多倫多大學(xué)提出植物纖維素合成機(jī)制的新的結(jié)構(gòu)信息（2020.10.1 Plant Biotechnology Journal）

植物細(xì)胞壁是光合作用碳的主要蓄水池，也是人類(lèi)重要的可再生資源。纖維素是植物細(xì)胞壁的重要組成部分也是地球上最豐富的生物聚合物。盡管化學(xué)上很簡(jiǎn)單，但關(guān)于纖維素合成的機(jī)理仍然存在許多疑問(wèn)。

2020年9月30號(hào)，Trends?in?plant?science在線發(fā)表了題為“Insights?from?the?Structure?of?a?Plant?Cellulose?Synthase?Trimer”的有關(guān)纖維素合成酶三聚結(jié)構(gòu)的綜述性文章，多倫多大學(xué)細(xì)胞與系統(tǒng)生物學(xué)系教授Heather?E.McFarlane為該論文的通訊作者。作者從纖維素、纖維素合成酶（CESAs）和纖維素合成酶復(fù)合物（CSC）的介紹，CSC的組裝以及CSC的調(diào)控和定位三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

首先作者介紹了纖維素、纖維素合成酶（CESAs）和纖維素合成酶復(fù)合物（CSC），指出纖維素它是一種聚合物，由環(huán)氧乙烷-1，4連接的葡萄糖和多個(gè)葡聚糖鏈橫向結(jié)合形成纖維素微原纖維。纖維素是在質(zhì)膜上由CESAs酶生成的，它既催化葡萄糖分子參與到正在生長(zhǎng)的葡聚糖鏈中，又能通過(guò)跨膜（TM）孔將葡聚糖鏈移位到外質(zhì)體中。植物CESAs組裝成CSCs，六倍對(duì)稱(chēng)的高階低聚體，推測(cè)每個(gè)CSC中有六個(gè)CESA雜三聚體。纖維素的合成和植物的生存能力通常需要多種CESA異構(gòu)體。在模式植物擬南芥中，生長(zhǎng)的初級(jí)細(xì)胞壁需要AtCESA1、AtCESA3和類(lèi)似cesa6的異構(gòu)體（AtCESA2、AtCESA5、AtCESA6、AtCESA9），而特殊的次級(jí)細(xì)胞壁需要AtCESA4、AtCESA7和AtCESA8。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和序列守恒程度，可以將每個(gè)CESA劃分為多個(gè)區(qū)域。

有關(guān)CSC組裝方面，基于PttCESA8同型三聚體的結(jié)構(gòu)，作者定義了三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域來(lái)協(xié)調(diào)不同類(lèi)型CESAs之間的交互作用：N終端區(qū)域，植物保守區(qū)域（PCR）和TM跨越地區(qū)。鄰近CESAs的N端結(jié)構(gòu)域相互作用，形成一個(gè)中央的“細(xì)胞質(zhì)柄”，延伸到細(xì)胞質(zhì)中。這個(gè)細(xì)胞質(zhì)柄的位置是促進(jìn)CSC與附件蛋白相互作用的理想位置。相鄰CESAs的PCRs之間的“環(huán)狀”成對(duì)相互作用促使它們組裝成同型三聚體，并可能組裝成完整的CSC。最后，在膜上，TM4、TM6和界面螺旋3（IF3;先前的預(yù)測(cè)是TM5）與鄰近的CESA的TM7相互作用，說(shuō)明了這些區(qū)域在分子間相互作用中的重要作用。雖然大多數(shù)影響CESA功能的點(diǎn)突變聚集在活性位點(diǎn)周?chē)?在TM4、TM6、TM7和IF3中檢測(cè)到幾個(gè)突變，說(shuō)明這些突變可能影響CESA組裝成功能性CSC。

PttCESA8同型三聚體中每個(gè)CESA的定位使初形成的葡聚糖鏈在離開(kāi)每個(gè)易位通道時(shí)相互靠近。作者推測(cè)，這種新合成的葡聚糖鏈的緊密結(jié)合將促進(jìn)它們結(jié)合成三聚體'原纖維'。冷凍斷裂顯微鏡觀察到植物的CSCs呈六倍對(duì)稱(chēng)。作者還發(fā)現(xiàn)，同型三聚體PttCESA8的大小和形狀很好地映射到凍裂苔蘚（Physcomitrella?patens）CSC花冠的一個(gè)亞基上。因此，作者提出由6個(gè)CESA三聚體（即總18個(gè)CESAs）同時(shí)合成的多個(gè)“原纖維”結(jié)合單個(gè)CSC形成18條葡聚糖鏈的纖維素微原纖維。

有關(guān)CSC的調(diào)控和定位方面，作者指出CESA結(jié)構(gòu)表明先前注釋TM5的域?qū)嶋H上是一個(gè)胞質(zhì)界面螺旋（IF3），不是一個(gè)真正的TM域。這個(gè)修改后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將CESA8的C端置于細(xì)胞外區(qū)域。作者也認(rèn)為這可以解釋為什么只有N端熒光蛋白融合被證明是成功的可視化CESA定位和動(dòng)態(tài)變化。CESAs翻譯后修飾是調(diào)節(jié)纖維素合成的關(guān)鍵機(jī)制。CESAs會(huì)被磷酸化、泛素化和酰基化。在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中檢測(cè)到CESA半胱氨酸殘基?；?。并且預(yù)測(cè)在胞質(zhì)中心結(jié)構(gòu)域有幾個(gè)酰基化位點(diǎn)，這將增加其疏水性，并可能支持中心結(jié)構(gòu)域與膜之間的關(guān)系更密切。由于?；牡孜锖兔富钚晕稽c(diǎn)通常是在細(xì)胞質(zhì)中的，作者就此提出了一個(gè)問(wèn)題：是否存在一個(gè)非規(guī)范的酰基化機(jī)制，或者是否C末端的Cys殘基在其他方面對(duì)CESA的功能是必要的。

CESA磷酸化已經(jīng)在許多磷酸化蛋白組學(xué)研究中被檢測(cè)到。這些修飾集中在N末端可變區(qū)（VR1）和胞質(zhì)中心結(jié)構(gòu)域的VR2內(nèi)，作者認(rèn)為這可能是調(diào)控的關(guān)鍵。雖然PttCESA8的N端結(jié)構(gòu)解析不是很理想，但預(yù)測(cè)它會(huì)形成一個(gè)向細(xì)胞質(zhì)投射約70個(gè)氨基酸的結(jié)構(gòu)域，是調(diào)控CSC與附件蛋白的相互作用的理想的位置。

總之，該文章新的結(jié)構(gòu)信息回答了關(guān)于植物中纖維素合成機(jī)制的關(guān)鍵問(wèn)題，包括每個(gè)CSC中CESAs的數(shù)量，CESA三聚體相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以及膜內(nèi)CESAs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。