resumen
La celulosa es el componente estructural más significativo de la pared celular de la planta. La celulosa, polisacárido que contiene unidades de β (1-4) d-glucosa no ramificadas repetidas, es sintetizada en la membrana plasmática por el complejo de celulosa sintasa (CSC) de bacterias a plantas. El CSC está involucrado en la biosíntesis de microfibrillas de celulosa que contienen 18 proteínas de celulosa sintasa (CesA). Las macrofibrillas se pueden formar con la disposición lado a lado de las microfibrillas., Además, además de CesA, varias proteínas como el KORRIGAN, sacarosa sintasa, componentes citoesqueléticos, y proteínas similares a COBRA han estado involucrados en la biosíntesis de celulosa. Comprender los mecanismos de la biosíntesis de celulosa es de gran importancia no solo para mejorar la producción de madera en árboles forestales económicamente importantes para la humanidad, sino también para el desarrollo de plantas. Este artículo de revisión cubre el conocimiento actual sobre la familia de genes relacionados con la biosíntesis de celulosa.
1., Introducción
la pared celular de la planta es necesaria no solo para que la estructura determine la forma real de las células y las propiedades funcionales para controlar la comunicación celular interna y externa, sino también para el crecimiento general y la expansión de los árboles. La celulosa es el componente más importante de las paredes celulares de las plantas. Debido al enorme aspecto económico beneficioso de la celulosa de los árboles para el papel, la madera, la pulpa y los productos industriales, comprender el mecanismo de la biosíntesis de la celulosa es un objetivo de investigación valioso.
2., Características moleculares de la celulosa
La celulosa es un polímero de glucosa (C6H12O6), rotación 180° de una molécula de glucosa en relación con la siguiente glucosa para formar residuos vinculados a β (1-4), llamados celobiosa (C12H22O11). La cadena de celulosa se compone de una unidad repetidora de celobiosa . La celulosa es sintetizada por enzimas de celulosa sintasa (CesAs) . Las paredes celulares consisten en tres tipos de capas. La lámina media se forma durante la división celular como primera capa., La pared celular está basada en microfibrillas; la pared celular primaria (Pcw) se forma después de la lámina media, pero la pared celular secundaria (Scw) se forma después de la finalización del agrandamiento celular. La pared secundaria a menudo se superpone a S1, S2 y S3 (capas externa, media e interna, resp.) que varían en la orientación de las microfibrillas. S2 es la capa más gruesa con hélices empinadas de microfibrillas, mientras que S1 y S3 están dispuestas en pendiente fibrilar plana . Todas las capas de la pared celular consisten en fases de microfibrilar y matriz., Las microfibrillas tienen un núcleo cristalino y un lado externo menos cristalino, pero la matriz es una fase no cristalina que contiene pectinas y hemicelulosas, lignina y otros polímeros . Los Seis polimorfos cristalinos de celulosa, a saber, I, II,,,, y, se han conocido. La celulosa I y la celulosa II son las formas más comunes de celulosa, mientras que otras aún no se sabe que existan libremente en la naturaleza. La celulosa I O celulosa nativa tiene dos subalomorfos Ia e Iß. Ambos se encuentran en plantas superiores . Los enlaces de hidrógeno intramoleculares son responsables de la rigidez y estabilidad de la celulosa., Microfibrillas de celulosa I que tienen fuertes enlaces de hidrógeno intra e Inter-cadena que hacen que las estructuras de celulosa I y II corran paralelas y antiparalelas al eje largo, respectivamente . El grado de polimerización (DP) es diferente en Pcw y Scw que representan las unidades monoméricas en cada cadena de celulosa que muestra DP bajo, 2000-6000 para la pared celular primaria, y DP alto, 14000 en la pared celular secundaria .
3. Historia y localización cromosómica de CesA
El CesA fue identificado inicialmente en la bacteria gramnegativa Acetobacter xylinus ., En 1996, las proteínas cesa de la planta fueron reconocidas por primera vez en ESTs aisladas de algodón basadas en la homogeneidad de la secuencia a cesa bacteriana . Las proteínas CesA se han localizado en la membrana plasmática. El genoma de Arabidopsis alberga una gran familia de genes de biosíntesis de celulosa, diez genes cesa (CesA1-10) y 29 Csl que codifican genes similares a la celulosa sintasa . El análisis de expresión de Arabidopsis reveló que los genes CesA se expresan en la mayoría de los órganos de las plantas con algunas diferencias a nivel de los tejidos .
4., Características estructurales de Cesa
diferentes rangos de tamaño de genes CesA y aminoácidos en Arabidopsis es de 3.5 a 5.5 kb y 985 a 1088, respectivamente . CesA es relevante para la enzima glucosiltransferasa unida a membrana de la familia 2 (GT-2). La glicosiltransferasa está situada en el dominio citoplasmático entre dos conjuntos de dominio transmembrana. Se identifican ocho TMDs en la proteína cesa de la planta, TM1-2 hacia el N–terminal y TM3-8 hacia el C-terminal. Se sugiere que estas TMDs formen un poro a través de la membrana interna para incrustar la secreción de la cadena de celulosa a través de la pared celular ., En la región conservada,D,D,QXXRW, los dos primeros residuos de ASP (D) ayudan a coordinar el difosfato de uridina, mientras que el tercero D es la base catalítica y el motivo QXXRW (Q Es glutamina, R es arginina, W es triptófano y X es cualquier aminoácido) (Figura 1) ayuda a formar un sitio de unión para el disacárido terminal de la creciente cadena glucana ., Hay una estructura proteica extra específica solo en plantas que consisten en dos (A, B) regiones en el dominio GT: (A) dominios altamente conservados que han sido nombrados región conservada específica de la planta (P-CR) y (B) región conservada específica y región hipervariable (HVR) que han sido llamados región específica de clase (CSR) juntos que se encuentran en la parte media de GT (Figura 1). Sethaphong et al. señaló que los conjuntos de hexámeros y tetrámeros de CesA son posibles funciones de subdominios específicos de la planta y la CSR ha destacado el papel de los dímeros y los cortadores de montaje.,
una comparación entre cesas bacterianas y vegetales muestra que una región N-terminal corta contiene 12 aminoácidos y 208 aminoácidos largos en C-terminal de BcsA, mientras que las cesas vegetales tienen 17-21 aminoácidos cortos largos en C-terminal y 160-260 aminoácidos largos en la región N-terminal con dedo de zinc; 50 aminoácidos largos se asientan en esta región . Kurek et al., en 2002 propuso que el dominio de unión de zinc N-terminal participa en la interacción de proteínas para el ensamblaje de rosetas en algodón; se demostró que dos dominios de dedo de zinc GhCesA1 y GhCesA2 interactúan entre sí para regular el ensamblaje de CesA a través de la dimerización a través de enlaces disulfuro intermoleculares bajo condiciones oxidativas .
5. Los modelos CSC
ya en 1972, los complejos de celulosa sintasa fueron visualizados por microscopía electrónica . Dado que las CSCs se unieron al extremo de las microfibrillas y se observaron en tres filas de partículas ordenadas en alga oocystis apiculata, por lo que Brown Jr., y Montezinos los llamó el complejo terminal lineal (TC) por primera vez. Cuatro años más tarde, no solo se describió por primera vez la conexión entre la roseta y el TC para sintetizar microfibrillas en plantas superiores, sino que también se encontró una forma diferente de sitios de síntesis de celulosa como roseta hexamérica TCs. Las mediciones sugieren que la roseta es de diámetro, contiene seis partículas y cada una de ellas tiene seis polipéptidos de celulosa sintasa para polimerizar seis cadenas de glucano ., La celulosa sintasa utiliza glucósido de sitosterol que es sintetizado por UDP-glucosa como sustrato para la síntesis de microfibril . Ding y Himmel propusieron el modelo de microfibrillas de celulosa que contiene 36 cadenas de glucosa que se compone de cadenas cristalinas y no cristalizadas mediante el uso de microscopía de fuerza atómica (AFM) de visualización directa del tallo de maíz. En estudios de la pared celular primaria, excepto el modelo de 36 cadenas, se han descrito dos modelos alternativos que se aplican a las estructuras de CSCs que contienen los modelos de 24 y 18 cadenas., Los modelos de 24 Cadenas (ocho hojas de tres cadenas), tres polipéptidos CesA, hacen una partícula y ocho partículas hacen una formación de roseta con superficies de trastorno conformacional en lugar de trastornos de empaque. Los modelos de microfibrillas hermanadas de 18 cadenas (seis láminas de tres cadenas) describieron la roseta con seis partículas de tres polipéptidos de celulosa sintasa. Como el área de la sección transversal de las microfibrillas de 36 cadenas era evidentemente mayor que la microfibrilla de pared primaria, este modelo fue un mal ajuste a los datos experimentales. Pero el modelo de microfibrillas de 18 cadenas mostró buenos ajustes a los datos experimentales ., Se cree que la roseta TCs es ensamblada por múltiples CesA en el Golgi y luego transportada a la membrana plasmática en forma activa a la síntesis de celulosa por vesículas citoplasmáticas que se denominan SmaCCs (pequeños compartimentos cesa) o MASCs (compartimentos de celulosa sintasa asociados a microtúbulos), pero luego estos pequeños compartimentos tienen una operación en el reciclaje de proteínas cesa de la membrana plasmática . Múltiples cadenas de glucano pueden ser sintetizadas por múltiples genes de celulosa sintasa en cada TC . La roseta participa tanto en la polimerización de la cadena de glucano como en la cristalización .
6., Genes bacterianos y Arabidopsis que codifican proteínas del complejo de celulosa sintasa
operón complejo de celulosa sintasa bacteriana (Bcs) codifica cuatro genes, BcsA, B, C Y Z. la actividad Bcs A, B y C es necesaria para la síntesis y translocación del polisacárido; BcsZ codifica una celulasa a la producción de celulosa . El reciente estudio sobre genes operónicos de celulosa sintasa (bcsABZC) de especies de Cronobacter confirmó el papel particular de los mutantes bcsA y bcsB en la producción de celulosa y mostró su participación en la formación de biopelículas y la agregación celular ., La síntesis de celulosa en las plantas tiene lugar en el contexto de rosetas más que la fila de TCs que contiene múltiples pasos, iniciación, alargamiento y terminación de la cadena de β-1,4-glucano. Omadjela et al. describe que no hay necesidad de una imprimación para la iniciación de la cadena y no hay necesidad de agregar otras fuentes de energía al ensamblaje de cadenas individuales en una estructura de orden superior para la síntesis de celulosa en las plantas porque la polimerización de UDP-glucosa (rango DP: 200-300) proporciona energía para el crecimiento de la cadena de celulosa a través del poro de la membrana., La expresión de diferentes genes en Arabidopsis demostró que AtCesA4, AtCesA7 y AtCesA8 son necesarios para hacer la pared celular secundaria, mientras que AtCesA1, AtCesA3 y AtCesA6 participan en la biosíntesis de celulosa de la pared celular primaria . AtCesA2, AtCesA5 y AtCesA9 parecen ser parcialmente redundantes con AtCesA6 . No se ha asignado ninguna función precisa a AtCesA10 .,colocar triptófano con un codón stop en la posición 859 y un codón stop en la posición 263 reemplazando una glutamina, respectivamente (Ver Tabla 1); la observación de células xilemas colapsadas como resultado de la mutación en los genes Exigua (exi), que se mapearon a tres subunidades de celulosa sintasa CesA4, CesA7 y CesA8, conduce a bloquear el transporte de agua y reducir el aumento de las células posteriormente aumentó la tolerancia al estrés osmótico que afecta la deposición de la pared celular secundaria ; mutantes Mur10 alteraron la composición de carbohidratos de la pared celular primaria en respuesta a defectos de la pared celular secundaria debido a una mutación en el locus cesa7 ., Las mutaciones en CesA8 (lew2) aumentan el estrés por sequía y acumulan ABA en la pared celular secundaria . Stork et al. reportó el papel definido de CesA9 en las capas de semillas de Arabidopsis; las semillas mutantes de CesA9 contenían 25% de reducción de celulosa y no cambios en otros tejidos. Carroll et al. en un análisis de líneas transgénicas en Arabidopsis se demostró que CesA7 y CesA1 pueden rescatar algún tipo de deficiencia en la biosíntesis de SCW en cesa3 y en la biosíntesis de PCW en el mutante cesa8ko, respectivamente., Los alelos mutantes IXR1 e IXR2 son mutaciones puntuales en los genes CesA3 y CesA6 que confieren resistencia a isoxabeno ; los mutantes CesA1aegeus y CesA3ixr1-2 mostraron una cristalinidad considerablemente reducida y un aumento de la velocidad de CesA en el PM y la resistencia al quinoxifeno fue conferida por CesA1aegeus A903V ; por el contrario, se observó una reducción en la velocidad de CSC en la mutación anisotropia1 d604n missense en CesA1 ; elongación celular reducida que se examinó en Arabidopsis ., Sorprendentemente, tanto la reducción del contenido de celulosa como la respuesta al estrés constitutivo se deben a la acumulación de JA y etileno en el mutante cev1 en CesA3 . La lignificación en células no alineadas en eli1-1 y eli1-2 (CesA3) inhibe la síntesis de celulosa que invoca la sobreproducción de jasmonato y etileno . La reducción en el espesor de la pared celular primaria y secundaria y el contenido de celulosa se ven afectados por una mutación missense que se produjo en la fibra frágil 5 (fra5), un mutante dominante de AtCesA7, mientras que ni el espesor de la pared celular ni el contenido de celulosa se ven afectados en forma de mutante fra6 de AtCesA8 .,tr>
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7. Los Genes no CesA involucrados en la biosíntesis de celulosa
curiosamente, aparte de las proteínas cesa, el KORRIGAN, la sacarosa sintasa (SuSy), los microtúbulos y los citoesqueletos de actina, y las proteínas similares a COBRA están involucrados indirectamente en la biosíntesis de celulosa (Figura 1). Se cree que la endo-1,4-β-D-glucanasa unida a la membrana (KOR) tiene un papel de edición y monitoreo en la conversión de la cadena de glucano para liberar microfibrillas de celulosa recién sintetizadas y eliminar las cadenas de glucano defectuosas del conjunto de microfibrillas ., En teoría, la mutación en KOR puede alterar la cristalización de las microfibrillas de celulosa . Liebminger et al. mencionó que la activación de A. thaliana KOR1 depende de la utilización de ocho sitios de N-glicosilación en el dominio extracelular. PtrKOR1 y GhKOR1 se involucran en la formación de celulosa de la pared celular secundaria en Populus tremuloides, la celularización del endospermo y el desarrollo embrionario en el algodón (Gossypium hirsutum) a través de la supresión del Arni .,
el papel estratégico de la sacarosa sintasa asociada a la membrana plasmática (P-SUSY) en el desarrollo de fibras de algodón (Gossypium hirsutum) en la canalización de la UDP-glucosa a la celulosa sintasa de la sacarosa se ilustró por primera vez en 1995 ; la UDP formada a partir de la UDP-G puede reciclarse de nuevo a SUSY (Figura 1)., La mutación en sus (1-4) en Arabidopsis muestra menos actividad de SuSy en todas las células no en el floema y sorprendentemente no se encontró deficiencia de celulosa, mientras que los mutantes sus5/sus6 mostraron reducción de Callosa en el cribado de placas, pero el crecimiento de la planta se vio gravemente afectado por la invertasa mutante (INV), recomendando que la catálisis de sacarosa puede necesitar invertasa citosólica en lugar de SuSy . Pero después de dos años Baroja-Fernández et al. evidenció el posible papel de la actividad de la sacarosa sintasa en la biosíntesis de celulosa bajo condiciones óptimas de pH 7.0.,
la relación entre el citoesqueleto (microtúbulos corticales y actina) y la localización y movimiento del CSC ha sido el tema en la mayoría de los estudios. El MTs es otro jugador clave en la morfogénesis de las células vegetales. Gardiner et al. mostró la colocalización de las tres proteínas AtCesA4 (IRX5), AtCesA7 (IRX3) y AtCesA8 (IRX1) con bandas de microtúbulos corticales en vasos xilémicos en desarrollo con GFP. Pero los microfilamentos de actina se localizan con las proteínas CesA en regiones de engrosamiento de la pared celular., El tráfico intracelular y la localización de la membrana plasmática del CSC durante la formación de la pared celular secundaria fueron apoyados por imágenes de células vivas de la fusión de proteínas etiquetadas fluorescentemente . La hipótesis de alineación describe que los microtúbulos pueden controlar la alineación de la deposición de microfibrillas de celulosa en la membrana plasmática; sin embargo, los resultados del examen de polimerización y despolimerización de MTs con tratamiento corto por taxol y orizalin, respectivamente, no concuerdan con la hipótesis de alineación porque no se observaron cambios en la orientación de las microfibrillas de celulosa . Li et al., se investigó el papel de la proteína interactiva cesa 1 (CSI1) como proteína enlazadora en asociación entre complejos cesa y microtúbulos corticales in vivo. Basado en el resultado de Zhong et al. el FRA1, proteína de unión de microtúbulos similar a la cinesina, mutante hizo deposición de alteración de microfibrillas de celulosa en paredes celulares de fibra en Arabidopsis. El tráfico intracelular de CSC por filamentos de actina ha sido sugerido por Wightman y Turner para controlar la entrega de CSC a la PM para mantener una deposición patrón adecuada del Scw., Recientemente, se investigó la coordinación dinámica entre AF y MT utilizando una sonda de doble etiqueta en la célula vegetal de interfase .
un papel de la mutante COBRA (cob) en la regulación de la orientación de la expansión celular se asoció con una pantalla para Arabidopsis con raíces expandidas por defecto por primera vez en 1993 . Las raíces cortas e hinchadas resultaron de mutaciones en la MAZORCA. Codifica una proteína putativa anclada a GPI que es necesaria para la expansión celular orientada en Arabidopsis. COBRA causa el alargamiento celular y la reducción en el contenido de celulosa cristalina., También se ha identificado en asociación con la deposición de microfibrillas de celulosa en el tejido radicular . Los miembros de la familia de genes COBL2, COBL6, COBL9, COBL10 y COBL11 se requieren para la deposición de celulosa cristalina orientada durante el desarrollo de la semilla, los pelos de la raíz y el alargamiento del tubo de polen en PCW, respectivamente, mientras que el COBL4 se identificó durante la formación del sistema vascular en las células del xilema . Como irx6 es un miembro de la familia del gen COBRA (COBL4), también regula el crecimiento continuo de las células y manifiesta una disminución del contenido de celulosa cristalina en las paredes celulares de la raíz .
8., Conclusión
a pesar de los numerosos estudios y avances en la comprensión del mecanismo de biosíntesis de celulosa en plantas superiores, todavía hay muchas preguntas pendientes. ¿Cuántas proteínas son necesarias para el proceso de síntesis de celulosa? ¿Cómo puede cada planta regular la síntesis de celulosa? ¿Cómo es la posición de CesA en el complejo de síntesis de celulosa? ¿Cómo controla una célula vegetal la cristalización de microfibrillas? La investigación de la estructura de la celulosa y los genes clave involucrados en la síntesis de celulosa puede ser importante debido a la amplia utilización del producto de celulosa en la vida diaria.,all
los Intereses contrapuestos
Los autores declaran que no existen conflictos de intereses con respecto a la publicación de este documento.
agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por el programa académico prioritario de desarrollo de las instituciones de Educación Superior de Jiangsu, China.
