Характеристика суперкомплекса целлюлозосинтазы в волокнах хлопка
Ежегодно растительность Земли производит около 180 миллиардов тонн целлюлозы, что делает этот полисахарид самой распространённой биологической макромолекулой. Её синтезируют преимущественно сосудистые растения, многие водоросли, а также некоторые бактерии, протисты и оболочники. Целлюлозные микрофибриллы для построения клеточной стенки обычно синтезируются на плазматической мембране комплексом целлюлозосинтазы (CSC), в состав которого синергетически входят как минимум три типа целлюлозосинтаз, необходимых для удлинения глюкановых цепей.
Размер CSC может определять количество глюкозных цепей в структуре микрофибрилл, которое различается у разных организмов. Однако до сих пор не было биохимических или молекулярных доказательств, связано ли количество субъединиц целлюлозосинтазы в разных CSC с синтезом целлюлозных микрофибрилл с различным числом глюкановых цепей в пучке — ключевым параметром для прочности или натяжения вторичной клеточной стенки.
В статье, опубликованной в Science China Life Sciences, доктора Синпэн Вэнь и Юйсянь Чжу сообщают, что в волокнах хлопка (Gossypium hirsutum), собранных в период синтеза вторичной клеточной стенки, GhCesA4, 7 и 8 собираются гетеромерно в ранее не описанный суперкомплекс целлюлозосинтазы, состоящий из 36 белковых полимеров.
Этот суперкомплекс CSC наблюдался специфически в образцах, приготовленных из клеток волокон хлопка в период вторичной клеточной стенки, но не из тканей стебля хлопка или любых образцов, полученных из Arabidopsis. Нокаут любого из этих трёх генов приводил к исчезновению CSC вместе с резкими дефектами роста, уменьшавшими высоту взрослых растений до менее чем четверти от дикого типа. Волокна хлопка, собранные с этих мутантных растений, не имели никакого утолщения вторичной клеточной стенки. CSC, выделенный из волокон дикого типа хлопка, показал наивысшую ферментативную активность, тогда как в образцах из стеблей Arabidopsis или одного из трёх мутантов хлопка активность была резко снижена.
Исследователи обнаружили, что GhCesA4, 7 и 8 восстанавливали фенотипы своих ортологичных мутантов Arabidopsis, вероятно, за счёт повторного формирования гексамеров CSC. Генетическая комплементация не наблюдалась при использовании для трансформации неортологичных генов целлюлозосинтазы, что указывает на незаменимость каждой из трёх субъединиц для формирования CSC и полной функции целлюлозосинтазы.
Также было сообщено о существовании четырёх различных типов целлюлозных микрофибрилл в разных растительных материалах:
- Вторичная клеточная стенка волокна хлопка дикого типа содержит 72 глюкановые цепи в пучке.
- Клетки волокон из периода первичной клеточной стенки и мутанты хлопка с дефектом cesa содержат 36 глюкановых цепей.
- Гипокотиль бобов мунг и стебли ели содержат 24 глюкановые цепи.
- Все другие образцы, включая черешки сельдерея и стеблевые ткани хлопка или Arabidopsis, состоят из 18 глюкановых цепей.
В итоге, исследователи впервые экспериментально подтвердили существование 36-мерного CSC в период синтеза вторичной клеточной стенки волокна хлопка. Все три целлюлозосинтазы были необходимы для формирования этого 36-мерного CSC; в мутантных линиях хлопка с нокаутом одного из генов GhCesA4, 7 или 8 наблюдались только гомодимеры. Они создали первые в мире зрелые клетки волокон хлопка без отложения вторичной клеточной стенки и показали, что целлюлозные микрофибриллы во вторичной клеточной стенке хлопка состоят из 72 глюкановых цепей. Бесклеточный мембранный экстракт из волокон хлопка был способен синтезировать длинные цепи β-1,4-глюкана с высокой ферментативной активностью в in vitro системе. Характеристика CSC хлопка вместе с его продуктом будет способствовать пониманию механизмов, контролирующих биосинтез вторичной клеточной стенки у разных видов растений.