揭開基因“偵察兵”的神秘面紗

　　轉基因食物、轉基因動物、基因工程藥物已經成為我們的生活中重要組成部分。而這些“轉基因”的背后，首先需要人們找到特定的基因，才能對基因組進行“改造”。

　　但是，基因的數目實在太龐大的，人類身上就有3萬多個基因，32億個堿基對，面對這一天文數字，科學家該如何下手?如果有個“偵察兵”，手持“掃碼器”，精準、快速地幫你找到特定基因，科學家的工作就能事半功倍，甚至事半N倍。

　　TALE，這個首先從植物病菌中發現的蛋白，就扮演了基因“偵察兵”的角色。但是，對于TALE的具體“長相”，以及它如何準確地“掃描”出特定基因，在2012年之前并不為人所知，很多科學家都致力于該項基礎研究。清華大學結構生物中心顏寧教授、施一公教授和美國普度大學朱健康教授合作，解析了 TALE蛋白與DNA復合物的高分辨率晶體結構，從而揭開基因“偵察兵”的神秘面紗。美國《科學》雜志于去歲年末評出的2012年度“十大科技進展”中，這一科研成果赫然在引用之列。

　　無心插柳之舉

　　研究TALE，對于顏寧這位主要從事膜蛋白研究的結構生物學家來說，完全是“無心之舉”。

　　“我的學生鄧東他們給了我一個很大的驚喜，現在回頭看，真是一件無心插柳柳成蔭的事情。畢竟我們不是第一個開始做TALE的，按照這個課題的重要程度，肯定有無數的結構生物學實驗室都想做出它，風險很大。就當讓他們練練手吧。我記得當時開玩笑地跟他們說，即使你們不能第一個做出來，第二個做出來也能發一篇論文保證自己博士畢業。既然是練手，如果3個月沒有任何進展就放棄。”1月4日，顏寧接受科技日報記者采訪時，回憶說。

　　TALE(轉錄激活因子樣效應蛋白)首次被科學家發現能特異識別DNA是在2000年。2009年，《科學》發表了德國和美國的兩個研究組的論文 ――通過生物化學和生物信息學方法證明TALE蛋白中的兩個氨基酸位點與識別DNA之間有著令人驚奇的一一對應關系。自那之后，世界上有不少實驗室試圖揭開TALE的神秘“面紗”。

　　“2009年《科學》上這篇論文一發表，我們就討論過，覺得TALE這個蛋白太好玩了，但這不是我的主要研究方向，就等著別人出成果了。”顏寧說。

　　2010年9月，美國科學院院士、普度大學朱健康教授邀請顏寧與他合作研究TALE特異性識別DNA的分子機制。這位著名的植物生物學家正在探索使用TALE對植物進行基因改造，他太想知道TALE的“長相”了。“他可謂三顧茅廬找我合作，前兩次都被我婉拒了。”顏寧說，“首先這不是我的主要研究方向，還有就是，距離2009年論文發表已經一年多了，一定有很多實驗室早就開始從事這項研究了，很可能‘第二天’人家的研究成果就發表了。可是當健康第3 次和我談TALE時，我就不好意思再拒絕了。恰好，鄧東他們正在做一個特別難的膜蛋白課題，基本上到了快要絕望的地步，我想那就讓他們換換腦子，積累點結構生物學和生物化學的知識也好。”

　　7個月拿到“偵察兵”的三維立體圖像

　　2012年1月5日，《科學》在線刊登了顏寧研究組和施一公研究組合作的論文，文中介紹了TALE以及TALE-DNA復合物的晶體結構，首次將TALE的“長相”清晰地、立體地呈現出來。

　　從2011年3月開始做這個課題，到10月15日成功解析出蛋白結構，再到一鼓作氣地撰寫文章并于10月21日將文章投出，顏寧和施一公教授合作，只用了7個多月的時間。

　　作為論文的第一作者，鄧東告訴記者：“那段時間經歷了科研上必須經歷的‘痛苦’，也學到了很多知識。其實最大的挑戰來自自己。因為我們想要的是第一。”

　　那么，TALE這個基因“偵察兵”到底長什么樣呢?顏寧教授在電腦上給記者展示了TALE的三維立體模型：重復的螺旋“彩帶”圍繞DNA呈右手螺旋狀排列。“你看這些螺旋狀的像彩帶一樣的東西，是不斷重復的，大多數情況下每個重復單元由34個氨基酸組成。而這個重復里面，只有在第12、13位的氨基酸是變化的。”顏寧解釋說。

　　對于這一基礎性研究的重要性，能被《科學》“十大科技進展”引用，已經是一個很好的證明。不過，顏寧在她的博客中說得更直白：“眼見為實啊!我們很多人可主要是通過視覺來認識世界的，是不是?沒有結構，你說TALE，那是啥?長啥樣?咋工作?”

　　其實，這就好比有人走進一座黑洞洞的大樓，通過不斷摸索預測出房間的模樣。但他既不知大樓里還有多少個房間，也不知每個房間之間的關聯。而顏寧她們的研究仿佛送來了一盞明燈，照亮了大樓的每一個角落。

　　“偵察兵”如何“掃描”基因

　　對于TALE“掃描”基因的工作機制，雖然科學家們已經知道TALE和基因之間存在一一對應關系。但是并不知道這種一一對應的關系是直接的還是間接的，或者有其他什么未知東西在里面?顏寧她們的研究成果則完美的解答了TALE如何結合DNA的問題。TALE這個基因“偵察兵”的“掃碼器”就是其蛋白上的一個氨基酸殘基。

　　而且“這個結構很意外地給了生物技術很大的啟示。”那就是，真正起“掃描”作用的只有TALE上的一個氨基酸，而不是之前預測的那樣――兩個氨基酸都在起作用。同時，TALE只會與DNA雙鏈中的一條鏈有直接的相互作用。

　　長期以來，科學家對基因組“改造”基本上是依靠一種基于鋅指蛋白的鋅指技術，鋅指蛋白在識別特定基因時也有一定的特異性，但是存在諸如缺少靈活性、精確性不理想等缺點。有趣的是，施一公教授的博士研究論文就是去理解鋅指蛋白如何與DNA相互作用。

　　TALE的出現，似乎讓科學家們看到了一個基因改造的“明日之星”。在鄧東看來，他們的對TALE蛋白特異識別DNA機理的揭示，以及在這個基礎上更多的發現，使TALE的應用前景變得更加廣泛。進一步堅定了科學家運用TALE去“掃描”特定基因，從而實現對基因組的“改造”。

　　顏寧在博客中寫道：“當你設計一個新的識別DNA序列的TALE密碼時，對于每一個堿基，你的選擇不再是20×20=400個氨基酸，而是只要20 個選擇。”也就是說，科學家對“掃碼器”進行設計時，只需考慮20個氨基酸的排列順序就行了，這其中節省的工作量無疑是十分巨大的。