多伦多大学提出植物纤维素合成机制的新的结构信息（2020.10.1 Plant Biotechnology Journal）

植物细胞壁是光合作用碳的主要蓄水池，也是人类重要的可再生资源。纤维素是植物细胞壁的重要组成部分也是地球上最丰富的生物聚合物。尽管化学上很简单，但关于纤维素合成的机理仍然存在许多疑问。

2020年9月30号，Trends in plant science在线发表了题为“Insights from the Structure of a Plant Cellulose Synthase Trimer”的有关纤维素合成酶三聚结构的综述性文章，多伦多大学细胞与系统生物学系教授Heather E.McFarlane为该论文的通讯作者。作者从纤维素、纤维素合成酶（CESAs）和纤维素合成酶复合物（CSC）的介绍，CSC的组装以及CSC的调控和定位三个方面进行了详细的阐述。

首先作者介绍了纤维素、纤维素合成酶（CESAs）和纤维素合成酶复合物（CSC），指出纤维素它是一种聚合物，由环氧乙烷-1，4连接的葡萄糖和多个葡聚糖链横向结合形成纤维素微原纤维。纤维素是在质膜上由CESAs酶生成的，它既催化葡萄糖分子参与到正在生长的葡聚糖链中，又能通过跨膜（TM）孔将葡聚糖链移位到外质体中。植物CESAs组装成CSCs，六倍对称的高阶低聚体，推测每个CSC中有六个CESA杂三聚体。纤维素的合成和植物的生存能力通常需要多种CESA异构体。在模式植物拟南芥中，生长的初级细胞壁需要AtCESA1、AtCESA3和类似cesa6的异构体（AtCESA2、AtCESA5、AtCESA6、AtCESA9），而特殊的次级细胞壁需要AtCESA4、AtCESA7和AtCESA8。根据拓扑结构和序列守恒程度，可以将每个CESA划分为多个区域。

有关CSC组装方面，基于PttCESA8同型三聚体的结构，作者定义了三个关键区域来协调不同类型CESAs之间的交互作用：N终端区域，植物保守区域（PCR）和TM跨越地区。邻近CESAs的N端结构域相互作用，形成一个中央的“细胞质柄”，延伸到细胞质中。这个细胞质柄的位置是促进CSC与附件蛋白相互作用的理想位置。相邻CESAs的PCRs之间的“环状”成对相互作用促使它们组装成同型三聚体，并可能组装成完整的CSC。最后，在膜上，TM4、TM6和界面螺旋3（IF3;先前的预测是TM5）与邻近的CESA的TM7相互作用，说明了这些区域在分子间相互作用中的重要作用。虽然大多数影响CESA功能的点突变聚集在活性位点周围;在TM4、TM6、TM7和IF3中检测到几个突变，说明这些突变可能影响CESA组装成功能性CSC。

PttCESA8同型三聚體中每个CESA的定位使初形成的葡聚糖链在离开每个易位通道时相互靠近。作者推测，这种新合成的葡聚糖链的紧密结合将促进它们结合成三聚体'原纤维'。冷冻断裂显微镜观察到植物的CSCs呈六倍对称。作者还发现，同型三聚体PttCESA8的大小和形状很好地映射到冻裂苔藓（Physcomitrella patens）CSC花冠的一个亚基上。因此，作者提出由6个CESA三聚体（即总18个CESAs）同时合成的多个“原纤维”结合单个CSC形成18条葡聚糖链的纤维素微原纤维。

有关CSC的调控和定位方面，作者指出CESA结构表明先前注释TM5的域实际上是一个胞质界面螺旋（IF3），不是一个真正的TM域。这个修改后的拓扑结构将CESA8的C端置于细胞外区域。作者也认为这可以解释为什么只有N端荧光蛋白融合被证明是成功的可视化CESA定位和动态变化。CESAs翻译后修饰是调节纤维素合成的关键机制。CESAs会被磷酸化、泛素化和酰基化。在蛋白质组学研究中检测到CESA半胱氨酸残基酰基化。并且预测在胞质中心结构域有几个酰基化位点，这将增加其疏水性，并可能支持中心结构域与膜之间的关系更密切。由于酰基化的底物和酶活性位点通常是在细胞质中的，作者就此提出了一个问题：是否存在一个非规范的酰基化机制，或者是否C末端的Cys残基在其他方面对CESA的功能是必要的。

CESA磷酸化已经在许多磷酸化蛋白组学研究中被检测到。这些修饰集中在N末端可变区（VR1）和胞质中心结构域的VR2内，作者认为这可能是调控的关键。虽然PttCESA8的N端结构解析不是很理想，但预测它会形成一个向细胞质投射约70个氨基酸的结构域，是调控CSC与附件蛋白的相互作用的理想的位置。

总之，该文章新的结构信息回答了关于植物中纤维素合成机制的关键问题，包括每个CSC中CESAs的数量，CESA三聚体相互作用的结构基础，以及膜内CESAs的拓扑结构。