植物細胞壁 3.1.2(1-2)

<翻譯文章>

植物細胞壁-具有動態性、強韌性和適應性-是一個天然的變形者-3.1.2(1-2)

The plant cell wall—dynamic, strong, and adaptable-is a natural shapeshifter

Deborah Delmer, Richard A. Dixon , Kenneth Keegstra, and Debra Mohnen

THE PLANT CELL 2024: 36: 1257-1311

2.纖維素的生物合成(Biosynthesis of cellulose) -3.1.2(1-2)

要完整記錄這個領域中所有進展並非易事，因此很慶幸有許多細節已經被他人詳細回顧。特別是，我們將纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)運輸、以及部分調控機制和相關基因/蛋白的演化研究留給其他文獻評論留給其他人。希望我們的歷史觀點能提供一些可能對未來工作有啟發的例子。

(1)早年(The early years)

阿根廷生物化學家、醫師和碳水化合物生物合成的先驅路易斯·勒盧瓦 (Luis Leloir) 取得了多項具有里程碑意義的發現。其中，1950年代他發現核苷二磷酸醣(NDP-sugar: nucleoside diphosphate sugar)尤為重要，並確認醣水解所釋放的自由能足以使使其作為多醣合成中的醣供體。1950 年 1950年他發現了尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc: uridine diphosphate glucose)，這是導致他獲得諾貝爾獎的眾多成就中的一部分。尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc: uridine diphosphate glucose) 是多醣生物合成中的關鍵受質(substrate)，可以直接合成纖維素(cellulose)、胼胝質(callose) (β-1,3-聚醣(β-1,3-glucan))和半纖維素聚醣(hemicellulosic glucans)，也可以間接作為其他核苷二磷酸醣(NDP-sugar: nucleoside diphosphate sugar)的前體，而其他核苷二磷酸醣(NDP-sugar: nucleoside diphosphate sugar)本身就是合成非纖維素多醣(noncellulosic polysaccharides)的受質(substrate)。

木醋桿菌(Acetobacter xylinum)是一種專性需氧菌(obligate aerobic bacterium)缺乏鞭毛，它分泌纖維素(cellulose)以便在液體環境中漂浮並獲得氧氣(Hestrin,1962)。格拉瑟(Glaser, 1958)證實該細菌使用尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc: uridine diphosphate glucose)作為體外(in vitro)纖維素(cellulose)合成的受質(substrate)，雖然在體外(in vitro)的反應速率相對較低。摩西·本齊曼(Moshe Benziman)的團隊後來經由發現環二磷酸鳥苷(cyclic-di-GMP)作為有效的活化劑，完成了體外高速率的纖維素(cellulose)合成。在一個包含四個基因的操縱子(operon)中，其中一個基因BcsA((細菌纖維素合酶 A (BcsA: bacterial cellulose synthase A))負責編碼催化亞基(Saxena et al., 1990)；其餘基因則編碼輔助蛋白，包括協助環二磷酸鳥苷(cyclic-di-GMP)與細菌纖維素合酶A (BcsA: bacterial cellulose synthase A)結合的BcsB((細菌纖維素合酶B (BcsB: bacterial cellulose synthase B))基因、在外膜上形成微纖維(microfibril)擠出孔道的BcsC((細菌纖維素合酶C (BcsC: bacterial cellulose synthase C)) 基因，或具有內切葡聚醣酶(endoglucanase)活性的BcsD((細菌纖維素合酶D (BcsD: bacterial cellulose synthase D))基因，該酶與其他蛋白，共同參與決定產物的結晶度。

另一位傑出的生物化學家澤夫·哈西德 (Zev Hassid) 在 1957 年相信他的實驗室會很快就能揭示植物如何合成纖維素(cellulose)機制。他指派兩名學生以綠豆(Vigna radiata (L.) Wilczek.)作為研究對象，預期能發現尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc: uridine diphosphate glucose)是纖維素(cellulose)合成的受質(substrate)。然而，學生們回報的結果顯示產物不是纖維素(cellulose)，而是胼胝質(callose) (β-1,3-聚醣(β-1,3-glucan))。哈西德(Hassid)無法相信這個結果，而這些可憐的學生不得不多次重複實驗，直到最終結果被發表。儘管他們最終放棄了將纖維素合成作為研究目標，但這兩位學生-莉茲·紐費爾德(Liz Neufeld)和大衛·芬戈爾德(David Feingold)，後來成為非常著名的多醣生物化學家。像這樣的挫折在許多其他實驗室中也重複發生，這些實驗室，他們發現體外實驗的大部分產物或全部是胼胝質(callose)。體外胼胝質(callose)合成一般需要二種活化劑；微體積莫耳濃度(micromolar)等級的鈣離子(Ca²⁺)和多種β-葡萄糖苷(β-glucosides)中的任何一種，在纖維素合成酶(cellulose synthase)的實驗中，經常不經意地加入這兩種物質，因為實驗中常使用纖維二糖(cellobiose)，而如果在沒有專一性螯合下，植物萃取物中含有微體積莫耳濃度(micromolar)的鈣離子(Ca²⁺)。文森特·布隆尼(Vincent Bulone) 因經常成功報導纖維素(cellulose)的體外合成，而備受矚目，他提供植物中醣基轉移酶(GTs: glycosyltransferases)分析指南(protocols for assays)受到高度讚譽。相比之下，胼胝質合成酶(callose synthase)相當穩定，而植物纖維素合成酶複合物(CSC: cellulose synthase complex)則較為不穩定。最近，厄姆等人(Oehme et al., 2019) 和普魯肖塔姆等人(Purushotham et al., 2022)發現，根據碳水化合物活性酶資料庫(CAZy: Carbohydrate-Active Enzyme Database)的分類，醣基轉移酶-2 (GT2: glycosyltransferase-2)酶的胺基酸序列與構象即便只有輕微變化，也可能導致 β-1,3-鍵結取代 β-1,4-鍵結。這讓人不禁思考，植物既然已經進化出類纖維素合成酶F (CSLF: cellulose synthase-like F)和類纖維素合成酶H (CSLH: cellulose synthase-like H)(同樣屬於醣基轉移酶-2 (GT2: glycosyltransferase-2)蛋白，詳見半纖維素(hemicellulose)部分)，能夠合成同時具有 β-1,3 和 β-1,4 鍵結的葡聚糖骨架，為何從未演化出與醣基轉移酶-2 (GT2: glycosyltransferase-2)細菌β-1,3-聚醣(β-1,3-glucan) (凝膠多醣(curdlan) (或稱卡德蘭膠)合成酶類似的胼胝質合酶。相反，植物的胼胝質合成酶(callose synthase)卻自酵母菌/真菌演化而來的，其結構與 醣基轉移酶-2 (GT2: glycosyltransferase-2)細菌β-1,3-聚醣(β-1,3-glucan)大不相同。

(2)顯微鏡的早期貢獻(Early contributions from microscopy)

普雷斯頓(Preston, 1964)—是植物細胞壁研究領域的重要人物之一—推測植物的纖維素合成酶複合物(CSC: cellulose synthase complex)是由多個催化亞基組成的複合體，其中亞基的數量決定了單一微纖維(microfibril)中產生的纖維素鏈數量。馬爾科姆·布朗(Malcolm Brown)以擅長捕捉纖維素(cellulose)合成過程圖像而聞名的科學家，拍攝到了木醋桿菌(Acetobacter xylinum)透過線性排列的孔洞擠出(cellulose)的照片。其他冷凍斷裂圖像(freeze-fracture images)支持了普雷斯頓(Preston)的觀點，顯示了在卵囊藻屬(Oocystis)和法囊藻屬(Valonia)等藻類中微纖維(microfibril)生長末端存在大型的多亞基(multi-subunit)”末端複合物(TCs: terminal complexes)”。令人驚訝的是，其中一些末端複合物(TCs: terminal complexes)彼此相鄰排列，並且明顯沿相反方向移動，這種排列可以導致微纖維(microfibril)之間更穩定的反平行(antiparallel)相互作用；後來，這種雙向移動性後來也出現在植物纖維素合成酶複合物(CSC: cellulose synthase complex)中。阿拉伯芥中，缺乏纖維素合成酶複合物(CSC: cellulose synthase complex)磷酸化的突變體失去了這中雙向移動特性，進而影響了微纖維(microfibril)的成束(bundling)及其莖部表型。這引發了，反平行排列的微纖維(microfibril) 成束是否可能成為科斯格羅夫(Cosgrove, 2022)所提出的擴展蛋白(expansin)的”熱點(hot-spots)” (見下文)。賈維斯(Jarvis, 2023)評論道，目前尚不清楚微纖維(microfibril)究竟是在平行或是更穩定的反平行方向上聚集，但這無疑是值得進一步研究的課題。在植物中，人們觀察到規模較小的纖維素合成酶複合物(CSC: cellulose synthase complex)，例如在玉米的原生質膜(plasma membrane)和獨行菜的導管細胞(tracheary elements)中發現具有六重對稱性(6-fold symmetry)的結構，並被稱為蓮座型(rosette)結構(根據尼克·卡皮塔(Nick Carpita)的說法，可能是安德魯·施泰海林(Andrew Staehelin)提出的)。這些蓮座型(rosette)結構通常在植物細胞中以單獨的形式出現，而吉丁斯則在藻類微星鼓藻屬(Micrasterias) 的原生質膜(plasma membrane)中觀察到了高達175個蓮座型(rosette)結構的驚人排列。