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同位素标记法助力棉花遗传改良团队解析棉花纤维素合酶结构

同位素标记法 冷冻电镜技术 作物改良
发布:2021-03-26 10:29:58     来源:华中农业大学植物科学技术学院

近日,作物遗传改良国家重点实验室棉花遗传改良团队和蛋白质科学研究团队合作解析了棉花纤维素合酶(GhCesA7)的结构,在相关领域获得重大突破。该研究利用哺乳动物表达体系和冷冻电镜技术解析了GhCesA7的同源三聚体结构,并发现了三聚体的构象主要由TM7和PCR结构域稳定,同时也通过体外同位素标记方法证明了GhCesA7的体外活性,揭示了GhCesA7合成糖链的分子机理。


 

纤维素是由β-1,4-葡聚糖构成的多糖聚合物,是地球上最古老、最丰富的天然高分子,人类最宝贵的可再生资源。纤维素也是植物细胞壁主要成分,占植物界碳含量的50%以上。棉纤维是最主要的天然纺织原料,在棉花纤维次生壁中纤维素含量可达90%以上。高等植物细胞壁中的纤维素是由定位在质膜上的纤维素合酶(cellulose synthase, CesA)合成。纤维素合酶是一个大的多亚基复合体,从结构生物学的角度深入探究棉花纤维素合酶的结构及合成纤维素的机制,有助于理解棉花纤维次生壁沉积进程,设计育种改良纤维品质。研究者说:“解析纤维素合酶结构,进而优化纤维合酶活性,可提高生物质能源再生效率”。

纤维素合酶(CesA)属于GT-2(Glycosyltransferase Family 2)型糖基转移酶,其在高等植物和少量细菌如红细菌中都有分布。细菌中的纤维素合酶(Bacteria Cellulose Synthase, Bcs)的结构在之前的研究中已经报道,其机理也相对比较清楚。然而高等植物中只有杨树的CesA结构有报道。

 
 

这项研究基于棉花遗传改良团队绘制的海岛棉和陆地棉的参考基因组(Nature Genetics, 2019),获得了全部34个CesAs的序列及表达信息,并进行密码子优化,进行哺乳动物表达体系表达筛选, 获得了GhCesA7蛋白并成功解析了它同源三聚体的结构。发现TM7和PCR稳定三聚体构象的关键结构域,而之前基于生物信息预测的8次跨膜结构域实际上在结构中只有7次跨膜,预测的跨膜结构域5(TM5)实际上是一段Interface Helix(IF3)。三聚体的每个单体里都是可以看到一段糖链的。进一步和细菌的BcsA-BcsB复合体对比发现一些对活性影响很大的氨基酸如天冬氨酸、谷氨酰胺、色氨酸等在真核和原核生物里都很保守。

纤维素合酶活性实验中,通过突变第540位天冬氨酸、第742为天冬氨酸、第784位色氨酸会导致CesA活性的明显降低。体外表达CesA以同源三聚体的形式存在,但体内有可能以异源三聚体的形式负责纤维素的合成。这项研究解析了棉花中纤维素合酶的结构,为进一步解析CesA异源多聚体的组装及超级复合体的结构打下了扎实的基础。

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