明6.5个重复序列是诱导
基因表达所必需的(Boch等2009)。每个重复序列
一般由34或35个氨基酸组成, 具有很高的相似性,
第12和13个氨基酸是可变的, 构成了一个重复可
变双残基对(repeat variable diresidue, RVD), RVD
决定了一个重复区域识别一种碱基序列的特异性
(Boch等2009; Moscou和Bogdanove 2009; Scholze
和Boch 2011)。这种“一重复一碱基”的识别密码
已经通过生物信息学和实验手段破译, 并通过体
外组装TALE结合预测的DNA靶序列得到了进一
步的验证。实验结果表明, HD特异性识别C, NI特
异性识别A, NH和NK特异性识别G, NG特异性识
别T, NN特异性识别A和G, 而NS能够以同等亲和
力结合A、C、G或T (图2-B) (Boch等2009; Boch和
Bonas 2010; Bogdanove和Voytas 2011; Cong等2012;
Moscou和Bogdanove 2009; Streubel等2012)。自然
图2 TALE的结构及其靶DNA结合特异性
Fig.2 Structure and DNA-binding specificity of TALE proteins
参考Boch和Bonas (2010)、Scholze和Boch (2011)等并作修改。
植物生理学报1144
环境中的有功能的TALE对DNA的结合位点前均
为T (称为T0), 而且TALE分子中与重复区域N端相
邻的序列在不同TALE中表现出一定的相似性, 由
此表明, 这段序列在TALE与特异DNA序列结合过
程中很可能识别T (Bogdanove等2010)。
尽管对TALE的一级结构研究已取得突破性
进展, 但是一些人工合成的TALE对靶位点的识别
效率很低, 这就要求我们进一步了解TALE的高级
结构。Schornack等(2006)对AvrBs3的二级结构预
测表明AvrBs3的每个重复包含两个保守的α-螺旋,
中间由包含RVD的环状结构域连接。这种重复区
结构与solenoid蛋白超家族成员结构类似, 该蛋白
家族成员也包含折叠成超螺旋的重复结构单元
(Kobe和Kajava 2000)。Murakami等(2010)对最小
TALE蛋白PthA的1.5个重复区域进行了核磁共振
(nuclear magnetic resonance, NMR)结构研究, 并对
整个蛋白质结构进行了小角X-射线散射(small an-
gle X-ray scattering, SAXS)研究。结果表明, 分离
出来的重复区域呈现大的α-螺旋结构, 全长蛋白分
子在与DNA结合过程中其分子结构变得更加紧
密。但该研究并未阐明分离的重复结构与全长蛋
白分子中的重复结构存在多大差异, 每一个重复
与连续的DNA碱基对结合的模式也未能得到解
决。最近, Mak等(2012)和Deng等(2012)分别对
PthXo1和dHax3进行的晶体结构分析表明, 每个
TALE的重复区域包含两个α-螺旋, 中间由包含
RVD的短环状结构域连接, 重复区域自我装配形
成一个右手超螺旋结构, 在与DNA相互作用中可
以结合DNA双螺旋的大沟。每个重复区域的第12
个氨基酸残基负责稳定RVD环, 而第13个氨基酸
进行碱基特异性的结合。TALE的DNA结合结构
域具有一定的可塑性, 可通过基因工程改变RVD
的氨基酸序列, 从而使TALE能够结合任何选定的
DNA靶位序列。目前, 越来越多的研究者把按照
自己需要构建的TALE作为DNA靶向工具应用到
不同的研究领域 , 使其得到越来越广泛的应用
(Christian等2010; Li等2011; Mahfouz等2011a, b;
Morbitzer等2010; Mussolino等2011; Sander等2011;
Zhang等2011 )。
3 TALE的构建方法
通过重组得到的DNA结合结构域使得TALE
能够特异性识别任何指定的DNA靶位点, 如果在C
末端连接特定的结构域如转录抑制结构域、核酸
酶结构域等则可以使其具备诸如转录修饰和基因
组编辑等多种基因修饰功能(Christian等2010;
Mahfouz和Li 2011)。因此, 人工构建功能性TALE
已经逐渐成为生物技术领域的研究热点。目前已
经报道的构建方法主要包括基于IIS限制性内切酶
法和基于同尾酶对法。其中, 根据具体实验操作
的差异, 基于IIS限制性内切酶法又包括利用质粒
文库的快速直接构建法、Golden Gate克隆法和
PCR与Golden Gate克隆结合的方法。
3.1 基于质粒文库和IIS型限制性内切酶的快速直
接构建法
这是一种快速、有效的TALE分子克隆方法,
是基于含有TALE的DNA结合重复序列的100个质
粒文库和IIS型限制性内切酶的方法(图3)。IIS型
限制性内切酶的特点是其识别位点和切割位点在
空间上是分开的, 可以在与识别位点相隔的特定
位点切割产生4 bp的5粘性末端(Engler等2008)。
因此, 在不同的DNA片段的两端引入这类酶的识
别位点, 经酶切后就能引入不同的粘性末端。通
过这种设计可以使多个DNA片段根据5粘性末端
按照一定的顺序连接在一起(Cermak等2011; En-
gler等2009; Weber等2011a)。研究者通过设计把
TALE分子的重复区域分成7个片段, 第1个片段含
有1个重复, 每个重复能分别识别A、T、G和C, 由
此构建了4种质粒。第2~7个片段分别含有2个重
复, 由于每个片段有16种组合, 即16种质粒, 因此,
质粒文库一共包含100种质粒。用指定的IIS型限
制性内切酶BsmAI酶切这些质粒, 可以产生7个带
有特定5粘性末端的片段, 这些特定的5粘性末端
使得这些片段按照特定的顺序连接在一起。在第
1和第7个片段两端分别是TALE本身含有的PpuMI
和SacI酶切位点, 这样就可将克隆的重复区域片段
连接到特定的载体骨架中。由于骨架本身在Gate-
way的Entry clone载体上, 所以, 装配好的TALE可
以通过LR反应连接到所需终载体上, 用于细菌、
酵母、植物或哺乳动物中的表达。这种方法可以
构建包含13个重复序列的TALE。与其他构建方
法相比, 这种方法相对简单、快速、直接有效, 一
般5 d就可以完成全过程(Li等2012)。通过这种方
李季等: 基因工程的技术飞跃——TALE技术的研究进展 1145
法构建的TALEN核酸酶和TALE-TF转录因子已经
在体外实验、酵母、烟草植物的叶片中证明有活
性(Li等2012)。
3.2 Golden Gate克隆法
Golden Gate克隆法也是基于IIS型限制性内切
酶的方法。研究者把能够识别4种核苷酸的重复
序列作为模板, 通过PCR在其两端引入IIS型限制
性内切酶识别位点, 经酶切后, 识别位点被切除并
引入特定的4 bp的5粘性末端, 由此, 每个重复单元
能够按照特定的顺序进行连接。由于是单个重复
序列, 为了保证准确性, 一般先把几个重复单元连
接形成一个片段, 再将这些片段按照相同的策略
连接成完整的重复区域片段, 并装配在TALE骨架
上, 完成构建(Geissler等2011; Li等2011; Morbitzer
等2011; Scholze等2011; Weber等2011b)。Golden
Gate克隆方法需要通过PCR克隆引入酶切位点, 虽
然增多了构建步骤, 但不需要质粒文库。通过这
种方法构建的TALE因子也具有活性(Geissler等
2011; Li等2011; Morbitzer等2011; Scholze等2011;
Weber等2011b)。
3.3 PCR与Golden Gate克隆结合的方法
与Golden Gate克隆法类似, 该方法首先通过
PCR在每个重复单元两侧引入特异的IIS型限制性
内切酶识别位点, 经酶切后, 识别位点被切除并引
入特定的4 bp的5粘性末端。随后, 将这些重复片
段连接成多聚体, 并对多聚体片段通过PCR反应再
次引入IIS型限制性内切酶识别位点。然后, 将这
些扩增产物进行第二次Golden Gate酶切连接, 从
而将多聚体重复按照特定的顺序组装起来。该方
法构建的TALEN和TALE-TF的功能已在人HEK-
293FT细胞中得到验证(Sanjana等2012; Zhang等
2011)。
3.4 基于同尾酶的单位组装法
该方法是基于同尾酶NheI和SpeI的一种构建
方法。同尾酶是识别位点不同, 但能够切割产生
相同粘性末端的酶。用同尾酶切割不同的DNA序
列得到的产物连接在一起后, 则不能再被其中任
意一种酶切割。研究者以4种分别识别A、T、G
和C的单重复序列为基础, 利用PCR的方法在其重
复序列两端分别引入NheI、SpeI和HindIII的酶切
位点, 重新连接在载体上, 再对这些载体分别用
NheI+HindIII或SpeI+HindIII双酶切, 接着进行连接
反应, NheI和SpeI产生的粘性末端连接产生双重复
单元。然后把双重复单元进行多轮酶切和连接反
图3 基于质粒文库和IIS型限制性内切酶的快速直接构建法的总体构建策略
Fig.3 Construction strategy of TALE based on plasmid library and type IIS restriction endonuclease
参考Li等(2012)并作修改。
植物生理学报1146
应构建DNA结合结构域并连接到骨架上, 通过亚
克隆转移到终载体上。利用这种方法构建的
TALEN已经在斑马鱼胚胎中证明能够正常发挥作
用(Huang等2011)。
4 TALE的生物技术应用前景
随着人们对TALE的DNA结合特性的认识和
RVD识别核苷酸序列的密码破译以及TALE效应
因子构建方法的成熟, TALE被越来越多地用于生
物技术领域。
TALE的DNA结合结构域具有高度的DNA识
别特异性, 重复单元能以任意顺序装配组合, 因此
可以结合任意序列的D N A靶位点 ( S z u r e k等
2002)。TALE与不同的功能性结构域融合可以发
挥多种功能(图4)。如TALE与核酸酶FokI的切割
结构域融合产生嵌合的核酸酶TALEN。在多个系
统和细胞类型中, TALEN可结合特定的DNA序列,
在特异位点切割产生双链断裂 (double-s t rand
breaks, DSBs) (Cermak等2011; Christian等2010;
Huang等2011; Li等2011; Mahfouz等2011b; Miller
等2011; Sander等2011; Tesson等2011; Wood等
2011)。DSB主要通过两种机制修复, 即非同源性
末端接合(non-homologous end-joining, NHEJ)修复
机制和同源性的DNA重组(homologous recombina-
tion, HR)机制(Scholze和Boch 2011)。第一种机制
可能伴随着断裂位点处小片段的缺失或插入, 引
起基因突变(Urnov等2010; Zhang等2010)。对于后
一种机制, 可利用其原理通过内源序列与外源提
供的DNA片段的重组, 实现靶位点基因的置换、
敲除或堆叠(Cai等2009; Mussolino等2011; Urnov
等2010; Weinthal等2010)。TALE可以与甲基化酶
等表观遗传学修饰酶类或整合酶等融合, 完成基
因组中特定位点的修饰(Mahfouz和Li 2011)。另
外, TALE也可以与转录抑制因子融合, 调控目标基
因的表达(Mahfouz等2011a)。人工合成的TALE不
仅能特异性地激活植物基因, 在其他物种包括人
类中也能发挥重要的转录调控作用(Cermak等
2011; Cong等2012; Mahfouz等2011a; Morbitzer等
2010)。作为DNA结合模块, TALE在生物技术领域
有着非常广阔的应用前景。对植物基因组进行定
点修饰能大大加快目的基因增加、删除、活化或
失活的速度, 并且增加用于遗传修饰的植物种类,
扩大了可供修饰的性状范围, 加快了有利性状的
积累(Mahfouz和Li 2011)。除了植物基因组, TALE
在修饰其他物种的基因组中也发挥着重要作用。
Miller等(2011)和Hockemeyer等(2011)利用TALE技
术实现对人类基因组中特定基因的修饰, 这对于
图4 TALE的生物技术应用前景
Fig.4 The biotechnology application prospect of TALE
参考Mahfouz和Li (2011)并作修改。
李季等: 基因工程的技术飞跃——TALE技术的研究进展 1147
一些疾病的基因治疗具有重要意义。最近, Hocke-
meyer等(2011)将TALE技术用于人类胚胎干细胞
(embryonic stem cell, ESC)和诱导多能干细胞(in-
duced pluripotent stem cell, iPSC)的基因组修饰以
研究相关基因的功能, 这进一步拓展了TALE技术
的应用空间。
另外, 研究者们利用TALE的功能特点防御植
物致病菌。将几种TALE靶位点序列组合在一个
启动子中, 再将这个启动子引入抗性基因如Bs3上
游, 这样, 转基因植株将会抵抗携带相应TALE的
致病菌的侵染(Romer等2009)。
5 展望
锌指核酸酶(zinc finger nuclease, ZFN)作为一
种特异性的基因组编辑工具已经发展了近15年。
ZFN是一种人工改良的核酸内切酶, 由一个DNA
识别结构域和一个核酸内切酶结构域组成。DNA
识别结构域赋予ZFN特异性, 在特定的位点识别
DNA, 而核酸内切酶结构域则可以在该位点进行
非特异性剪切, 从而完成对DNA序列的定点断裂
(Gabriel等2011; Pattanayak等2011; Urnov等2010)。
与TALE识别DNA序列不同, ZFN识别特定碱基序
列的三联体核苷酸, 这使其应用灵活性降低, 为设
计和构建针对特定核苷酸序列的ZFN增加了难
度。与ZFN相比, 以TALE为基础的DNA结合模块
具有较高的序列特异性、较低的非靶位点结合能
力和较低的细胞毒性。最重要的是, 在设计和构
建TALE方面, 可以选择研究者指定的任意序列,
不存在技术上的难度。而且, 通过与核酸酶、转录
抑制结构域、甲基化酶或整合酶等功能结构域融
合 , 由TALE派生形成的因子具有多种功能 , 使
TALE成为多面手, 应用空间更为广阔。因此, TALE
技术受到青睐并迅速发展起来。但是, 由于TALE
技术发展时间较短, 在某些方面还需要深入的研
究以解决技术上的一些瓶颈问题。例如, 根据相
同的RVD密码设计的TALE针对不同的靶位点具
有不同的活性, 这很可能是由于存在有利于高效
结合的序列依赖性, 也可能是由于存在DNA位点
特异性限制因素(例如染色质的状态或DNA的甲
基化等)。此外, TALE-DNA复合物的结构研究也
留下了一些尚未解决的问题, TALE因子的N和C末
端以及含有的结构域的结构尚未阐明。由于两端
结构的混乱, 最小的TALE DNA结合结构域也未能
准确地限定。此外, TALE及其嵌合因子对植物细
胞是否具有毒性仍需要进一步的实验验证, 目前
尚无定论。尽管存在上述问题, 仍然有越来越多
的研究者关注TALE技术的开发和利用, TALE技术
已经逐步取代ZFN成为更加高效的基因工程技
术。
参考文献
Al-Saadi A, Reddy JD, Duan YP, Brunings AM, Yuan Q, Gabriel DW
(2007). All five host-range variants of Xanthomonas citri carry
one pthA homolog with 17.5 repeats that determines pathogenic-
ity on citrus, but none determine host-range variation. Mol Plant
Microbe Interact, 20 (8): 934~943
Antony G, Zhou JH, Huang S, Li T, Liu B, White F, Yang B (2010).
Rice xa13 recessive resistance to bacterial blight is defeated by
induction of the disease susceptibility gene Os-11N3. Plant Cell,
22 (11): 3864~3876
Bai J, Choi SH, Ponciano G, Leung H, Leach JE (2000). Xanthomo-
nas oryzae pv. oryzae avirulence genes contribute differently
and specifically to pathogen aggressiveness. Mol Plant Microbe
Interact, 13 (12): 1322~1329
Boch J, Bonas U (2010). Xanthomonas AvrBs3 family-type III ef-
fectors: discovery and function. Annu Rev Phytopathol, 48:
419~436
Boch J, Scholze H, Schornack S, Landgraf A, Hahn S, Kay S, Lahaye
T, Nickstadt A, Bonas U (2009). Breaking the code of DNA
binding specificity of TAL-type III effectors. Science, 326 (5959):
1509~1512
Bogdanove AJ, Schornack S, Lahaye T (2010). TAL effectors: finding
plant genes for disease and defense. Curr Opin Plant Biol, 13 (4):
394~401
Bogdanove AJ, Voytas DF (2011). TAL effectors: customizable pro-
teins for DNA targeting. Science, 333 (6051): 1843~1846
Bonas U, Conrads-Strauch J, Balbo I (1993). Resistance in tomato to
Xanthomonas campestris pv. vesicatoria is determined by alleles
of the pepper-specific avirulence gene avrBs3. Mol Gen Genet,
238 (1~2): 261~269
Bonas U, Stall RE, Staskawicz B (1989). Genetic and structural char-
acterization of the avirulence gene AvrBs3 from Xanthomonas
campestris pv. vesicatoria. Mol Gen Genet, 218 (1): 127~136
Brunings AM, Gabriel DW (2003). Xanthomonas citri: breaking the
surface. Mol Plant Pathol, 4 (3): 141~157
Cai CQ, Doyon Y, Ainley WM, Miller JC, Dekelver RC, Moehle
EA, Rock JM, Lee YL, Garrison R, Schulenberg L et al (2009).
Targeted transgene integration in plant cells using designed zinc
finger nucleases. Plant Mol Biol, 69 (6): 699~709
Cermak T, Doyle EL, Christian M, Wang L, Zhang Y, Schmidt
C, Baller JA, Somia NV, Bogdanove AJ, Voytas DF (2011).
Efficient design and assembly of custom TALEN and other TAL
effector-based constructs for DNA targeting. Nucleic Acids Res,
39 (12): e82
植物生理学报1148
Chakrabarty PK, Duan YP, Gabriel DW (1997). Cloning and charac-
terization of a member of the Xanthomonas avr/pth gene fam-
ily that evades all commercially utilized cotton R genes in the
United States. Phytopathology, 87 (11): 1160~1167
Christian M, Cermak T, Doyle EL, Schmidt C, Zhang F, Hummel A,
Bogdanove AJ, Voytas DF (2010). Targeting DNA double-strand
breaks with TAL effector nucleases. Genetics, 186 (2): 757~761
Cong L, Zhou R, Kuo YC, Cunniff M, Zhang F (2012). Comprehen-
sive interrogation of natural TALE DNA-binding modules and
transcriptional repressor domains. Nat Commun, 3: 968
Da Silva ACR, Ferro JA, Reinach FC, Farah CS, Furlan LR, Quag-
gio RB, Monteiro-Vitorello CB, Van Sluys MA, Almeida NF,
Alves LM et al (2002). Comparison of the genomes of two Xan-
thomonas pathogens with differing host specificities. Nature, 417
(6887): 459~465
De Feyter R, Gabriel DW (1991). At least six avirulence genes are
clustered on a 90-kilobase plasmid in Xanthomonas campestris
pv. malvacearum. Mol Plant Microbe Interact, 4 (5): 423~432
De Feyter R, Yang YO, Gabriel DW (1993). Gene-for-genes interac-
tions between cotton R genes and Xanthomonas campestris
pv. malvacearum avr genes. Mol Plant Microbe Interact, 6 (2):
225~237
Dean P (2011). Functional domains and motifs of bacterial type III ef-
fector proteins and their roles in infection. FEMS Microbiol Rev,
35 (6): 1100~1125
Deng D, Yan C, Pan X, Mahfouz M, Wang J, Zhu JK, Shi Y, Yan N
(2012). Structural basis for sequence-specific recognition of
DNA by TAL effectors. Science, 335 (6069): 720~723
Engler C, Gruetzner R, Kandzia R, Marillonnet S (2009). Golden gate
shuffling: a one-pot DNA shuffling method based on type IIs
restriction enzymes. PLoS One, 4 (5): e5553
Engler C, Kandzia R, Marillonnet S (2008). A one pot, one step, preci-
sion cloning method with high throughput capability. PLoS One,
3 (11): e3647
Gabriel R, Lombardo A, Arens A, Miller JC, Genovese P, Kaeppel C,
Nowrouzi A, Bartholomae CC, Wang J, Friedman G et al (2011).
An unbiased genome-wide analysis of zinc-finger nuclease
specificity. Nat Biotechnol, 29 (9): 816~823
Geissler R, Scholze H, Hahn S, Streubel J, Bonas U, Behrens SE,
Boch J (2011). Transcriptional activators of human genes with
programmable DNA-specificity. PLoS One, 6 (5): e19509
Gu K, Tian D, Qiu C, Yin Z (2009). Transcription activator-like type
III effector AvrXa27 depends on OsTFIIAγ5 for the activation of
Xa27 transcription in rice that triggers disease resistance to Xan-
thomonas oryzae pv. oryzae. Mol Plant Pathol, 10 (6): 829~835
Gu K, Tian D, Yang F, Wu L, Sreekala C, Wang D, Wang GL, Yin Z
(2004). High-resolution genetic mapping of Xa27(t), a new bac-
terial blight resistance gene in rice, Oryza sativa L. Theor Appl
Genet, 108 (5): 800~807
Gu K, Yang B, Tian D, Wu L, Wang D, Sreekala C, Yang F, Chu Z,
Wang GL, White FF et al (2005). R gene expression induced by
a type-III effector triggers disease resistance in rice. Nature, 435
(7045): 1122~1125
Gurlebeck D, Szurek B, Bonas U (2005). Dimerization of the bacte-
rial effector protein AvrBs3 in the plant cell cytoplasm prior to
nuclear import. Plant J, 42 (2): 175~187
Herbers K, Conrads-Strauch J, Bonas U (1992). Race-specificity of
plant resistance to bacterial spot disease determined by repetitive
motifs in a bacterial avirulence protein. Nature, 356: 172~174
Heuer H, Yin YN, Xue QY, Smalla K, Guo JH (2007). Repeat domain
diversity of avrBs3-like genes in Ralstonia solanacearum strains
and association with host preferences in the field. Appl Environ
Microbiol, 73 (13): 4379~4384
Hockemeyer D, Wang H, Kiani S, Lai CS, Gao Q, Cassady JP, Cost
GJ, Zhang L, Santiago Y, Miller JC et al (2011). Genetic engi-
neering of human pluripotent cells using TALE nucleases. Nat
Biotechnol, 29 (8): 731~734
Hopkins CM, White FF, Choi SH, Guo A, Leach JE (1992). Identifi-
cation of a family of avirulence genes from Xanthomonas oryzae
pv. oryzae. Mol Plant Microbe Interact, 5 (6): 451~459
Huang P, Xiao A, Zhou M, Zhu Z, Lin S, Zhang B (2011). Heritable
gene targeting in zebrafish using customized TALENs. Nat Bio-
technol, 29 (8): 699~700
Kanamori H, Tsuyumu S (1998). Comparison of nucleotide sequences
of canker-forming and non-canker-forming pthA homologues in
Xanthomonas campestris pv. citri. Ann Phytopathol Soc Jpn, 64
(5): 462~470
Kay S, Boch J, Bonas U (2005). Characterization of AvrBs3-like ef-
fectors from a Brassicaceae pathogen reveals virulence and avir-
ulence activities and a protein with a novel repeat architecture.
Mol Plant Microbe Interact, 18 (8): 838~848
Kay S, Bonas U (2009). How Xanthomonas type III effectors manipu-
late the host plant. Curr Opin Microbiol, 12 (1): 37~43
Kay S, Hahn S, Marois E, Hause G, Bonas U (2007). A bacterial ef-
fector acts as a plant transcription factor and induces a cell size
regulator. Science, 318 (5850): 648~651
Kobe B, Kajava AV (2000). When protein folding is simplified to pro-
tein coiling: the continuum of solenoid protein structures. Trends
Biochem Sci, 25 (10): 509~515
Lee BM, Park YJ, Park DS, Kang HW, Kim JG, Song ES, Park IC,
Yoon UH, Hahn JH, Koo BS et al (2005). The genome sequence
of Xanthomonas oryzae pathovar oryzae KACC10331, the bacte-
rial blight pathogen of rice. Nucleic Acids Res, 33 (2): 577~586
Li L, Piatek MJ, Atef A, Piatek A, Wibowo A, Fang X, Sabir JS, Zhu
JK, Mahfouz MM (2012). Rapid and highly efficient construc-
tion of TALE-based transcriptional regulators and nucleases for
genome modification. Plant Mol Biol, 78 (4~5): 407~416
Li P, Long JY, Huang YC, Zhang Y, Wang JS (2004). AvrXa3: a novel
member of avrBs3 gene family from Xanthomonas oryzae pv.
oryzae has a dual function. Progr Nat Sci, 14 (9): 774~780
Li T, Huang S, Zhao X, Wright DA, Carpenter S, Spalding MH,
Weeks DP, Yang B (2011). Modularly assembled designer TAL
effector nucleases for targeted gene knockout and gene replace-
ment in eukaryotes. Nucleic Acids Res, 39 (14): 6315~6325
Mahfouz MM, Li L (2011). TALE nucleases and next generation GM
crops. GM Crops, 2 (2): 99~103
Mahfouz MM, Li L, Piatek M, Fang X, Mansour H, Bangarusamy D,
Zhu JK (2011a). Targeted transcriptional repression using achi-
李季等: 基因工程的技术飞跃——TALE技术的研究进展 1149
meric TALE-SRDX repressor protein. Plant Mol Biol, 78 (3):
311~321
Mahfouz MM, Li L, Shamimuzzaman M, Wibowo A, Fang X, Zhu JK
(2011b). De novo-engineered transcription activator-like effec-
tor (TALE) hybrid nuclease with novel DNA binding specificity
creates double-strand breaks. Proc Natl Acad Sci USA, 108 (6):
2623~2628
Mak AN, Bradley P, Cernadas RA, Bogdanove AJ, Stoddard BL
(2012). The crystal structure of TAL effector PthXo1 bound to
its DNA target. Science, 335 (6069): 716~719
Miller JC, Tan S, Qiao G, Barlow KA, Wang J, Xia DF, Meng X, Pas-
chon DE, Leung E, Hinkley SJ et al (2011). A TALE nuclease
architecture for efficient genome editing. Nat Biotechnol, 29 (2):
143~150
Morbitzer R, Elsaesser J, Hausner J, Lahaye T (2011). Assembly of
custom TALE-type DNA binding domains by modular cloning.
Nucleic Acids Res, 39 (13): 5790~5799
Morbitzer R, Romer P, Boch J, Lahaye T (2010). Regulation of select-
ed genome loci using de novo-engineered transcription activator-
like effector (TALE)-type transcription factors. Proc Natl Acad
Sci USA, 107 (50): 21617~21622
Moscou MJ, Bogdanove AJ (2009). A simple cipher governs DNA
recognition by TAL effectors. Science, 326 (5959): 1501
Mukaihara T, Tamura N, Iwabuchi M (2010). Genome-wide
identification of a large repertoire of Ralstonia solanacearum
type III effector proteins by a new functional screen. Mol Plant
Microbe Interact, 23 (3): 251~262
Murakami MT, Sforca ML, Neves JL, Paiva JH, Domingues MN,
Pereira AL, Zeri AC, Benedetti CE (2010). The repeat domain
of the type III effector protein PthA shows a TPR-like structure
and undergoes conformational changes upon DNA interaction.
Proteins, 78 (16): 3386~3395
Mussolino C, Morbitzer R, Lutge F, Dannemann N, Lahaye T,
Cathomen T (2011). A novel TALE nuclease scaffold enables
high genome editing activity in combination with low toxicity.
Nucleic Acids Res, 39 (21): 9283~9293
Nissan G, Manulis-Sasson S, Weinthal D, Mor H, Sessa G, Barash I
(2006). The type III effectors HsvG and HsvB of gall-forming
Pantoea agglomerans determine host specificity and function as
transcriptional activators. Mol Microbiol, 61 (5): 1118~1131
Pattanayak V, Ramirez CL, Joung JK, Liu DR (2011). Revealing off-
target cleavage specificities of zinc-finger nucleases by in vitro
selection. Nat Methods, 8 (9): 765~770
Restrepo S, Verdier V (1997). Geographical differentiation of the pop-
ulation of Xanthomonas axonopodis pv. manihotisin Colombia.
Appl Environ Microbiol, 63 (11): 4427~4434
Romer P, Hahn S, Jordan T, Strauβ T, Bonas U, Lahaye T (2007).
Plant-pathogen recognition mediated by promoter activation of
the pepper Bs3 resistance gene. Science, 318 (5850): 645~648
Romer P, Recht S, Lahaye T (2009). A single plant resistance gene
promoter engineered to recognize multiple TAL effectors
from disparate pathogens. Proc Natl Acad Sci USA, 106 (48):
20526~20531
Romer P, Recht S, Strauβ T, Elsaesser J, Schornack S, Boch J, Wang
SP, Lahaye T (2010). Promoter elements of rice susceptibility
genes are bound and activated by specific TAL effectors from the
bacterial blight pathogen, Xanthomonas oryzae pv. oryzae. New
Phytol, 187 (4): 1048~1057
Sander JD, Cade L, Khayter C, Reyon D, Peterson RT, Joung JK, Yeh
JR (2011). Targeted gene disruption in somatic zebrafish cells
using engineered TALENs. Nat Biotechnol, 29 (8): 697~698
Sanjana NE, Cong L, Zhou Y, Cunniff MM, Feng G, Zhang F (2012).
A transcription activator-like effector toolbox for genome engi-
neering. Nat Protoc, 7 (1): 171~192
Scholze H, Boch J (2011). TAL effectors are remote controls for gene
activation. Curr Opin Microbiol, 14 (1): 47~53
Scholze H, Streubel J, Boch J (2011). TAL effectors from Xanthomo-
nas: design of a programmable DNA-binding specificity. Bull
Insectol, 64 (Supp): S279~S280
Schornack S, Meyer A, Romer P, Jordan T, Lahaye T (2006). Gene-
for-gene-mediated recognition of nuclear-targeted AvrBs3-like
bacterial effector proteins. J Plant Physiol, 163 (3): 256~272
Schornack S, Minsavage GV, Stall RE, Jones JB, Lahaye T (2008).
Characterization of AvrHah1, a novel AvrBs3-like effector from
Xanthomonas gardneri with virulence and avirulence activity.
New Phytol, 179 (2): 546~556
Shiotani H, Fujikawa T, Ishihara H, Tsuyumu S, Ozaki K (2007). A
pthA homolog from Xanthomonas axonopodis pv. citri respon-
sible for host-specific suppression of virulence. J Bacteriol, 189
(8): 3271~3279
Streubel J, Blücher C, Landgraf A, Boch J (2012). TAL effector RVD
specificities and efficiencies. Nat Biotechnol, 30 (7): 593~595
Sugio A, Yang B, Zhu T, White FF (2007). Two type III effector genes
of Xanthomonas oryzae pv. oryzae control the induction of the
host genes OsTFIIAγ1 and OsTFX1 during bacterial blight of
rice. Proc Natl Acad Sci USA, 104 (25): 10720~10725
Swarup S, De Feyter R, Brlansky RH, Gabriel DW (1991). A pathoge-
nicity locus from Xanthomonas citri enables strains from several
pathovars of X. campestris to elicit canker-like lesions on citrus.
Phytopathology, 81 (7): 802~809
Szurek B, Rossier O, Hause G, Bonas U (2002). Type III-dependent
translocation of the Xanthomonas AvrBs3 protein into the plant
cell. Mol Microbiol, 46 (1): 13~23
Tesson L, Usal C, Ménoret S, Leung E, Niles BJ, Remy S, Santiago Y,
Vincent AI, Meng X, Zhang L et al (2011). Knockout rats gener-
ated by embryo microinjection of TALENs. Nat Biotechnol, 29
(8): 695~696
Urnov FD, Rebar EJ, Holmes MC, Zhang HS, Gregory PD (2010).
Genome editing with engineered zinc finger nucleases. Nat Rev
Genet, 11 (9): 636~646
Van den Ackerveken G, Marois E, Bonas U (1996). Recognition of
the bacterial avirulence protein AvrBs3 occurs inside the host
plant cell. Cell, 87 (7): 1307~1316
Vera Cruz CM, Bai J, Ona I, Leung H, Nelson RJ, Mew TW, Leach JE
(2000). Predicting durability of a disease resistance gene based
on an assessment of the fitness loss and epidemiological conse-
quences of avirulence gene mutation. Proc Natl Acad Sci USA,
97 (25): 13500~13505
植物生理学报1150
Weber E, Engler C, Gruetzner R, Werner S, Marillonnet S (2011a). A
modular cloning system for standardized assembly of multigene
constructs. PLoS One, 6 (2): e16765
Weber E, Gruetzner R, Werner S, Engler C, Marillonnet S (2011b).
Assembly of designer TAL effectors by golden gate cloning.
PLoS One, 6 (5): e19722
Weinthal D, Tovkach A, Zeevi V, Tzfira T (2010). Genome editing
in plant cells by zinc finger nucleases. Trends Plant Sci, 15 (6):
308~321
White FF, Potnis N, Jones JB, Koebnik R (2009). The type III effec-
tors of Xanthomonas. Mol Plant Pathol, 10 (6): 749~766
Wood AJ, Lo TW, Zeitler B, Pickle CS, Ralston EJ, Lee AH, Amora R,
Miller JC, Leung E, Meng X at el (2011). Targeted genome edit-
ing across species using ZFNs and TALENs. Science, 333 (6040):
307
Yang B, Sugio A, White FF (2006). Os8N3 is a host disease-suscepti-
bility gene for bacterial blight of rice. Proc Natl Acad Sci USA,
103 (27): 10503~10508
Yang B, White FF (2004). Diverse members of the AvrBs3/PthA fam-
ily of type III effectors are major virulence determinants in bac-
terial blight disease of rice. Mol Plant Microbe Interact, 17 (11):
1192~1200
Yang B, Zhu W, Johnson LB, White FF (2000). The virulence factor
AvrXa7 of Xanthomonas oryzae pv. oryzae is a type III secretion
pathway-dependent nuclear-localized double-stranded DNA-
binding protein. Proc Natl Acad Sci USA, 97 (17): 9807~9812
Yang Y, De Feyter R, Gabriel DW (1994). Host-specific symptoms
and increased release of Xanthomonas citri and X. campestris pv.
malvacearum from leaves are determined by the 102-bp tandem
repeats of pthA and avrb6, respectively. Mol Plant Microbe In-
teract, 7 (3): 345~355
Zhang F, Cong L, Lodato S, Kosuri S, Church GM, Arlotta P (2011).
Efficient construction of sequence-specific TAL effectors for
modulating mammalian transcription. Nat Biotechnol, 29 (2):
149~153
Zhang F, Maeder ML, Unger-Wallace E, Hoshaw JP, Reyon D, Chris-
tian M, Li X, Pierick CJ, Dobbs D, Peterson T et al (2010).
High frequency targeted mutagenesis in Arabidopsis thaliana
using zinc finger nucleases. Proc Natl Acad Sci USA, 107 (26):
12028~12033
Zhu W, Yang B, Chittoor JM, Johnson LB, White FF (1988). AvrXa10
contains an acidic transcriptional activation domain in the func-
tionally conserved C terminus. Mol Plant Microbe Interact, 11
(8): 824~832