<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-3.2.3
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
(二)半纖維素 -3.2.3
3.半纖維素的生物合成(Biosynthesis of hemicelluloses)
基質多醣的生物合成，包括半纖維素和果膠，發生在高爾基體(Golgi)。它涉及一系列複雜的過程，通常每種聚合物中的每一種鍵結都需要不同的生物合成酶。過去 20 年的研究結果顯示，植物細胞使用三種不同的策略來合成基質多醣骨架。第一個策略是由類纖維素合成酶F(CSLF)合成的混合鍵接葡聚糖(MLG)，類纖維素合成酶F(CSLF)是與纖維素合成酶(CESA)和纖維素合成酶D(CSLD)蛋白密切相關的蛋白。類纖維素合成酶F(CSLF)是一種聚醣合成酶其作用與先前描述的纖維素合成酶(CESA)蛋白類似。第二種策略以甘露聚糖和木葡聚糖(XyG)為例，它們分別由類纖維素合成酶A(CSLA)和類纖維素合成酶C(CSLC)合成。這些蛋白質也是聚醣合成酶，但與纖維素合成酶(CESA)的關係較遠。它們與纖維素合成酶(CESA)、類纖維素合成酶D(CSLD)和類纖維素合成酶F(CSLF)蛋白不同的是，這些蛋白與醣基轉移酶(GT)協同運作，向生長中的骨幹添加側鏈。第三種策略本質上不同，因為木聚糖和果膠聚醣的骨架是由醣基轉移酶(GT)複合物在高爾基體腔(Golgi lumen)中合成的。在這些情況下，醣基轉移酶(GT)複合物負責組裝骨架，而其他的醣基轉移酶(GT)則在骨幹上添加側鏈。
在過去的 20 年來，研究人員利用產生大量上述單一多醣的系統來鑑定負責其合成的基因和蛋白質，其方式類似於棉花研究，從而鑑定了纖維素合成酶(CESA)蛋白質(Pear et al., 1996)。達加(Dhugga)及其同事(2004)使用發育中的瓜兒豆種子，該種子儲存大量半乳甘露聚糖，從而識別出負責合成甘露聚糖骨幹的類纖維素合成酶A(CSLA)基因。科庫隆等人(Cocuron et al., 2007)使用發育中的金蓮花種子來產生大量木葡聚糖(XyG)，以鑑定負責木葡聚糖(XyG)骨架合成類纖維素合成酶C(CSLC)基因。為了合成鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I(RG-I)的骨架(參見下面有關果膠的部分)，竹中等人(Takenaka et al., 2018)研究了黏液產生缺陷的突變阿拉伯芥植物，識別出合成鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I(RG-I)所需的鼠李糖轉移酶。此策略也已用於識別添加側鏈糖殘基所需的醣基轉移酶(GT)。
由於醣基轉移酶(GT)主要是第II 型膜蛋白，其活性位點位於高爾基體腔(Golgi lumen)內，因此它們利用腔內存在的核苷酸醣來進行多醣合成。因此，多醣合成過程中需要高爾基體定位(Golgi-localized)的醣核苷酸轉運蛋白。如前所述，各種核苷二磷酸醣(NDP-sugar)是由尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc)透過細胞質或高爾基體膜(Golgi membrane)中存在的一組複雜途徑合成的。另一方面，聚醣合成酶，包括大多數類纖維素合成酶(CSL)蛋白，具有多個膜跨區域；這些酵素接受細胞漿中核苷酸醣的醣，並在合成過程中將新生聚合物轉運至高爾基體腔(Golgi lumen)，醣基轉移酶(GT)在此根據需要添加側鏈糖。新合成的多醣透過膜囊泡從高爾基體腔(Golgi lumen)移動到細胞表面，膜囊泡與原生質膜融合，將聚合物釋放到細胞壁基質中。然而，人們對高爾基體(Golgi)合成的多醣如何組裝成功能性細胞壁所知甚少。以下將介紹每種類型半纖維素的生物合成概況。
(1)甘露聚糖
發現甘露聚糖合成酶後不久，萊普曼等人(Liepman et al., 2005)證明阿拉伯芥類纖維素合成酶A(CSLA)基因家族的幾個成員在培養的昆蟲細胞中表現時具有甘露聚糖合成酶或葡甘露聚糖合成酶活性。隨後，來自其他物種的類纖維素合成酶A(CSLA)基因家族成員被證明負責甘露聚糖生物合成，並假設所有類纖維素合成酶A(CSLA)基因都編碼甘露聚糖合成酶。值得注意的是，與尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc)不同，鳥苷二磷酸甘露糖(GDP-Man)和鳥苷二磷酸葡萄糖(GDP-Glc)用於骨架合成。
(2)木葡聚糖(Xyloglucan)
金蓮花和阿拉伯芥類纖維素合成酶C(CSLC)基因的互補DNA(cDNA)克隆在畢赤酵母菌中表達，導致細胞產生β-1,4 鍵結葡聚糖，因此推斷這些基因可能編碼產生木葡聚糖(XyG)骨架的聚醣合成酶。由於畢赤酵母菌不會產生尿苷二磷酸木糖(UDP-Xyl)，因此無法確認這些聚醣合成酶是否確實負責木葡聚糖(XyG)生物合成，雖然有幾個證據支持這一結論。後來，金等人(Kim et al.. 2020)證明了一個五重突變體，其所有5個阿拉伯芥類纖維素合成酶C(CSLC)均被破壞，導致木葡聚糖(XyG)濃度不可檢測，從而提供了有力的證據顯示類纖維素合成酶C(CSLC)基因負責木葡聚糖(XyG)的生物合成。這些和其他缺乏木葡聚糖(XyG)的突變體的表現型在下文中有進一步描述。
甘露聚糖和木葡聚糖(XyG)的生物合成在許多方面具有相似性。在骨架合成方面，類纖維素合成酶A(CSLA)和類纖維素合成酶C(CSLC)基因家族具有序列相似性和共同的演化起源，但在演化上與纖維素合成酶(CESA)超家族的其他亞群有所區別。利特爾等人(Little et al., 2018)認為，這種聯繫的缺乏反映了“…該超家族可能具有雙重內共生起源”，其中類纖維素合成酶A(CSLA)和類纖維素合成酶C(CSLC)來自一次內共生事件，而纖維素合成酶(CESA)、類纖維素合成酶D(CSLD)和 類纖維素合成酶F(CSLF)則來自另一個不同的內共生事件。鍵結到每個聚合物6-位上的側鏈，則是由碳水化合物活性酶資料庫(CAZy)家族中的糖苷轉移酶家族34(GT34)添加的，這些酵素在序列和生化特性上也表現出相似性。游等人(Yu et al., 2022)對兩種聚合物的結構和生物合成相似性進行了詳細闡述，並指出它們可能具有類似功能的證據，例如在缺乏木葡聚糖(XyG)的突變體中，甘露聚糖可能可以替代木葡聚糖(XyG)。
如上所述，木葡聚糖(XyG)的側鏈取代具有複雜的組合。過去20年的研究中，研究人員已對負責這些側鏈添加的基因與蛋白質有了相當深入的了解。由於這方面的研究已在數篇綜述中有詳細記載，在此我們僅簡要地說明正向和反向基因學在識別負責側鏈添加的基因與蛋白質，以及理解多醣與其側鏈功能上的重要角色。
這段研究起點始於克里斯 薩默維爾(Chris Somerville)的實驗室，該實驗室鑑定出數個細胞壁成分異常的阿拉伯芥突變株。其中一種名為mur2的突變株，由於其含有較少的岩藻糖，促成研究人員辨識出負責將岩藻糖添加至木葡聚糖(XyG)側鏈的基因。另一個突變株mur3則被證實編碼一種半乳糖基轉移酶，該酶負責將半乳糖添加木葡聚糖(XyG)中岩藻糖附著的位置(圖4)。此外，研究人員也透過反向基因學，分離出編碼木葡聚糖木糖基轉移酶(XXT)基因的突變體。如後文將詳細說明，這些突變株也被用來評估木葡聚糖(XyG)的功能。
(3)混合鍵接葡聚糖(MLGs: Mixed-linkage glucans)
早期對於混合鍵接葡聚糖(MLG)生合成的研究重點在於確認其是否由一種獨特的酶合成的。如前所述，對纖維素生物合成的早期研究已鑑定出可形成β-1,3 及 β-1,4 鍵結的酵素製劑。當時的問題是混合鍵接葡聚糖(MLG)是否由兩種不同酵素的協同作用合成的，還是一種能形成兩種鍵結的單一酶所合成。布魯斯·斯通(Bruce Stone)是植物細胞壁生物化學領域令人難忘的重要貢獻者。他既風趣且充滿鬥志，對植物中的 β-葡聚糖具有百科全書般的知識，甚至在撰寫兩大卷專著時讓與他合作的兩組作者都筋疲力竭。布魯斯·斯通(Bruce Stone)和其同事透過辨識並部分鑑定出一種能夠產生混合鍵接葡聚糖(MLG)的酵素活性，解決了關於一種或兩種酵素的問題。多年後，布魯斯·斯通(Bruce Stone)也是發表發現負責混合鍵接葡聚糖(MLG)合成的類纖維素合成酶F(CSLF)基因與蛋白質的論文共同作者之一。多布林等人(Doblin et al., 2009)提供的證據，顯示禾草特有的類纖維素合成酶H(CSLH)基因也編碼能夠編碼具有混合鍵接葡聚糖(MLG)合成能力的蛋白質。類纖維素合成酶F(CSLF)和類纖維素合成酶H(CSLH)基因皆與纖維素合成酶(CESA)基因相關性較為接近，而與類纖維素合成酶A(CSLA)和類纖維素合成酶C(CSLC)基因的相關性則較為遙遠。雖然關於混合鍵接葡聚糖(MLG)生物合成的細節仍有許多未解之處，但最近使用大麥類纖維素合成酶F(CSLF)蛋白的體外研究顯示，單一酶可同時合成混合鍵接葡聚糖(MLG)中的兩種鍵結。分分子建模和誘變實驗更進一步辨識出酶中位於葡聚糖通道靠近細胞漿一側的蛋白質區域，該區域負責控制聚合物中 β-1,3 鍵結的頻率。
(4)木聚糖
如上所述，木聚糖生物合成方式與其他半纖維素的生物合成截然不同。大多數編碼木聚糖合成酶蛋白的基因，是透過正向基因篩選識別出來的，這些基因突變會改變木質部的功能，這類突變體被稱為irx突變體(不規則的木質部突變體(irregular xylem mutant))。木聚糖骨架由醣基轉移酶(GT)和相關蛋白的複合物合成，這些蛋白質具有一個跨膜結構域或者不具有跨膜結構域。這些基因編碼的蛋白屬於碳水化合物活性酶資料庫(CAZy)分類中的GT47和GT43家族。木聚糖骨架的合成需要三種功能非冗餘(必要)蛋白質協同合作，共同組成木聚醣合酶複合體，這三種蛋白包括IRX10，或相關的蛋白質例如 IRX10L，屬於碳水化合物活性酶資料庫(CAZy)家族 GT47，加上 IRX9 和 IRX14，或相關的蛋白質屬於碳水化合物活性酶資料庫(CAZy)家族 GT43。這些蛋白質在木聚醣合酶複合體中的確切作用仍未完全了解。目前的共識是IRX10及其相關蛋白質具有木糖基轉移酶活性，並提供活性位點以連接骨架中的木糖基殘基。大多數(或可能是全部)IRX10 和相關蛋白缺乏跨膜結構域。它們被認是透過與IRX9 和/或 IRX14 蛋白質的結合，附著在高基氏體膜上。IRX9 與 IRX14 則是典型的第二型膜蛋白，具有單一穿膜區段，錨定在高基氏體膜中。不過，目前仍不確定 GT43 家族蛋白是否也具有木糖基轉移酶活性，或者是否在木聚醣合酶複合體中扮演其他輔助性角色。在不同的植物物種、組織類型，以及在合成初生細胞壁或次生細胞壁的木聚糖時，這些蛋白家族的成員也會有所不同。安德斯等人(Anders et al., 2023)推測，不同基因家族的成員在初生細胞壁和次生細胞壁的木聚糖合成過程中，扮演著不同的角色，這類似於纖維素合成酶(CESA)家族成員的情況。
除了參與木聚糖骨架合成的各種蛋白質外，高爾基體膜(Golgi membrane)中還含有多種不同的醣基轉移酶(GT)，負責將側鏈添加倒木聚糖上，這些酶包括碳水化合物活性酶資料庫(CAZy)家族GT8家族的葡萄糖醛酸基轉移酶和屬於 GT61家族的阿拉伯糖基轉移酶。由於木聚糖，尤其是次生細胞壁中的木聚糖，具有高度乙醯化，因此高爾基體膜(Golgi membrane)中還含有幾種不同的酶，包括乙醯轉移酶，以及其他參與木聚糖與細胞壁基質多醣乙醯基酯化的酶，其中包括下一部分將描述的果膠的乙醯酯化。
