<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(5-6)
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(5-6)
(5) 微纖維結構預測蓮座型結構(反之亦然)？(MF structure predicts rosette structure (or vice versa)?)
目前的觀點認為，合成初生細胞壁或次生細胞壁所需的三種不同纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)有兩種模型可以解釋其如何組裝成蓮座型(rosette)結構。一種模型認為，六個葉狀結構(lobes)中，每兩個葉狀結構由纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)同源三聚體組成，這些三聚體在蓮座型(rosette)結構內交替排列；另一種模式則認為，六個葉狀結構(lobes)中，的每個葉狀結構都是由相同的異源三聚體組成，其中每個纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)在葉狀結構(lobes)內具有獨特的功能。截至目前，還沒有明確的答案，但同源三聚體的可能性較大，因為重組次生細胞壁的纖維素合成酶 8 (CESA8 : cellulose synthase 8) (以及最近的纖維素合成酶 7 (CESA7 : cellulose synthase 7)) 能夠輕易形成活性同源三聚體，雖然尚未成功組裝完整的蓮座型(rosette)結構。令人困惑的是，重組水稻(Oryza sativa L.)的纖維素合成酶 8 (CESA8 : cellulose synthase 8)催化結構域(CatD:catalytic domain)可以表現出明顯的依賴氧化還原的二聚體化現象，而范達瓦西等人(Vandavasi et al., 2016)從類似的重組AtCESA1中獲得了三聚體。植物保守區域(PCR:plant-conserved region)晶體結構分析與普魯索塔姆等人(Purushotham et al.,2020)提出的PttCESA8s 三聚體結構非常吻合。然而，斯卡武佐-杜根等人(Scavuzzo-Duggan et al.,2018)和奧萊克等人(Olek et al., 2023)對類特異區域(CSR:class-specific region)的研究認為，關鍵的半胱胺酸殘基可促進二聚體的形成。庫雷克等人(Kurek et al., 2002) 顯示棉纖維纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)環指區域可依賴氧化還原形成同源或異源二聚體，而N-端結構域顯然對活性至關重要，雖然目前尚未能夠成功建立帶有二聚化環指結構域的三聚體模型。
答案可能在於三聚體組裝成蓮座型(rosette)結構的方式。威爾遜等人(Wilson et al., 2021)進一步研究了依賴氧化還原類特異區域(CSR:class-specific region)二聚體化是否為三聚體間的穩定連結之一。從他們對三聚體二聚(dimer of trimers)模型的研究中，可以看出環指結構域二聚體可能在其中形成，並作為穩定三聚體間的連結，這種可能性值得進一步研究。二聚體在某些細胞如棉纖維的分解纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)中顯然占主導地位(Kurek et al., 2002；Wen et al., 2022)，並且有報導稱，當GhCESA7 被敲除時，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex) 降解為GhCESA4-8二聚體，而敲除GhCESA8導致GhCESA4-7二聚體的形成(Wen et al., 2022)。纖維纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase) 4、7 和 8 之間可透過氧化還原機制發生二聚化，而這種相互作用被認為在組裝成完整蓮座型(rosette)結構之前發生。在分解的蓮座型(rosette)結構得到二聚體或三聚體，可能取決於三聚體內依賴氧化還原連結的穩定性相較於三聚體之間可能形成的二聚化連結。
目前的結論是，基本的初生細胞壁微纖維(microfibril)通常由18條鏈組成。模型顯示組裝成微纖維(microfibril)可能基於34,443排列的五層鏈或234,432排列的列六層鏈。然而，已經在北美雲杉(Picea sitchensis (Bong.) Carr.)的研究已提出了令人信服的 24 鏈模型，該模型已被近期研究強力支持，並被認為適用於其他木材次生細胞壁微纖維(microfibril)。海格勒和羅伯茨(Haigler and Roberts, 2019) 撰寫了一篇精彩的分析，探討了蓮座型(rosette)結構和TCs的演化以及微纖維(microfibril)結構與蓮座型(rosette)結構之間的關係。
(6)皮質微管在微纖維定向中的作用(The role of cortical microtubules in orientation of MFs)
或許顯微技術最令人興奮的貢獻是帕雷德斯等人(Paredez et al., 2006)早期研究，它開啟了研究纖維素合成的全新方法。這項研究中，他們將編碼AtCESA6 的 DNA構建體與螢光蛋白融合，並將其引入 cesA6突變體中進行實驗。結果顯示，這些轉化後的細胞內，能夠觀察到在子葉表皮細胞中的移動纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)。這些複合體以恆定速度移動，相當於每分鐘添加300到1000個葡萄糖基殘基，並顯示在原生質膜中的停留時間約為7到10分鐘，這大約是合成一條初生細胞壁葡聚糖鏈所需的時間。且其運動通常是雙向的，並且與原生質膜下方對齊的皮質微管(cortical microtubules)的方向平行。可以想像，早期細胞骨架生物學(cytoskeletal biology)的先驅者，如果能夠親眼看到微管對齊的微纖維(microfibril)合成的實況過程，會有多麼驚訝。雖然初生細胞壁纖維纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)的停留時間很短，但其他研究顯示纖維纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)蛋白相當穩定，顯示它們可能被回收再利用。相較之下，棉纖維的次生細胞壁 纖維纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)半衰期不到 30 分鐘。
經計算，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)的停留時間超過了底層動態微管的停留時間，並且經常觀察到微管會消失，但纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)會繼續沿著同一方向向前運動，這證實了纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)的運動並非依賴某種微管馬達蛋白機制，而是由微纖維(microfibril) 聚合的推動力所驅動。後來，陳和科恩(Chan and Coen, 2020)研究了微管消失後的纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)運動，並證實纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)在駐留時間內保持相同的運動方向，之後新的纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex) 會出現在相同的路徑上，延續前一個纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)的路徑運動；這種模式顯然是由細胞壁中新生微纖維(microfibril)的方向引導的。這種行為在其他情況下的體內也有觀察到，例如在木質部導管發育過程中的纖維素沉積模式最初由纖維素的方向決定，即使纖維素被破壞，該模式仍可長時間持續存在。這些觀察有時被用來論證微管對於引導纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)運動的重要性可能不如想像中那麼大。然而，研究顯示纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)仍然優先沿著微管引導的路徑運動，因為當纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)遇到新的微管時，通常會轉而沿著新微管方向移動。這些研究明確支持了微纖維(microfibril)定向的主要機制(植物細胞各向異性伸長(anisotropic elongation)的一個主要事件)是由皮質微管(cortical microtubules)的定向所控制的。那麼，究竟是什麼決定了微管的重新定向呢？引人注目的發現是，細胞壁中果膠的局部去甲基酯化(de-methylesterification)會預測並引導微管最終採取的方向。其他證據顯示，肌動蛋白微絲與微管相互作用，並且可能在纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)和微纖維(microfibril)定向(尤其是次生細胞壁合成中)方面發揮特殊作用。微管定向可能透過感知張力應力的方向而發生，最近的研究顯示，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)與微管的連接會干擾這種應力誘導的微管重組。
2006 年提出的追蹤體內蓮座型(rosette)結構移動的方法，還揭示了有關纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)運輸的重要信息。研究發現，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)在高爾基體中組裝，並被轉運至原生質膜，在那裡，它們透過纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase) N-端結構域與POM-POM2/纖維素合成酶(cellulose synthase)相互作用蛋白的結合而與皮質微管(cortical microtubules)相連。當纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)被啟動，會在7至10分鐘後停止，然後被內吞。纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)隨後暫時積聚在小型纖維素合成酶(CESA: cellulose synthase)囊泡中，或在溶解性液胞中被降解。在活躍狀態下，纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)的前進運動可能會將微管從其在原生質膜的位置上移開，但研究發現，這種分離可透過皮質微管解偶聯蛋白(cortical microtubules uncoupling proteins)調控，以防止這種情況的發生。此外，一些早期研究數據仍可能具有參考價值。例如，纖維素合成抑制劑2,6-二氯苯甲腈(DCB:2,6-dichlorobenzonitrile)在某種程度上可能透過破壞微管組織而發揮作用，並且一種18 至20 kD 微管相關蛋白(MAP20)也被證實能夠與2,6-二氯苯甲腈(DCB:2,6-dichlorobenzonitrile)的活性光親和類似物結合，這與纖維素合成和微管定向之間複雜的相互作用相吻合。然而，目前仍缺乏直接的基因證據來證明微管相關蛋白(MAP20) 是2,6-二氯苯甲腈(DCB:2,6-dichlorobenzonitrile)在體內內的靶標。另一個令人著迷的發現是，雖然驅動蛋白不控制纖維素合成酶複合體(CSC: cellulose synthase complex)運動，但它們卻參與了高爾基體(Golgi)到原生質膜非纖維素多醣(noncellulosic polysaccharide)的微管運動。其中，一種被稱為脆性纖維1 蛋白(Fragile Fiber 1) (暫譯為脆性纖維1蛋白，是一種微管馬達蛋白(microtubule motor protein)，突變會改變微原纖維(MF: microfibril)的組織結構。)的特定驅動蛋白最近已被證明與皮質微管解偶聯蛋白(cortical microtubules uncoupling proteins)相互作用。研究推測，這種交互作用可能促進基質聚合物在纖維素沉積點附近的局部沉積，這代表了一種可能的關鍵機制，可協調纖維素與非纖維素(noncellulose)聚合物共同沉積。
