Abstract
Celuloza este cea mai semnificativa componenta structurala a peretelui celular al plantei. Celuloza, polizaharidă care conține unități repetate de β (1-4) D-glucoză neramificate, este sintetizată la membrana plasmatică de complexul de sintetază de celuloză (CSC) de la bacterii la plante. CSC este implicat în biosinteza microfibrilelor de celuloză care conțin 18 proteine de sintetază de celuloză (CesA). Macrofibrilele pot fi formate cu dispunerea laterală a microfibrilelor., În plus, pe lângă CesA, diferite proteine precum KORRIGAN, zaharoză sintază, componente citoscheletice și proteine asemănătoare COBRA au fost implicate în biosinteza celulozei. Înțelegerea mecanismelor biosintezei celulozei are o importanță deosebită nu numai pentru îmbunătățirea producției de lemn în arbori forestieri importanți din punct de vedere economic pentru omenire, ci și pentru dezvoltarea plantelor. Acest articol de revizuire acoperă cunoștințele actuale despre familia de gene legate de biosinteza celulozei.
1., Introducere
peretele celular al plantelor este necesar nu numai pentru ca structura să determine forma reală a celulelor și proprietățile funcționale pentru a controla comunicarea celulară interioară și exterioară, ci și pentru creșterea generală și expansiunea copacilor. Celuloza este cea mai importantă componentă a pereților celulelor vegetale. Datorită aspectului economic enorm benefic al celulozei arborelui pentru hârtie, Cherestea, celuloză și produse industriale, înțelegerea mecanismului biosintezei celulozei este un obiectiv de cercetare valoros.
2., Caracteristicile moleculare ale celulozei
Celuloza este un polimer al glucozei (C6H12O6), rotația 180° a unei molecule de glucoză în raport cu următoarea glucoză pentru a forma reziduuri legate de β (1-4), numite celobioză (C12H22O11). Lanțul de celuloză este alcătuit dintr-o unitate repetată de celobioză . Celuloza este sintetizată de enzimele sintetazei celulozei (CesAs) . Pereții celulari constau din trei tipuri de straturi. Lamela mijlocie se formează în timpul diviziunii celulare ca prim strat., Peretele celular este pe bază de microfibril; peretele celular primar (Pcw) se formează după lamela mijlocie, dar peretele celular secundar (Scw) se formează după finalizarea extinderii celulare. Peretele secundar este adesea stratificat la S1, S2 și S3 (straturile exterioare, medii și interioare, resp.) care variază în orientarea microfibrilelor. S2 este cel mai gros strat cu spirale abrupte de microfibrili, în timp ce S1 și S3 sunt dispuse în pantă fibrilară plană . Toate straturile peretelui celular constau din faze microfibrilare și matrice., Microfibrilele au un miez cristalin și partea exterioară mai puțin cristalină, dar matricea este o fază necristalină care conține pectine și hemiceluloze, lignină și alți polimeri . Cele șase polimorfe cristaline ale celulozei, și anume, I, II , , , și , au fost cunoscute. Celuloza I și celuloza II sunt cele mai comune forme de celuloză, în timp ce altele nu sunt încă cunoscute că există liber în natură. Celuloza i sau celuloza nativă are două subalomorfe Ia și Iß. Ambele se găsesc în plante superioare . Legăturile de hidrogen intramolecular sunt responsabile pentru rigiditatea și stabilitatea celulozei., Celuloza microfibrils eu am puternică intra – și interchain legături de hidrogen care face celuloză structurile I și II alerga paralel și antiparalel cu axa lungă, respectiv . Gradul de polimerizare (DP) este diferit în Pcw și Scw, care reprezintă unitățile monomerice din fiecare lanț de celuloză care prezintă DP scăzut, 2000-6000 pentru peretele celular primar și DP ridicat, 14000 în peretele celular secundar .
3. Istoricul și localizarea cromozomială a CesA
CesA a fost inițial identificată în bacteria gram-negativă Acetobacter xylinus ., În 1996, proteinele Cesa din plante au fost recunoscute pentru prima dată în ESTs izolate din bumbac pe baza omogenității secvenței la Cesa bacteriană . Proteinele CesA au fost localizate în membrana plasmatică. Genomul Arabidopsis găzduiește o familie mare de gene de biosinteză a celulozei, zece gene CesA (CesA1–10) și 29 Csl care codifică gene asemănătoare sintazei celulozei . Analiza expresiei Arabidopsisului a arătat că genele CesA sunt exprimate în majoritatea organelor plantelor, cu unele diferențe la nivelul țesutului .
4., Caracteristici structurale ale CesA
gama diferită de gene CesA dimensiune și aminoacizi în Arabidopsis este de la 3,5 la 5,5 kb și 985 la 1088, respectiv . CesA este relevant pentru familia 2 (GT-2) de glicoziltransferază legată de membrană . Glicoziltransferaza este situată pe domeniul citoplasmatic între două seturi de domeniu transmembranar. Opt TMD-uri sunt identificate în proteina Cesa din plante, TM1-2 spre N–terminus și TM3-8 spre C-terminus. Aceste TMD-uri sunt sugerate pentru a forma un por peste membrana interioară pentru a încorpora secreția lanțului de celuloză prin peretele celular ., În regiune conservată, D,D,D,QXXRW, primele două ASP(D) reziduuri ajuta la coordonarea uridin difosfat, în timp ce al treilea D este catalitic de bază și QXXRW motiv (Q este glutamina, R este arginina, W este de triptofan, iar X este orice amino-acid) (Figura 1) ajută la formarea unui site cu caracter obligatoriu pentru terminal dizaharid de creștere glucan lanț ., Acolo este specific suplimentar structura de proteine numai din plante care constau din două (a, B), regiuni în GT domeniu: (A) înalt conservată domenii care au fost denumite plante specifice regiune conservată (P-CR) și (B) specifice regiune conservată și hypervariable regiune (HVR), care au fost numite de clasă anumită regiune a întreprinderilor (RSI) care împreună stau în mijlocul parte din GT (Figura 1). Sethaphong și colab. remarcat CesA hexamer și tetramers ansambluri sunt posibile rolul de plante specifice subdomeniile și CSR a evidențiat rolul pentru dimeri și trimmere de asamblare.,
O comparație între bacterii și plante CesAs arată că un scurt N-terminal regiune conține 12 aminoacizi și 208 aminoacizi în C-terminal al BcsA, în timp ce planta CesAs scurt 17-21 aminoacizi în C-terminal și 160-260 aminoacizi în N-terminal regiune cu deget de zinc; 50 de aminoacizi este stabilit în această regiune . Kurek și colab., în 2002 a propus ca N-terminal de zinc-un domeniu de legare împărtășește în proteine interacțiune pentru rozeta de asamblare din bumbac; două GhCesA1 și GhCesA2 deget de zinc domenii s-au dovedit a interacționa cu alte fiecare pentru a reglementa CesA asamblare prin dimerizare prin legături disulfidice intermoleculare în condiții de oxidare .
5. Modelele CSC
încă din 1972, complexele de sintetază de celuloză au fost vizualizate prin microscopie electronică . Deoarece CSCs au fost atașate la sfârșitul microfibrils și au fost observate în trei rânduri ordonate particule în alga Oocystis apiculata, deci Brown Jr., și Montezinos le-a numit pentru prima dată complexul terminal liniar (TC). Patru ani mai târziu, nu numai legătura între rozeta și TC pentru a sintetiza microfibrils în plantele superioare fost descris de îngheț fractură pentru prima dată, dar, de asemenea, o altă formă de celuloză sintetizarea site-uri a fost găsit ca hexameric rozeta TCs. Măsurătorile sugerează că rozeta este în diametru, conținând șase particule, fiecare dintre ele având șase polipeptide de sintetază de celuloză pentru a polimeriza șase lanțuri de glucan ., Celuloza sintaza utilizeaza sitosterolul glucozid care este sintetizat de UDP-glucoza ca substrat pentru sinteza microfibrilului . Ding și Himmel au propus modelul microfibrilului de celuloză care conține 36 de lanțuri de glucoză care este compus atât din lanțuri cristaline cât și necristaline prin utilizarea microscopiei Forței Atomice (AFM) de vizualizare directă a tulpinii de porumb. În studiile asupra peretelui celular primar, cu excepția modelului cu 36 de lanțuri, au fost descrise două modele alternative care se aplică structurilor CSC care conțin modelele cu 24 de lanțuri și 18 lanțuri., Modelele cu 24 de lanțuri (opt foi cu trei lanțuri), trei polipeptide CesA, fac o particulă și opt particule fac o formare de rozetă cu suprafețe de tulburare conformațională, mai degrabă decât tulburări de ambalare. Modelele cu microfibrile înfrățite cu 18 lanțuri (șase foi cu trei lanțuri) au descris rozeta cu șase particule de trei polipeptide de sintetază de celuloză. Deoarece aria secțiunii transversale a microfibrilelor 36 de lanțuri au fost evident mai mari decât microfibrilul peretelui primar, acest model a fost o potrivire slabă a datelor experimentale. Dar modelul de microfibrili cu 18 lanțuri a arătat o potrivire bună cu datele experimentale ., Rozeta TCs sunt considerate a fi asamblate de către mai multe CesA în Golgi și apoi transportate spre membrana plasmatică în formă activă de celuloză sinteza de vezicule citoplasmatice care sunt denumite SmaCCs (Mici CesA Compartimente) sau MASCs (Dublete, Asociat Celuloză Sintetazei Compartimente), dar apoi aceste compartimente mici au o operațiune de reciclare CesA proteinele din membrana plasmatică . Lanțurile multiple de glucan pot fi sintetizate prin mai multe gene de sintetază de celuloză în fiecare TC . Rozeta participă atât la polimerizarea lanțului glucan, cât și la cristalizare .
6., Bacteriene și Arabidopsis Gene Care Codifica Proteine de Celuloză Sintetazei Complexe
celuloza Bacteriană sintetazei (Bcs) complex operon codifică patru gene, BcsA, B, C, și Z. Bcs a, B, și C activitate este necesar pentru sinteza și translocare a polizaharidului; BcsZ codifică o celulazelor la producția de celuloză . Recentul studiu privind celuloză sintetazei operon gene (bcsABZC) de Cronobacter specii confirmat rolul special al bcsA și bcsB mutanți în producția de celuloză și-a arătat implicarea în formarea biofilmelor celulare și agregare ., Sinteza celulozei în plante are loc în contextul rozetelor mai mult decât rândul TCs care conține mai multe etape, inițierea, alungirea și terminarea lanțului β-1,4-glucan. Omadjela și colab. descris că nu există nici o cerință pentru un primer pentru lanțul de inițiere și nu este nevoie pentru a adăuga alte surse de energie la asamblarea individuale lanțuri într-un ordin superior structura de celuloză sinteza în plante, deoarece polimerizarea UDP-glucoză (DP gama: 200-300) oferă energie pentru creștere celuloză lanț prin membrana porilor., Expresia de gene diferite în Arabidopsis au demonstrat că AtCesA4, AtCesA7, și AtCesA8 sunt necesare pentru a face secundară a peretelui celular, în timp ce AtCesA1, AtCesA3, și AtCesA6 ia parte la biosinteza celuloză primară a peretelui celular . AtCesA2, AtCesA5, și AtCesA9 par a fi parțial redundante cu AtCesA6 . Nu a fost atribuit niciun rol precis AtCesA10 .,introducerea triptofan cu un codon stop la poziția 859 și codon stop la poziția 263 înlocuirea unui glutamina, respectiv (a se vedea Tabelul 1); de observare a prăbușit xylem celule care rezultă din mutații în Exigua (exi) de gene, care au fost mapate la trei celuloză sintetazei subunități CesA4, CesA7, și CesA8, duce la blocarea transport de apă și redus de celule extindere ulterior îmbunătățită de toleranță la stresul oxidativ, care afectează secundar perete celular de depunere ; Mur10 mutanți modificat de celule primare de perete compoziția de carbohidrați ca răspuns la celulă secundară defecte de perete din cauza unei mutații în CesA7 locus ., Mutațiile în CesA8 (lew2) sporesc stresul secetei și acumulează ABA în peretele celular secundar . Stork și colab. a raportat rolul definit pentru CesA9 în straturile de semințe Arabidopsis; semințele mutante CesA9 conțineau o reducere de celuloză de 25% și nicio modificare a altor țesuturi. Carroll și colab. într-o analiză de linii transgenice în Arabidopsis au demonstrat că CesA7 și CesA1 poate salva un fel de deficiență în SCW biosinteza în cesa3 și în PCW biosinteza în cesa8ko mutant, respectiv., IXR1 și IXR2 alele mutante sunt mutații punctiforme în CesA3 și CesA6 gene care conferă isoxaben rezistență ; CesA1aegeus și CesA3ixr1-2 mutanți arătat redus considerabil cristalinitate și a crescut CesA viteza in PM si rezistenta la quinoxyphen a fost conferită de către CesA1aegeus A903V ; în schimb, reducerea CSC viteza a fost observată în anisotropy1 D604N mutatie missense în CesA1 ; prc1-1 nul CesA6 mutant cauzate de celuloză deficit care rezultă în reducerea alungirea celulelor care a fost examinat în Arabidopsis ., În mod surprinzător, atât de celuloză de reducere a conținutului constitutiv și răspunsul la stres se datorează acumulării de JA și etilenă în cev1 mutant în CesA3 . Lignification în nonlignified celule în eli1-1 și eli1-2 (CesA3) inhibă celuloză sinteza care invocă supraproducție de jasmonate și etilenă . Reducerea în primare și secundare grosimea peretelui celulei și conținutul în celuloză sunt afectate de o mutatie missense care a avut loc în fibre fragile 5 (fra5), o dominantă mutant de AtCesA7, în timp ce nici grosimea peretelui celulei și nici conținutul în celuloză este afectată în fra6 formă mutantă de AtCesA8 .,tr>
lew2-2 L792F
exi1-2 G508E
7. Non-CesA de Gene Implicate în Biosinteza Celuloză
foarte Interesant, în afară de CesA proteine, KORRIGAN, zaharoză sintetazei (SuSy), microtubuli și actina cytoskeletons, și COBRA-cum ar fi proteine sunt implicate în biosinteza celuloză indirect (Figura 1). Se crede că endo-1,4-β-D-glucanaza legată de membrană (KOR) are rol de editare și monitorizare în conversia lanțului de glucan pentru eliberarea microfibrilelor de celuloză nou sintetizate și eliminarea lanțurilor de glucan defecte din ansamblul microfibril ., În teorie, mutația în KOR poate modifica cristalizarea microfibrilelor de celuloză . Liebminger și colab. menționat că activarea A. thaliana KOR1 depinde de utilizarea a opt site-uri n-glicozilare în domeniul extracelular. PtrKOR1 și GhKOR1 se implice în secundar perete celular celuloză formarea în Populus tremuloides, endosperm cellularization, și dezvoltarea embrionului din bumbac (Gossypium hirsutum) prin Arni suprimarea .,rolul strategic al sintazei zaharozei asociate membranei plasmatice (P-SUSY) de dezvoltare a fibrelor de bumbac (Gossypium hirsutum) în canalizarea UDP-glucozei către sintetaza celulozică din zaharoză a fost ilustrat pentru prima dată în 1995 ; UDP format din UDP-G poate fi reciclat înapoi la SUSY (Figura 1)., Mutație în SUS (1-4) în Arabidopsis arată mai puțin Suzy activitate în toate celulele, nu în floem și uimitor nu celuloză deficit a fost găsit, în timp ce sus5/sus6 mutanți arătat callose reducere în plăci de screening, dar creșterea plantelor a fost grav afectată de mutant invertază (INV), ceea ce sugerează că cataliză de zaharoză pot avea nevoie de citosolic invertază, mai degrabă decât SuSy . Dar, după doi ani, Baroja-Fernández și colab. s-a evidențiat rolul posibil al activității zaharozei sintetazei în biosinteza celulozei în condiții optime de pH 7.0.,relația dintre citoschelet (microtubuli corticali și actină) și localizarea și mișcarea CSC a fost subiectul în majoritatea studiilor. MTs sunt un alt jucător cheie în morfogeneza celulelor vegetale. Gardiner și colab. a arătat colocalization de toate cele trei AtCesA4 (IRX5), AtCesA7 (IRX3), și AtCesA8 (IRX1) proteine cu cortical dublete trupe în vârstă curs de dezvoltare xylem vas cu GFP. Dar microfilamentele de actină se localizează cu proteinele CesA în regiunile de îngroșare a peretelui celular., Traficul intracelular și localizarea membranei plasmatice a CSC în timpul formării peretelui celular secundar au fost susținute de imagistica cu celule vii a fuziunii proteinelor marcate fluorescent . Alinierea ipoteza descrie ca microtubulii pot controla alinierea de celuloză microfibril depunerea în membrana plasmatică ; cu toate acestea, rezultatele examinării de polimerizare și depolimerizare de MTs cu scurt tratament cu taxol și clopyralid, respectiv, nu sunt de acord cu alinierea ipoteză pentru că nu au fost observate modificări în celuloză microfibril orientare . Li și colab., a investigat rolul proteinei interactive Cesa 1 (CSI1) ca proteină linker în asociere între complexele CesA și microtubulii corticali in vivo. Pe baza rezultatului lui Zhong și colab. FRA1, kinesin-ca proteina de legare microtubule, mutant a făcut depunerea alterare a microfibrilelor de celuloză în pereții celulelor de fibre în Arabidopsis. Traficul intracelular de CSC prin filamente de actină a fost sugerat de Wightman și Turner pentru controlul livrării CSC către PM pentru a menține depunerea corectă a Scw., Recent, coordonarea dinamică între AF și MT a fost investigată folosind sonda dublă etichetată în celula plantelor interfazice .un rol al mutantului COBRA (cob) în reglarea orientării expansiunii celulare a fost asociat cu un ecran pentru Arabidopsis cu rădăcini extinse defecte pentru prima dată în 1993 . Rădăcinile scurte și umflate au rezultat din mutații în știulete. Codifică o presupusă proteină ancorată GPI care este necesară pentru expansiunea celulară orientată în Arabidopsis. COBRA determină alungirea celulelor și reducerea conținutului de celuloză cristalină., De asemenea, a fost identificată în asociere cu depunerea microfibrilelor celulozice în țesutul radicular . COBRA-ca gene membrii familiei COBL2, COBL6, COBL9, COBL10, și COBL11 sunt necesare pentru orientată celuloză cristalină depunerea în timpul dezvoltării semințelor, radacina firele de păr, și polen tub de alungire în PCW, respectiv, în timp ce COBL4 fost identificate în timpul formării sistemului vascular în xylem celule . Deoarece irx6 este un membru al familiei de gene COBRA (COBL4), reglează, de asemenea, celulele cu creștere continuă și manifestă un conținut scăzut de celuloză cristalină în pereții celulelor radiculare .
8., Concluzie
în ciuda numeroaselor studii și progrese în înțelegerea mecanismului biosintezei celulozei în plantele superioare, un număr de întrebări sunt încă în curs. Câte proteine sunt necesare pentru procesul de sinteză a celulozei? Cum poate fiecare plantă să regleze sinteza celulozei? Cum este poziția CesA în complexul de sinteză a celulozei? Cum controlează o celulă de plante cristalizarea microfibrilelor? Investigarea structurii celulozei și a genelor cheie implicate în sinteza celulozei poate fi importantă datorită utilizării pe scară largă a produsului celulozic în viața de zi cu zi.,all
Interese Concurente
autorii declară că nu există interese concurente în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.această lucrare a fost susținută de dezvoltarea programului Academic prioritar al instituțiilor de învățământ superior din Jiangsu, China.
