Biossíntese e deposição de hemicelulose nas paredes celulares

Biossíntese e deposição de hemicelulose nas
paredes celulares
Elisson Romanel
Departamento de Biotecnologia
Escola de Engenharia de Lorena
Universidade de São Paulo
Lorena, SP
Outline -­‐  Revisando sobre a estrutura das hemiceluloses -­‐ Síntese no complexo de Golgi -­‐ Enzimas envolvidas na síntese -­‐ Glucurono(arabino)xylan Synthase Complex (discussão de 1 arBgo sobre o assunto -­‐ seminário de aluno ) Ref. básicas:
1. Anita Teleman. Hemicelluloses and Pectin, item 5.3 In: Pulp and
Paper Chemistry and Technology Vol 1: Wood Chemistry and Wood
Biotechnology. Edited by Monica Ek, Göran Gellerstedt, Gunnar
Henriksson , 2009
2. Emilie A Rennie and Henrik Vibe Scheller. Xylan biosynthesis.
Current Opinion in Biotechnology 2014, 26:100–107
3. Wei Zeng et al. A Glucurono(arabino)xylan Synthase Complex from
Wheat Contains Members of the GT43, GT47, and GT75 Families and
Functions Cooperatively. Plant Physiology 154:78–97, 2010.
Parede celular e a Hemicelulose NATUREjVol 454j14 August 2008
OH
OH
OH
O
OH
O
OH
p-Coumaryl alcohol Coniferyl alcohol
H
O
OH
Sinapyl alcohol
G
S
Macrofibril
Plant
Plant cell
Macrofibril
Lignin
Cell
wall
Lignin
10–20 nm
Hemicellulose
Pentose
Hexose
n-3
Crystalline
cellulose
n-3
n-3
n-3
Glucose
Cellodextrin
n-3
Hydrogen
bond
Figure 2 | Structure of lignocellulose. The main component of
p-coumaryl alcohol (H), coniferyl alcohol (G) and sinapyl a
lignocellulose is cellulose,
a
b(1–4)-linked
chain
of
glucose
molecules.
polymerization
thesePcomponents
Fonte: Rubin, 2008 – Nature; Scheller eis Usynthesized
lvskov, 2by010 – Annu. of
Rev. lant Biol. and
Hydrogen bonds between different layers of the polysaccharides contribute
the polymer varies between different plants, wood tissues an
Definição de Hemicelulose Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol. Towards an understanding of plant cell
Towards an
of plant cell walls | 3617
Componentes e Estruturas da understanding
Hemicelulose Fonte: Sarkar et al., 2009 -­‐ Journal of Experimental Botany Estrutura dos Polissacarídeos Hemicelulósicos Legenda Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal Mananas Mananas Galactomananas Glucomananas Galactoglucomananas (GGM) Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Xiloglucano (XyG) Fucogalactoxyloglucano Arabinogalactoxyloglucano Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Xilanos Xilanos Arabinoxilanos (AX) Glucuronoxilano (GX) Glucuronoarabinoxilano (GAX) Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Glucano de Cadeia Mista Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Origem EvoluBva das Hemiceluloses Mananas Manose Glicose Galactose Xiloglucanos Xilose Glicose Galactose Fucose Xilano Xilose Arabinose Ácido glucurônico Ramnose Fonte: Popper, 2008 – Curr. Op. Plant Biology Ocorrência dos Polissacarídeos Hemicelulósicos no Vegetais Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 – Plant Journal Ocorrência da Hemicelulose na Parede Primária e Secundária Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol. Biossíntese de Polissacarídeos Fonte: Scheible e Pauly, 2004 – Curr. Op. Plant Biology Biossíntese de Hemicelulose NSE Enzimas de interconversão açúcar-­‐nucleoideo GT Glicosiltransferase Funções adicionais Fonte: Mizrachi, et al., 2012 – New Phytologist t al.
Via de Interconversão Açúcar-­‐Nucleoideo Fonte: Penning et al., 2009 – Plant physiology Via de Interconversão Açúcar-­‐Nucleoideo Fonte: Yin et al., 2011 – Plos One Glicosiltransferase Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol. Biossíntese das Mananas GDP-­‐glicose ? Galactoglucomanana -­‐ Primeira β-­‐manana sintase (ManS) = CSLA9 (GT2) -­‐ AtCSLA7 tem aBvidade galactomanana. Aceita apenas GDP-­‐man -­‐ AtCSLA3 – síntese de glucomanana – aceita GDP-­‐manose e GDP-­‐glicose -­‐ AtCSLA9 – domínio catalíBco voltado para o lumen do Golgi – ABvidade GlucoManS Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese das Mananas GDP-­‐glicose ? Galactomanana -­‐ CSLD (AtCSLD2, 3 e 5) – biossíntese de manana -­‐ AtMRS (DUF246) – localização Golgi. Em Arabidopsis, co-­‐expressão com ManS (CSLA) -­‐ atmrs – redução de glucomanano e aBvidade ManS -­‐ MRS – síntese de iniciador? -­‐ GMGT – galactosiltransferase (GalT) e AtTBL25/26 – O-­‐aceBltransferase Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese das Xiloglucana Fucogalactoxiloglucana -­‐ Gene CSLC4 (GT2) – produz glucano β-­‐1-­‐4 apenas na presença de XyG: XylT (complexo) e na ausência de UDP-­‐xilose -­‐ AtCSLC4 localização Golgi -­‐ HvCSLC2 localização da MP – Não parBcipa da biossíntese de XyG -­‐ Cadeia de glucano nascente – CSLC voltada para Lumen do Golgi – Atua como XylTs -­‐ Genes GT34 – XyG:XylT (AtXXT1, AtXXT2 e AtXXT4). Usa UDP-­‐xilose Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese das Xiloglucana Fucogalactoxiloglucana -­‐ AtMUR3 e AtXLT2 (GT47) – β-­‐1,2 galactosiltransferase (XyG:GalT) -­‐ AtXUT1 (GT47) – necessário para a presença de ácido galacturônico -­‐ GT47 – responsável pela diversidade da decoração -­‐ AtFUT1/MUR2 (GT37) – adição de grupo fucosil em resíduo galactosil ou galacturonosil -­‐ AtAXY4 (TBL) – O-­‐aceBlação de XyG em resíduos galactosil Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese das Xilanas Glucuronoxilano -­‐ Não há evidências de CSL na biossíntese de xilano -­‐ ABvidade XylS reduzida nos mutantes irx9, irx14 (GT43) e irx10, irx10-­‐L (GT47) -­‐ ABvidade XylT – Co-­‐expressão de IRX9 e IRX14 em álamo -­‐ Ausência de oligossacarídeo de extremidade reduzida (Xyl-­‐Rha-­‐GalA-­‐Xyl) nos mutantes irx7 (GT47), irx8 (GT8), parvus (GT8). Mantem aBvidade de alongamento da cadeia primária. Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Oligossacarídeo ou Tetrassacarídeo de Xilana Figure 1
Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol. Biossíntese das Xilanas IRX7? IRX7? IRX8 Glucuronoxilano -­‐ Modelo para síntese com Xyl-­‐Rha-­‐GalA-­‐Xyl: -­‐ IRX7 (GT47) transfere xilose para formar unidade ligação β Xyl-­‐Rha ou transferir ramnose para formar unidade ligação α Rha-­‐GalA -­‐ IRX8 é homologo de GAUT1 (GalA transferase) – faz ligação GalA-­‐Xyl -­‐ PARVUS localização ER e Golgi. Cataliza a iniciação da extremidade redutora Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Modelo de Síntese Glucuranoxilano (GX) -­‐ Modelo para síntese com Xyl-­‐Rha-­‐GalA-­‐Xyl: Fonte: York e O`Neill, 2008 – Curr. Op. Plant Biology Terminador de cadeia Iniciador de cadeia -­‐ Tetrassacarídeo não encontrado em monocoBledôneas Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese das Xilanas Glucuronoxilano -­‐ AtGUX1, 2 e 3 – adição de GlcA e MeGlcA de forma disBnta (cada enzima) -­‐ XAX1 (GT61) cevada – transfere arabinofuranosil para xilano -­‐ OsXAX1 (GT61) – aBvidade xilosiltransferase -­‐ ? (GT75) – aBvidade GAX:GlcAT -­‐ AtGXMT (DUF579) (IRX15) – transfere grupo meBl para resíduos glucuronosil Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese de Xilanos no Golgi GT8 -­‐ GUX DUF579 – GXMT1 GT43 -­‐ IRX9/IRX14 GT47 -­‐ IRX10 BAHD DUF231 – RWA GT61 – XAX1 Fonte: Rennie e Scheller, 2014 – Curr. Op. Biotecnology Biossíntese das Glucanas de Cadeia Mista Gramíneas -­‐ OsCSLF2 e OsCSLF4 expressos em Arabidopsis – presença de MLG -­‐ Mutantes oscslf6 teve 97% de redução de MLG -­‐ HvCSLH1 expresso em Arabidopsis – presença de MLG -­‐ CSLF e CSLH localizados no Golgi -­‐ Modelo: CSLF ou CSLH fazem a ligação β 1-­‐3, após a ligação β 1-­‐4 Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 – Annu. Rev. Plant Biol; Yin et al., 2011 – Plos One; Pauly et al., 2013 -­‐ Planta Biossíntese de Hemicelulose NSE Enzimas de interconversão açúcar-­‐nucleoideo GT Glicosiltransferase Funções adicionais Fonte: Mizrachi, et al., 2012 – New Phytologist