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Transcription Activator-like Effector Nuclease

Eine Transcription activator-like effector nuclease (dt. ‚transkriptionsaktivatorartige Effektornuklease‘, TALEN) ist ein künstliches sequenzspezifisches Restriktionsenzym, das auf der Tal-effector-Domäne basiert.

Schema der Verwendung von TALEN

Die Funktionsweise der Domäne wurde 2009 anhand des Effektorproteins AvrBs3 erstmals beschrieben.[1]

Eigenschaften

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Transcription activator-like effector nucleases sind Fusionsproteine aus einer TAL effector-DNA-bindenden Domäne und einer Endonukleasedomäne. Durch die im Zuge eines Proteindesigns eingesetzte DNA-bindende Domäne erfolgt die sequenzspezifische Bindung, durch die Endonuklease ein vergleichsweise wenig sequenzspezifischer Schnitt.[2] TALENs sind neben der CRISPR/Cas-Methode und Zinkfingernukleasen Methoden des Genome Editing.

Die Tal effector-Domäne stammt ursprünglich aus Xanthomonas-Bakterien und besitzt eine konservierte Sequenz von 33 bis 34 Aminosäuren. Die Positionen 12 und 13 sind dagegen variabel (Repeat Variable Diresidue) und sind für die Erkennung von Nukleotiden in DNA verantwortlich.[1][3] Eine mangelnde Spezifität der Tal effector-Domäne führt zu Doppelstrangbrüchen an anderen DNA-Sequenzen.[4]

Für eine Verwendung in Hefen, pflanzlichen oder tierischen Zellen wird meistens die Endonukleasedomäne von FokI verwendet.[5][6][7][8][8][9][10][11] Während ursprünglich der Wildtyp von FokI verwendet wurde, sind nachfolgend verschiedene Mutationen zur Verbesserung der Spezifität[12][13] und Aktivität[14] in FokI eingeführt worden. FokI ist ein dimeres Protein, und die Anzahl an Basenpaaren zwischen der Tal effector-Domäne und den beiden FokI-Untereinheiten wirkt sich auf die Aktivität aus.[9][4]

Die DNA-Sequenz des entworfenen TALEN-Fusionsproteins wird in ein Plasmid kloniert und anschließend in die Zielzellen transfiziert. Das Gen wird in der Zelle in das Protein übersetzt und durch die enthaltene Signalsequenz in den Zellkern eingeschleust, wo es seine Aktivität entfaltet.

Medizinische Nutzung

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In 2015 wurde eine experimentelle TALEN-basierte Gentherapie dazu genutzt, eine einjährige Patientin von Leukämie zu heilen. Dies war das erste Mal, dass Genome Editing erfolgreich zur Heilung einer akut tödlichen Krankheit eingesetzt wurde.[15][16]

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Einzelnachweise

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  1. ↑ a b J. Boch, H. Scholze, S. Schornack, A. Landgraf, S. Hahn, S. Kay, T. Lahaye, A. Nickstadt, U. Bonas: Breaking the code of DNA binding specificity of TAL-type III effectors. In: Science. Band 326, Nummer 5959, Dezember 2009, ISSN 1095-9203, S. 1509–1512, doi:10.1126/science.1178811. PMID 19933107.
  2. ↑ Jens Boch: TALEs of genome targeting. In: Nature Biotechnology. 29. Jahrgang, Nr. 2, Februar 2011, S. 135–6, doi:10.1038/nbt.1767, PMID 21301438.
  3. ↑ M. J. Moscou, A. J. Bogdanove: A simple cipher governs DNA recognition by TAL effectors. In: Science. Band 326, Nummer 5959, Dezember 2009, ISSN 1095-9203, S. 1501, doi:10.1126/science.1178817. PMID 19933106.
  4. ↑ a b C. Mussolino, R. Morbitzer, F. Lütge, N. Dannemann, T. Lahaye, T. Cathomen: A novel TALE nuclease scaffold enables high genome editing activity in combination with low toxicity. In: Nucleic acids research. Band 39, Nummer 21, November 2011, S. 9283–9293, ISSN 1362-4962. doi:10.1093/nar/gkr597. PMID 21813459. PMC 3241638 (freier Volltext).
  5. ↑ M. Christian, T. Cermak, E. L. Doyle, C. Schmidt, F. Zhang, A. Hummel, A. J. Bogdanove, D. F. Voytas: Targeting DNA double-strand breaks with TAL effector nucleases. In: Genetics. Band 186, Nummer 2, Oktober 2010, ISSN 1943-2631, S. 757–761, doi:10.1534/genetics.110.120717. PMID 20660643, PMC 2942870 (freier Volltext).
  6. ↑ T. Li, S. Huang, W. Z. Jiang, D. Wright, M. H. Spalding, D. P. Weeks, B. Yang: TAL nucleases (TALNs): hybrid proteins composed of TAL effectors and FokI DNA-cleavage domain. In: Nucleic acids research. Band 39, Nummer 1, Januar 2011, ISSN 1362-4962, S. 359–372, doi:10.1093/nar/gkq704. PMID 20699274, PMC 3017587 (freier Volltext).
  7. ↑ M. M. Mahfouz, L. Li, M. Shamimuzzaman, A. Wibowo, X. Fang, J. K. Zhu: De novo-engineered transcription activator-like effector (TALE) hybrid nuclease with novel DNA binding specificity creates double-strand breaks. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 108, Nummer 6, Februar 2011, ISSN 1091-6490, S. 2623–2628, doi:10.1073/pnas.1019533108. PMID 21262818, PMC 3038751 (freier Volltext).
  8. ↑ a b T. Cermak, E. L. Doyle, M. Christian, L. Wang, Y. Zhang, C. Schmidt, J. A. Baller, N. V. Somia, A. J. Bogdanove, D. F. Voytas: Efficient design and assembly of custom TALEN and other TAL effector-based constructs for DNA targeting. In: Nucleic acids research. Band 39, Nummer 12, Juli 2011, S. e82, ISSN 1362-4962. doi:10.1093/nar/gkr218. PMID 21493687. PMC 3130291 (freier Volltext).
  9. ↑ a b J. C. Miller, S. Tan, G. Qiao, K. A. Barlow, J. Wang, D. F. Xia, X. Meng, D. E. Paschon, E. Leung, S. J. Hinkley, G. P. Dulay, K. L. Hua, I. Ankoudinova, G. J. Cost, F. D. Urnov, H. S. Zhang, M. C. Holmes, L. Zhang, P. D. Gregory, E. J. Rebar: A TALE nuclease architecture for efficient genome editing. In: Nature Biotechnology. Band 29, Nummer 2, Februar 2011, ISSN 1546-1696, S. 143–148, doi:10.1038/nbt.1755. PMID 21179091.
  10. ↑ D. Hockemeyer, H. Wang, S. Kiani, C. S. Lai, Q. Gao, J. P. Cassady, G. J. Cost, L. Zhang, Y. Santiago, J. C. Miller, B. Zeitler, J. M. Cherone, X. Meng, S. J. Hinkley, E. J. Rebar, P. D. Gregory, F. D. Urnov, R. Jaenisch: Genetic engineering of human pluripotent cells using TALE nucleases. In: Nature Biotechnology. Band 29, Nummer 8, August 2011, S. 731–734, ISSN 1546-1696. doi:10.1038/nbt.1927. PMID 21738127. PMC 3152587 (freier Volltext).
  11. ↑ A. J. Wood, T. W. Lo, B. Zeitler, C. S. Pickle, E. J. Ralston, A. H. Lee, R. Amora, J. C. Miller, E. Leung, X. Meng, L. Zhang, E. J. Rebar, P. D. Gregory, F. D. Urnov, B. J. Meyer: Targeted genome editing across species using ZFNs and TALENs. In: Science. Band 333, Nummer 6040, Juli 2011, S. 307, ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1207773. PMID 21700836. PMC 3489282 (freier Volltext).
  12. ↑ Y. Doyon, T. D. Vo, M. C. Mendel, S. G. Greenberg, J. Wang, D. F. Xia, J. C. Miller, F. D. Urnov, P. D. Gregory, M. C. Holmes: Enhancing zinc-finger-nuclease activity with improved obligate heterodimeric architectures. In: Nature methods. Band 8, Nummer 1, Januar 2011, S. 74–79, ISSN 1548-7105. doi:10.1038/nmeth.1539. PMID 21131970.
  13. ↑ M. Szczepek, V. Brondani, J. Büchel, L. Serrano, D. J. Segal, T. Cathomen: Structure-based redesign of the dimerization interface reduces the toxicity of zinc-finger nucleases. In: Nature Biotechnology. Band 25, Nummer 7, Juli 2007, S. 786–793, ISSN 1087-0156. doi:10.1038/nbt1317. PMID 17603476.
  14. ↑ J. Guo, T. Gaj, C. F. Barbas: Directed evolution of an enhanced and highly efficient FokI cleavage domain for zinc finger nucleases. In: Journal of molecular biology. Band 400, Nummer 1, Juli 2010, S. 96–107, ISSN 1089-8638. doi:10.1016/j.jmb.2010.04.060. PMID 20447404. PMC 2885538 (freier Volltext).
  15. ↑ Michael Le Page: Gene editing saves girl dying from leukaemia in world first. Abgerufen am 12. Juli 2021 (amerikanisches Englisch).
  16. ↑ Sara Reardon: Leukaemia success heralds wave of gene-editing therapies. In: Nature. Band 527, Nr. 7577, 1. November 2015, ISSN 1476-4687, S. 146–147, doi:10.1038/nature.2015.18737 (nature.com [abgerufen am 12. Juli 2021]).
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