<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(3-4)
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(3-4)
(3)植物中的 CesA 基因(CesA genes in plants)
第一個植物CESA (纖維素合成酶: cellulose synthase)基因直到 1996 年才被鑑定)。在棉花纖維中，纖維素的合成速率在初生細胞壁向次生細胞壁轉變的過程中增加超過100倍，對於處於此過渡階段的cDNA進行隨機cDNA定序，研究人員發現了兩個非常相似的cDNA，其中包含持續性醣基轉移酶-2 (GT2: glycosyltransferase-2)特徵的分散序列以及與細菌纖維素合酶A (BcsA: bacterial cellulose synthase A)蛋白的跨膜螺旋(TMHs: transmembrane helices)，顯示出高度序列相似性的區域。但棉花基因也擁有一個編碼環指結構域(ring-finger domain)的N-端結構域、一個高度植物保守區域和另一個可變序列區域(高變區)。後兩個插插入區域將催化活性所需的保守序列分割開來，這也解釋了為何這些基因先前未被發現。研究還發現，這些棉花基因會在次生細胞壁合成開始時被強烈誘導，但當時並無基因學證據證明它們確實編碼纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)。
克里斯·索美維爾(Chris Somerville)和赫爾曼·霍夫特(Herman Hofte)已將阿拉伯芥選擇為研究植物中纖維素合成的模式植物，透過它可以容易地選擇與纖維素合成相關的突變株。在澳大利亞，威廉森(Williamson) 的研究團隊分離出阿拉伯芥溫度敏感突變株，稱為 rws1，該突變株在合成初生細胞壁纖維素合成方面存在缺陷。很快研究人員發現，RSW1 基因座與棉花纖維基因的關係非常密切，並編碼我們現在稱為 AtCESA1的基因，該基因在參與初生細胞壁纖維素的合成。於是，研究競賽正式展開！隨後，里士滿·索美維爾 (Richmond and Somerville, 2000)的研究發現阿拉伯芥有10個CESAs (纖維素合成酶: cellulose synthase)基因。也鑑定出許多相關的CSL (類纖維素合成酶: cellulose synthase-like)基因家族，其中一些基因參與半纖維素合成(見下文)。CSLD (類纖維素合成酶D: cellulose synthase-like D)基因家族成員與CESA(纖維素合成酶: cellulose synthase )基因最接近，並且越來越多的報告顯示，至少有一些類纖維素合成酶D (CSLD: cellulose synthase-like D)蛋白可以替代纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase )進行纖維素合成。最近的研究證實，類纖維素合成酶D3 (CSLD3: cellulose synthase-like D3)具有 β-1,4-葡聚糖合成酶(β-1,4-glucan synthase)活性，並且在結構上與纖維素合成酶6 (CESA6: cellulose synthase 6) 最為相似。
完整的纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)的組成在體內不僅僅包括纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)蛋白(Lampugnani et al., 2019)。一種名為KORRIGA (KOR)的內切葡聚糖酶(endoglucanase)(類似於細菌纖維素合酶D蛋白 (BcsD: bacterial cellulose synthase D))可能在合成過程中負責切割無序的葡聚醣鏈，但其確切功能仍不明確，因為在預測的催化位點發生突變後，該基因仍能補償 kor 突變體的表型。同樣不清楚的是COBRA蛋白的確切功能，COBRA是一種糖磷脂醯肌醇(GPI: glycosylphosphatidylinositol) 錨定蛋白，顯然與纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)相關並影響結晶度。對KOR和COBRA功能的深入了解仍然是必要的。
此外，許多科學家似乎已經忽略了冷凍斷裂研究對蓮座型(rosette)結構的觀察結果：在原生質膜的相對一側發現了與蓮座型(rosette)結構中央核心對應位置的蛋白質球狀結構。這說明中央球狀結構可能是一個附屬蛋白質的位置之一。此外，纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)蛋白可能透過磷酸化和S-醯基化反應(S-acylation)進行調控，這些修飾可能影響纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)的活性、蓮座型(rosette)結構和/或回收。
(4)細菌和植物纖維素合成酶A結構的比較(Comparisons of bacterial and plant CESA structures)
阿拉伯芥的纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)突變株的研究得出了兩個令人驚訝但重要的結論：負責合成基本微纖維的蓮座型(rosette)結構由兩個類別組成，這兩類主要(但不完全)是由其類特異區域(CSR:class-specific region)的同源性來定義的；每一類別包含三個必要但不相同的亞基，通常(但不總是)比例為 1:1:1。第一類蛋白質(纖維素合成酶1(CESA1: cellulose synthase1)、纖維素合成酶3(CESA3: cellulose synthase3) 以及纖維素合成酶 (CESA: cellulose synthase) 2、5、6 或9 中的任何一種)主要用於初生細胞壁(PCW: primary cell wall)的合成，而而第二類蛋白質(纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase) 4、7 和8)是次生細胞壁的合成所必需的。為清楚起見，本文回顧中已將其他植物中的所有阿拉伯芥纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)同源物的名稱改為與阿拉伯芥中使用的名稱一致。
一個重要的里程碑是尤亨·齊默(Jochen Zimmer)的研究團隊成功結晶了一個具有催化活性的細菌纖維素合酶A (BcsA: bacterial cellulose synthase A)-細菌纖維素合酶B (BcsB: bacterial cellulose synthase A)蛋白複合物，並確定其結構達到3.25 Å的解析度；在結晶過程中，結構中保留了一個纖維寡醣(cello-oligosaccharide)。在這個提議的結構中，細菌纖維素合酶A (BcsA: bacterial cellulose synthase A) 在胺基末端區域包含四個跨膜螺旋(TMHs: transmembrane helices)，在羧基端區域也有四個，兩者之間由一個細胞質內環(cytoplasmic intracellular loop)分隔，此內環形成了催化區域，並受到由環二磷酸鳥苷(cyclic-di-GMP) 調節的閘控環(gating loop)的保護，閘控環(gating loop)控制進入活性位點的通道。跨膜螺旋(TMH: transmembrane helices) 3-8 形成的通道可容納正在轉運的葡聚糖。整體結構類似於其他嵌膜型(membrane-integrated)、具連續催化功能的醣基轉移酶 2 (GT2: glycosyltransferase-2)，例如玻尿酸合成酶(hyaluronic acid synthase)和幾丁質合成酶(chitin synthase)。
在生產具有催化活性的重組纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)方面已獲得了重大進展；來自小立碗蘚的PpCESA5 和來自雜交楊樹的PttCESA8 在沒有添加引子的情況下，在體外合成了非常細的β-1,4-葡聚糖纖維(fibril)。當PttCESA8從昆蟲細胞中分離出來時，重新組裝成的結構主要範圍從單體到三聚體，其中一個同源三聚體部分經過篩選並使用冷凍電子顯微鏡進行分析。在圖3中，將所提出的PttCESA8單體的模型與其他所提出的催化亞基結構進行比較，其中包括細菌纖維素合酶A (BcsA: bacterial cellulose synthase A)) ，以及為了歷史溯源，還列出了德爾默(Delmer, 1999)根據簡單結構域分析所建立的原始粗略模型進行了比較。
雖然在許多細節上有所不同，但所有模型都顯示跨膜螺旋(TMH: transmembrane helices)形成跨膜通道，並且植物纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)的催化結構域是由植物保守區域和類特異區域(CSR:class-specific region)結構域形成的環狀結構伸出至細胞質，這些結構域被認為是纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)-纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)相互作用的位點和/或所需的輔助蛋白的結合位點。植物閘控環(gating loop)的可能調節模式正在研究中。在細菌中，環二磷酸鳥苷(cyclic-di-GMP)的結合透過閘控環(gating loop)調節其催化活性，但在植物中則無此機制(Morgan et al., 2014)。此外，當纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)處於非活性狀態時，此閘控環(gating loop)預測將會塌陷至活性位點區域，以維持原生質膜膜電位。早期巴契奇和德爾默(Bacic and Delmer, 1981)以及德爾默等人(Delmer et al., 1982) 的研究指出，棉花的膜囊泡或完整的木醋桿菌的膜電位的Δψ(電位組件)崩解，則葡聚糖合成會受到抑制，但ΔpH組成崩解則不會影響。這一發現或許能為上述機制提供一些線索。
無需額外引子即可啟動合成或許能終結關於穀固醇葡萄糖苷(sitosterol glucoside)可作為棉花纖維中纖維素(cellulose) 合成引子的假設。棉花纖維確實能生成固醇二聚、三聚和四聚纖維寡醣(sterol-di-tri-and tetra-cello-oligosaccharides)，但嘗試在阿拉伯芥中證明其起始活性(initiator activity) 均告失敗。然而，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)似乎確實在富含固醇的原生質膜區域中運作，這也是值得進一步研究的一個有前景的領域。
