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-3.4.1

<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-3.4.1

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

(四)壁相關蛋白(Wall-associated proteins)- 3.4.1

1.細胞壁蛋白的類型(Types of cell wall proteins)

植物細胞壁包含多種蛋白質、醣蛋白和蛋白聚醣，執行不同的功能。這些成分可以分為兩大類：不溶性和可溶性壁蛋白，每一類又可細分為多個種類。不溶性蛋白質緊密結合於細胞壁中，通常被認為具有結構性作用，包括富含羥基脯胺酸的蛋白質、延伸蛋白、富含脯胺酸的蛋白質和富含甘胺酸的蛋白質的大家族，這些蛋白質的功能已被深入研究和回顧。可溶性蛋白質包括酵素、凝集素、運輸和防禦相關蛋白質，以及富含羥基脯胺酸的阿拉伯半乳聚糖蛋白質。阿拉伯半乳聚糖蛋白質可分為不溶的或可溶的，這取決於它們是否以共價鍵形式附著於細胞壁聚醣。細胞壁的酶包括聚醣外切和內切水解酶、裂解酶、轉醣苷酶、甲基酯酶和乙醯酯酶、參與木質素聚合作用的過氧化酶和漆酶、酶抑制劑、在角質和蠟合成中作為的脂質轉運蛋白以及蛋白酶。

植物細胞壁中大量富含羥基脯胺酸的蛋白質可依其醣基化程度進行另一種分類方式，其中阿拉伯半乳聚糖蛋白質為高度醣基化，延伸蛋白為中等醣基化，而富含脯胺酸的蛋白質則為低度醣基化。阿拉伯半乳聚糖蛋白質蛋白質含有不連續的羥基脯胺酸殘基，質量約為90%的碳水化合物，而延伸蛋白則具有連續的羥基脯胺酸殘基區域，例如絲胺酸-脯胺酸-脯胺酸-脯胺酸-脯胺酸基序(Ser-Pro-Pro-Pro-Pro motifs)，這些基序會被羥基化並與1到4個阿拉伯呋喃醣殘基進行阿拉伯糖基化。凱利斯澤夫斯基和蘭波特(Kieliszewski and Lamport, 1994)提出的”羥基脯胺酸連續性假說假說”(The “Hyp-contiguity hypothesis”)認為，連續的羥基脯胺酸殘基(如在延伸蛋白中的絲胺酸-羥基脯胺酸4(Ser-Hyp4)序列)是短阿拉伯糖寡醣添加的位點，而重複的非連續羥基脯胺酸殘基(如在阿拉伯半乳聚糖蛋白質中發現)是 II 型阿拉伯半乳聚糖附著的位點。

由於蛋白質序列中存在重疊的序列基序與排列方式，導致以胺基酸序列進行生物資訊學分析(BLAST analysis) 分析時難以準確鑑別大量不溶性蛋白質類群，蕭瓦特等人(Showalter et al., 2010) 遂發展出一種多面向的生物資訊學方法，並鑑定了 166 種阿拉伯芥富含羥基脯胺酸的蛋白質，進一步分類為 85 種阿拉伯半乳聚糖蛋白質、59 種延伸蛋白、18種富含脯胺酸的蛋白質和 4種阿拉伯半乳聚糖蛋白質/延伸蛋白(AGP /EXT)雜合型蛋白。在楊樹中，由於其基因體擴張以及大量的木質次生細胞壁，採用類似方法鑑定出271 種富含羥基脯胺酸的蛋白質，包括 162 種阿拉伯半乳聚糖蛋白質、60 種延伸蛋白和49 種富含脯胺酸的蛋白質。生物資訊學分析還鑑定並區分出具有X-羥基脯胺酸4(X-Hyp4)序列變異(包括 SP3、SP4 和 SP5)的延伸蛋白。此外，還有帶有額外結構域的延伸蛋白雜合蛋白，例如富含脯胺酸的延伸樣受體激酶、帶有延伸蛋白)基序和肌動蛋白結合結構域的形成蛋白(formin)、白胺酸富含重複延展蛋白等雜合-延伸蛋白，以及阿拉伯半乳聚糖蛋白質-延伸蛋白雜合型蛋白。富含羥基脯胺酸的蛋白質重複結構域中的許多脯胺酸被羥基化，並根據重複胺基酸基序，這些脯胺酸可能被嚴重或部分醣基化。富含羥基脯胺酸的蛋白質中的脯胺酸-羥基脯胺酸-纈胺酸-酪胺酸-離胺酸(Pro-Hyp-Val-Tyr-Lys)區域似乎參與分子間交叉鏈接、黏附和內聚，而酪胺酸-X-酪胺酸-X(Tyr-X-Tyr-X)參與異二酪胺酸和普爾切羅胺酸(pulcherosine)共價交叉鏈接和自組裝，這一過程由III 類過氧化酶催化。對共表達醣基轉移酶、脯胺醯4-羥化酶和過氧化酶的分析，分別提供了參與醣基化、脯胺酸羥基化和交叉鏈接的候選酶，這些研究在解析這些關鍵的轉譯後修飾的生物合成途徑方面獲得了進展，而這些修飾對於富含羥基脯胺酸的蛋白質的功能至關重要。

阿拉伯半乳聚糖蛋白質是富含羥基脯胺酸的蛋白質中一個多樣性高、高度醣基化程度高且多功能的子群。來自澳洲的東尼·巴希奇(Tony Bacic)和他的同事對這組有趣且複雜的糖蛋白的研究作出了重要貢獻。阿拉伯半乳聚糖蛋白質存在於所有植物物種中，包括藻類、苔蘚植物和蕨類植物。阿拉伯半乳聚糖蛋白質分為經典型阿拉伯半乳聚糖蛋白質、富含離胺酸型阿拉伯半乳聚糖蛋白質、阿拉伯半乳聚糖胜肽、類成束蛋白型阿拉伯半乳聚糖蛋白質、質體藍素型阿拉伯半乳聚糖蛋白質和嵌合型阿拉伯半乳聚糖蛋白質。在阿拉伯芥中的85種阿拉伯半乳聚糖蛋白質中，有56 種被預測含有C端的糖磷脂醯肌醇錨定序列，該序列將它們引導至原生質膜的外層，據推測，它們會被固定在此處，除非受到磷脂酶的作用而從細胞壁上切離。值得注意的是，「糖磷脂醯肌醇錨定」這個術語是個誤稱，因為植物的醣脂中含有肌醇神經醯胺，而不是動物所含的磷脂醯肌醇。

阿拉伯半乳聚糖蛋白質在選定的羥基脯胺酸殘基上透過大β-1,3-半乳聚糖和β-1,6 支鏈側鏈 (II 型阿拉伯半乳聚糖)進行醣基化，這些側鏈可以進一步以阿拉伯呋喃醣殘基、鼠李糖、半乳糖、岩藻糖和葡萄糖醛酸等糖進行修飾。一些阿拉伯半乳聚糖蛋白質，例如阿拉伯芥AGP57C，也具有共價鍵結的果膠聚醣鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I，該聚糖進一步用同型半乳糖醛酸聚糖延長，產生所謂的果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白質，其中一些還含有共價鍵結的木聚糖 (圖6)。經典型阿拉伯半乳聚糖蛋白質可以用 β-Yariv 試劑沉澱，β-Yariv 試劑已用於檢測壁中的阿拉伯半乳聚糖蛋白質，但由於果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白質具有複雜的糖基化結構，因此對Yariv試劑不具反應性。阿拉伯半乳聚糖蛋白質醣基化具有物種和組織專一性，每個蛋白核心可能攜帶多個阿拉伯半乳聚糖鏈，且每條阿拉伯半乳聚糖鏈有 65 至 142 個醣殘基。雖然在定義特定阿拉伯半乳聚糖蛋白質醣基結構方面持續取得進展，但我們對於在特定細胞類型或不同組織中阿拉伯半乳聚糖側鏈結構的變異，或者不同阿拉伯半乳聚糖蛋白質蛋白核心的醣基化差異仍知之甚少。阿拉伯半乳聚糖蛋白質聚糖結構多樣性是由於不同醣基轉移酶的專一性以及高爾基複合體內可能發生的水解酶的任何聚醣加工所致，最近研究顯示，高爾基體定位的碳水化合物活性酶資料庫(CAZy: Carbohydrate-Active Enzyme Database)GH43 β-1,3-半乳糖基水解酶所可能在高基氏體內局部發揮作用。