水稻抗病蛋白Pia RATX1 结构域与稻瘟病菌效应因子相互作用的结构基础

The rice blast disease caused by Magnaporthe oryzae is one of the most serious fungal diseases worldwide. The specific interaction between avirulence (Avr) genes in M. oryzae and resistance (R) genes in rice can be well explained by the gene-for-gene system. Up to now, 23 rice resistance genes to M. oryzae have been cloned, while only five corresponding Avr genes have been identified. Among these R proteins, Pia has been confirmed to directly interact with effortor protein Avr-Pia and Avr1-CO39 from M. oryzae. RGA5-A, an important component of the Pia resistance-protein complex (RGA4/RGA5-A) in rice, interacts with Avr-Pia and Avr1-CO39 via its effector-interaction domain RGA5-A_S(RATX1). However, due to limited biochemical and biophysical studies, the molecular mechanism by which RGA5 recognizes AVR-Pia or Avr1-CO39 remains unclear. To better understand the interactions, we will determine the structures of these proteins and protein complexes. The proposed project will provide new insights into the interaction between R proteins and effectors and new materials for the disease-resistance breeding.

由稻瘟病菌引起的稻瘟病是严重危害水稻安全生产的真菌性病害。水稻与稻瘟病菌的相互作用符合“基因对基因”模式。水稻的23个抗病基因和稻瘟病菌的9个无毒基因已经被克隆。在已经确定的水稻R蛋白中，Pia与稻瘟病菌的效应因子Avr-Pia和Avr1-CO39存在直接的相互作用。RGA5-A作为Pia (RGA4/RGA5-A)的一个重要组分，通过其C端RATX1结构域与Avr-Pia和Avr1-CO39直接结合，但其结合机制尚未明确。申请人拟通过解析RGA5-A的RATX1结构域、与之互作的稻瘟病菌效应因子蛋白以及上述蛋白复合物的三维结构，确定参与识别的关键残基，以期深入了解RGA5-A识别效应因子的结构基础。这些研究结果将为进一步分析具有RATX1结构域的R蛋白如何识别效应因子并引防卫反应提供依据，并为持久抗病性的作物选育提供新的材料和理论基础。

稻瘟病菌中存在一类结构保守的效应因子，称为Magnaporthe oryzae AVRs 和 ToxB-like (MAX) 效应蛋白。其中的AVR1-CO39 和 AVR-Pia 可以被水稻抗病蛋白 RGA5 的金属离子结合结构域（HMA 或 RATX1）直接识别，激发寄主产生免疫反应。其识别的结构机制尚未阐明。为探究水稻抗病蛋白RGA5识别效应蛋白的分子机制，我们解析了RGA5-A_S与AVR1-CO39复合物的晶体结构，基于结构的突变体相互作用和功能的分析揭示了HMA结构域与MAX效应蛋白相互作用的结构机制。研究结果表明RGA5A_S/AVR1-CO39 复合物的相互作用的表面主要集中于 AVR1-CO39 β2 片层和 RGA5A_S αA和β2片层。分子间相互作用以疏水作用及氢键为主，包括AVR1-CO39 W23、 K24 、T41 、N38、N37、I39与RGA5 RATX1 V1025、D1026、V1028、E1029及I1030。 其中，AVR1-CO39互作面上的氨基酸T41是参与RGA5-A_S互作的关键残基。这一表面恰恰是HMA结构域二体形成的界面，预示着效应蛋白的结合可以打破或者阻止HMA二体的形成。比较了RGA5-A_S与AVR-Pia或AVR1-CO39所形成的复合物，发现它们具有相似的组成。这预示着RGA5-A_S用同样的界面识别两个不同的效应蛋白。上述结果于2018年发表在美国科学院院报（PNAS）上。在此基础之上，通过分析抗病蛋白与效应蛋白复合物结构以及效应蛋白的结构特征，我们设计了系列抗病蛋白的突变体，从中筛选出与其他MAX类效应蛋白相互作用而与原来的效应蛋白不相互作用的突变体，为设计新的具有不同识别范围的免疫受体以及指导水稻的抗病分子育种奠定基础。