黄单胞菌TAL类效应蛋白AvrXa27与特异DNA互作的结构及动力学基础

TAL (Transcription-Activator Like) effectors are delivered into plant cell by plant pathogens in the genus Xanthomonas. TAL effectors regulate the expression of host target genes by binding specifically to their promotor regions, and contribute to virulence or avirulence. The central repeat regions of TAL effectors consist of repeats with conserved amino acids sequence, each repeat forms helix-loop-helix motif, different numbers of repeats fold into a right-handed superhelix wrapping around the target promotor element, and the repeat variable residues on the loop specify the nucleotides-amino acid contact. This new kind of protein-DNA interaction model will be comprehensively applied in many areas, including site-directed mutagenesis, site-directed chromatin modifying, and engineering plant with broad-spectrum disease resistance. Our project intends to solve the structure of the central repeat region of TAL effector AvrXa27 via X-ray crystallography, to probe the strength of interactions within this region and its promoter DNA element by atomic force microscopy and single molecule force spectroscopy, and to analyze the dynamics of this interaction by single molecule fluorescence resonance energy transfer technique, providing theoretical foundation for exactly understanding and applying this model.

黄单胞菌属病原菌能分泌一类转录激活类（Transcription-Activator like, TAL）效应蛋白到植物细胞中。TAL类效应蛋白通过与寄主植物靶基因的启动子区域特异结合，调控寄主植物基因的表达，发挥毒力或无毒作用。TAL类效应蛋白的中心重复区域的每个重复单元序列高度保守，具有α螺旋-Loop环-α螺旋模体，多个重复单元形成独特的右手超螺旋结构盘绕在目标启动子元件上，位于Loop环上的可变氨基酸残基参与DNA的识别结合。这种新型的蛋白与DNA互作的模式在基因的定点突变、定点表观遗传转换、植物广谱抗性改良等领域应用前景广阔。本项目拟通过X射线晶体衍射法解析TAL类效应蛋白AvrXa27中心重复区的三维结构，并运用原子力显微镜单分子力谱法和单分子荧光共振能量转移技术研究AvrXa27中心重复区域与启动子结合的力谱和反应动力学，为准确的理解和应用这一模型提供理论基础。

黄单胞菌属病原菌分泌的一类转录激活类（Transcription-Activator like, TAL）效应蛋白可以与寄主植物靶基因的启动子区域的UPT盒特异结合，调控寄主植物基因的表达，从而发挥毒力或无毒作用。这种类型的蛋白与DNA互作模型被应用于基因组的定点编辑。然而，TAL效应蛋白的脱靶现象严重地阻碍了该技术的发展。为了更好地利用这种互作，以及更深入地理解TAL引起的寄主植物转录重塑，我们通过动力学分析和TAL阻挡解旋酶解旋的实验研究了TAL类效应蛋白AvrXa27的中心重复区域（AvrXa27CRR）与其UPT盒DNA的结合情况。结果显示：AvrXa27CRR与野生型的UPT盒DNA具有最高的亲和性，但AvrXa27CRR也能和突变型的UPT盒DNA结合，这表明TAL参与非特异性互作的可能性。此外，一些非特异性的结合在很大程度上限制了解旋酶引起的UPT盒双链DNA的分离。我们的结果为阐明TAL引起的转录激活机制提供了新的见解，并为TAL在基因组修饰方面的应用提供理论支持。