研究揭示纤维素生物合成秘密

科学家们还不清楚纤维素的合成机理。最近,美国普渡大学的黄蕾研究小组在《植物细胞》杂志上发表了一项成果,表明内皮素20(ES20)作为一种强有力的新型纤维素合成抑制剂,与纤维素合成密切相关。5月14日在同一份杂志上发表的一篇综述文章指出,这一成就是“一份突破性报告”。

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物,其化学成分也非常简单。纤维素是通过将β-1,4-D-葡萄糖单元组装成直链而形成的聚合物。这些棒状分子在氢键和范德华力的作用下被包裹成强有力的微纤维。

纤维素提供植物细胞壁抵抗膨胀压力所需的机械强度,同时影响细胞大小、形状和分裂生长方向,从而塑造植物形态。尽管纸纤维和棉纤维含有90%以上的纤维素,而且纤维素被用来制造从冰淇淋到生物燃料的所有东西,但我们仍然不知道植物是如何合成这种聚合物的。

科学家们已经了解到,纤维素合成酶(CESA)复合物(CSCs)在内质网或高尔基体中组装,并转移到质膜(PM),在质膜上它们从尿苷二磷酸(UDP)葡萄糖主动合成纤维素。

然而,由于缺乏研究纤维素生物合成的工具,科学家不知道纤维素合成酶如何催化纤维素合成,以及这种催化活性如何影响纤维素合成酶复合物的运输。

纤维素合成酶复合体是由三种单体纤维素合成酶亚型组成的小型机器,它们以1:1:1的比例排列在六个对称的玫瑰环中。每个复合物包含一个细胞质催化结构域、一个跨膜区、一个植物保守序列和一个被认为有助于纤维素合酶复合物组装和运输的类特异性区域。

在这项研究中,黄蕾等人筛选并鉴定了内皮素20。研究发现,内皮素20通过降低纤维素水平显著改变拟南芥幼苗的形态。在甲磺酸乙酯诱导的拟南芥突变体中,内皮素20生长良好,但纤维素合成酶发生突变,表明内皮素20直接影响纤维素合成酶的活性。

进一步的拓扑分析、结构建模和分子对接分析表明,内皮素20以纤维素合酶6的尿苷二磷酸葡萄糖结合位点(即催化位点)为靶点抑制纤维素聚合;这通过分析纤维素合成酶6的突变形式得到证实。

为了研究植物纤维素合成酶的催化活性是否影响细胞内转运,研究小组利用根表皮细胞的高分辨率活细胞成像技术,在纤维素合成酶6功能丧失的背景下,研究了内皮素20对转基因拟南芥幼苗中纤维素合成酶复合物的定位和动力学的影响。

研究发现,内皮素20治疗显著降低了纤维素合成酶复合物在质膜中的运动速率,证实了内皮素20抑制了纤维素合成酶复合物的催化活性。内皮素20处理还降低了质膜中纤维素合成酶复合物的密度,减少了纤维素合成酶复合物向质膜的转移,并增加了高尔基体纤维素合成酶复合物的丰度,表明纤维素合成酶6的催化活性影响了纤维素合成酶复合物的亚细胞转运。

综述文章认为,尽管这一观察非常有趣,但纤维素合成酶和纤维素合成酶复合物的催化活性之间的关系是复杂的,需要进一步研究。或许内皮素20可以与具有催化位点突变的纤维素合成酶6结合使用,探讨纤维素合成酶的催化活性对纤维素合成酶复合物转运的影响及潜在的分子机制,进而揭示纤维素生物合成的神秘过程。

相关论文信息:https://doi.org/10.1105/tpc.20.00202

https://doi.org/10.1105/tpc.20.00382

标题:研究揭示纤维素生物合成秘密

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