<翻譯文章>國立嘉義大學園藝學系 蔡智賢教授(退休)譯
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-3.3.2
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
(三)果膠-3.3.2
2.果膠的生物合成(Biosynthesis of pectins)
阿拉伯芥中同型半乳糖醛酸聚糖由碳水化合物活性酶資料庫的醣基轉移酶中半乳糖醛酸轉移酶(CAZy GT8 GAUT)家族合成，其中半乳糖醛酸轉移酶(GAUT; galacturonosyl transferases) 1、4、10、11、13、14 以及可能更多的成員作為催化同型半乳糖醛酸聚糖生物合成的半乳糖醛酸轉移酶和另外3個(GAUT 5、6、7)則作為半乳糖醛酸轉移酶 1蛋白複合物中的高爾基錨定亞基。
所有催化半乳糖醛酸轉移酶能夠在體外透過受體依賴機制合成聚合同型半乳糖醛酸聚糖，其中一些半乳糖醛酸轉移酶 (如半乳糖醛酸轉移酶13、14 和1)可以去新合成同型半乳糖醛酸聚糖，僅使用尿嘧啶核苷二磷酸-半乳糖醛酸(UDP-GalA)作為供體和受體受質。由於半乳糖醛酸轉移酶 4在柳枝稷莖部以及毛果楊從初生細胞壁向木材形成過渡期間的高表達層次，而被研究其在樹木木材形成和禾草類植物次生細胞壁形成中的作用。下調柳枝稷、毛果楊和水稻中的半乳糖醛酸轉移酶 4表達導致同型半乳糖醛酸聚糖)和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II含量顯著降低，這說明在草本雙子葉植物、禾草類植物和樹木中，半乳糖醛酸轉移酶 4可能合成大部分同型半乳糖醛酸聚糖以及鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II的同型半乳糖醛酸聚糖(骨架。這些結果支持同型半乳糖醛酸聚糖-鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II-同型半乳糖醛酸聚糖(HG-RG-II-HG)的異聚醣存在(圖6C)。有趣的是，這些植物中的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I的含量並未減少，這顯示鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I的合成不依賴於大部分同型半乳糖醛酸聚糖的合成或鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II的合成。在像阿拉伯芥這樣只有單一半乳糖醛酸轉移酶 4同源基因的物種中研究半乳糖醛酸轉移酶 4活性比較困難，因為基因功能喪失可能導致致死性。然而，楊樹和柳枝稷中的半乳糖醛酸轉移酶家族分別擴展為 2 個和 6 個半乳糖醛酸轉移酶 4同源基因，這使得能夠敲低表達量最高的半乳糖醛酸轉移酶 4同源基因並進行表型分析成為可能。在半乳糖醛酸轉移酶 4下調植物中細胞大小的增加支持果膠交叉鏈接基質在植物細胞生長和擴展中的作用假說。
在識別與被取代同型半乳糖醛酸聚糖合成的酶方面已經有一些進展。木糖半乳糖醛酸聚糖缺陷1蛋白被確定為一種醣基轉移酶47的木糖基轉移酶，它將β-木糖基添加到同型半乳糖醛酸聚糖骨架中半乳糖醛酸的3-位置，為探索木糖半乳糖醛酸聚糖在同型半乳糖醛酸聚糖骨架中的生物學意義提供了工具。雖然最初認為木糖半乳糖醛酸聚糖主要存在於果實中，但許多細胞類型中都已發現木糖半乳糖醛酸聚糖。免疫學證據顯示，木糖半乳糖醛酸聚糖可能與植物細胞分離和脫落有關；然而，必須對抗體識別的表位進行全面的特徵分析，才能支持免疫標記結果的功能解釋，這也是許多免疫標記研究中需要謹慎的地方。關於最普遍的被取代同型半乳糖醛酸聚糖的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II的合成知之甚少。已鑑定出三種木糖基轉移酶，它們將將α-木糖(α-xylose)添加到鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II鏈A中L-岩藻糖(RGXT) (GT77) 的3-位置，但編碼其他鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II生物合成酶的基因仍有待鑑定。
同型半乳糖醛酸聚糖的甲基酯化狀態對其體內功能和工業特性具有顯著影響，酯化的模式和程度會影響果膠的凝膠特性、形成果膠酸鈣離子交叉鏈接(cross-link)的能力以及對聚半乳糖醛酸酶酶解的敏感性。因此，人們投入了大量精力尋找能酯化同型半乳糖醛酸聚糖骨架的甲基轉移酶。雖然已經鑑定出許多影響甲基酯含量的突變體，但直到近期才透過對Quasimodo2 的同型半乳糖醛酸聚糖甲基轉移酶活性進行生化確認，才真正開始了解這一重要過程。未來的重要實驗包括確定甲基轉移酶是否與同型半乳糖醛酸聚糖生物合成酶一起形成複合物，以及同型半乳糖醛酸聚糖 在合成過程中甲基酯化程度和模式的調控機制。
合成鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架所需的鼠李糖基轉移酶(屬於GT106家族)和半乳糖醛酸基轉移酶 (屬於GT116家族)的發現，使得在體外合成複雜為體外合成複雜的果膠異型聚醣和果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白質醣蛋白偶聯物(例如阿拉伯木聚糖果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白 1和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I -果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白質(RG-I-AGP) (圖7D))成為可能，同時也為重建富含半乳糖和阿拉伯糖側鏈邁出了重要一步。
要完成複雜的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I 的合成，還需鑑定那些能在骨架上啟動側鏈形成的酶，但這類酶目前仍未被確定。β-1,4-半乳糖聚糖合成酶(，屬於GT92家族)的發現是向前邁出的重要一步，這些酶能延伸半乳糖側鏈，並為研究II型半乳糖聚糖的合成與結構提供了催化劑。有趣的是，研究證實β-1,4 半乳聚糖合成酶1是一種雙功能酶，不僅能延伸β-1,4-半乳糖聚糖(鏈，還能將阿拉伯糖添加到這些鏈上，這種活性被推測可能與鏈的終止有關。來自毛果楊的β-1,4 半乳聚糖合成酶1的三維晶體結構揭示了一種模組化蛋白質結構，包含N端的CBM95 鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架結合結構域、C 端GT92 GT-A摺疊催化結構域，以及參與同源二聚體形成的連接區。藉由比較GT-A折疊結構序列與GT92家族，誘變研究鑑定出一個新的組胺酸作為催化鹼基，以及其他參與β-1,4-半乳聚糖合成和受體結合的胺基酸。這項研究中使用的方法，包括結合分子動力學模擬的對接分析，展示了結構-功能關係與受體專一性研究的工具，這些工具可能加速未來在鑑定與特徵分析參與植物細胞壁合成酶方面的進展。
將基因性喪失功能突變表現型與透過體外異源表達編碼蛋白質序列所測得的酶活性結合，是確認細胞壁醣基轉移酶生化功能的最具決定性證據。透過對阿拉伯聚糖缺陷1 突變體(arabinan deficient 1 mutan)的研究以及分子互補實驗，已經鑑定出兩種可能將α−1,5 鍵結的阿拉伯糖(Ara)添加到鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I側鏈上的假定阿拉伯糖基轉移酶 (ARAD1 和ARAD2)(屬於GT47家族)。雖然這些酶的酶活性尚未獲得生化上的確認，但它們為透過與鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架合成酶共表達，嘗試體外重建複雜的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I結構提供了工具。
對果膠生物合成基因的鑑定，使得細胞壁糖基修飾突變體/變異體的產生成為可能，並透過奈米級成像技術檢測果膠與纖維素相互作用以及半纖維素和果膠在細胞壁中分擔承重功能的假說。在阿拉伯芥莖中，細胞漿的尿嘧啶雙磷酸-葡萄糖表異構酶、高爾基體定位的尿嘧啶雙磷酸-鼠李糖/尿嘧啶雙磷酸-半乳糖轉運蛋白和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖的 β-1,4 半乳聚糖合成酶的共同表達使鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I半乳聚糖含量增加了50%。對C13-標記的高半乳聚糖表達的阿拉伯芥莖進行的多維固態核磁共振分析顯示，次生細胞壁中半乳聚糖與纖維素之間的接近程度增加，研究人員因此推測，半乳聚糖鏈長的增加導致半乳聚糖和纖維素之間的移動接觸增加，以及木聚糖與半乳聚醣在阿拉伯芥次生細胞壁中更長的空間接觸。需要更多研究來了解果膠和纖維素在細胞壁中的分子相互作用程度及重要性，這對於生成有意義的細胞壁模型至關重要。
