Циннамоил-КоА-редуктаза
Циннамоил-КоА-редуктаза
Третичная структура CCR1 из Petunia x hybrida, окрашенная вторичным структурным элементом, полученным из 4R1S
Идентификаторы
Номер ЕС1.2.1.44
Номер CAS59929-39-4
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияАмиГО / КвикГО
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Циннамоил-КоА-редуктаза ( EC 1.2.1.44), систематически называемая циннамальдегид:НАДФ+ оксидоредуктазой (КоА-циннамоилирование), но обычно называемая аббревиатурой CCR, представляет собой фермент , который катализирует восстановление замещенного циннамоил-КоА до соответствующего ему циннамальдегида , используя НАДФН и Н + и высвобождая свободные КоА и НАДФ + в этом процессе. [1] Обычные биологически значимые субстраты циннамоил-КоА для CCR включают п -кумароил-КоА и ферулоил-КоА, которые преобразуются в п- кумаровый альдегид и кониферальдегид , соответственно, [2] хотя большинство CCR проявляют активность и по отношению к различным другим замещенным циннамоил-КоА. [1] Катализируя первый обязательный шаг в биосинтезе монолигнола , [3] этот фермент играет решающую роль в образовании лигнина, процессе, важном для растений как для структурного развития, так и для защитной реакции. [2]

Структура

Первый подтвержденный CCR был выделен из сои ( Glycine max ) в 1976 году. [4] Однако до сих пор кристаллические структуры были описаны только для трех гомологов CCR : Petunia x hybrida CCR1, Medicago truncatula CCR2, [1] и Sorghum bicolor CCR1. [5] Хотя фермент кристаллизуется как асимметричный димер, считается, что он существует как мономер в цитоплазме, [2] [5] причем каждый отдельный белок имеет двухдольную структуру, состоящую из двух доменов, окружающих большую пустую внутреннюю щель для связывания субстрата. [1] Типичные CCR имеют молекулярную массу около 36-38 кДа. [1] [4]

Домен, содержащий N-конец фермента, состоит из нескольких альфа-спиралей и шести бета-нитей, которые, в дополнение к седьмой нити, соединенной с C-концом фермента, образуют параллельную структуру бета-слоя , известную как складка Россмана . В CCR эта структура складки, распространенный мотив среди белков, служит связывающим доменом для NADPH. [1] Второй домен, который состоит из нескольких альфа-спиралей, бета-нитей и расширенных петель , отвечает за связывание субстрата циннамоил-КоА. Эти два домена расположены таким образом, что сайты связывания для NADPH и циннамоил-КоА расположены близко друг к другу на границе долей. [1] [5]

Хотя попытки сокристаллизовать фермент со связанным циннамоил-КоА до сих пор не увенчались успехом, исследования молекулярной стыковки показывают, что сегмент КоА этих молекул сворачивается, чтобы связать его с внешней частью междоменной щели, [1] в то время как фенилсодержащая часть этих субстратов, вероятно, связывается с самой глубокой частью щели. Эта внутренняя часть кармана содержит несколько аминокислот с неполярными боковыми цепями, необходимыми для стабилизации гидрофобного фенильного кольца [1] [5] в дополнение к остатку тирозина , важному для образования водородной связи с 4- гидроксильной группой кольца . Считается, что особые идентичности неполярных остатков играют решающую роль в определении специфичности субстрата. [1]

Механизм

Механизм восстановления ферулоил-КоА до кониферальдегида. Названия изображенных молекул указаны синим цветом под соответствующими им структурами.

Механизм восстановления тиоэфира CoA до альдегида включает перенос гидрида на карбонильный углерод от NADPH, образуя тетраэдрический промежуточный продукт с формальным отрицательным зарядом на атоме кислорода. Считается, что этот отрицательный заряд частично стабилизируется посредством водородных связей с атомами водорода соседних боковых цепей тирозина и серина . [ 1] [5] Остатки серина и тирозина сохраняются во всех CCR как часть каталитической триады вместе с лизином , который, как полагают, контролирует pK a тирозина посредством электростатических взаимодействий с рибозной группой NADPH. [1]

Затем тетраэдрический промежуточный продукт разрушается, выталкивая CoA и образуя альдегид в качестве конечного продукта. [1] Тиолят CoA протонируется либо в момент его выхода из соседнего остатка, либо после того, как он освобождается от связывающего кармана и полностью выходит из фермента; точный механизм в настоящее время неясен, но данные свидетельствуют о том, что остаток цистеина может играть роль донора протона тиолята. [1]

Биологическая функция

Филогеномный анализ показывает, что ферменты с истинной активностью CCR впервые появились у предка(ов) наземных растений . Считается, что большинство, если не все современные наземные растения и все сосудистые растения имеют по крайней мере один функциональный CCR, что является абсолютным требованием для любого вида растений с одревесневшими тканями. [6] Большинство гомологов CCR высоко экспрессируются во время развития, особенно в стволовых , корневых и ксилемных клетках, которым требуется усиленная структурная поддержка, обеспечиваемая лигнином. [2] [7] Однако некоторые CCR не экспрессируются постоянно во время развития и только активируются во время усиленной лигнификации в ответ на стрессоры, такие как атака патогенов . [3]

Текущая модель биосинтеза монолигнола в наземных растениях. Три наиболее распространенных мономера лигнина показаны зеленым цветом, все остальные соединения показаны оранжевым цветом. Выделен этап CCR. CCoA-OMT: кофеоил-КоА O-метилтрансфераза; CAD: дегидрогеназа циннамилового алкоголя; COMT: кофеат O-метилтрансфераза.

CCR особенно важен, поскольку он действует как конечная контрольная точка для регулирования метаболического потока в направлении монолигнолов и, следовательно, также в направлении лигнина; [7] до этого этапа восстановления циннамоил-КоА все еще может входить в другие обширные специализированные метаболические пути. Например, ферулоил-КоА является предшественником кумарина скополетина , [ 8] соединения, которое, как полагают, играет важную роль в реакции растений на патогены. [9] CCR также играет роль в определении состава лигнина, регулируя уровни различных мономеров в соответствии с его специфической активностью в отношении определенных циннамоил-КоА. Например, однодольные и двудольные растения , как правило, имеют очень разные паттерны лигнина: лигнин, обнаруженный в однодольных, обычно имеет более высокий процент субъединиц, полученных из p -кумароилового спирта , в то время как лигнин, обнаруженный в двудольных, обычно состоит почти полностью из субъединиц кониферилового спирта и синапового спирта . [7] Как видно на диаграмме справа, эти монолигнолы получены непосредственно из соответствующих им альдегидов, за исключением случая синапилового спирта - хотя было показано, что несколько гомологов CCR действуют на синапоил-КоА in vitro , неясно, является ли эта активность биологически значимой, и большинство современных моделей пути лигнина не включают эту реакцию в качестве допустимого шага. [2] [10]

Недавние исследования показывают, что многие виды растений имеют два различных гомолога CCR с дифференциальной активностью in planta . У некоторых растений два гомолога различаются в первую очередь по специфичности субстрата. Например, CCR1 модельного бобового растения Medicago truncatula демонстрирует сильное предпочтение к ферулоил-КоА (типично для большинства CCR), в то время как CCR2 растения демонстрирует явное предпочтение как к p -кумароил-, так и к кофеоил-КоА. Этот второй CCR, который аллостерически активируется его предпочтительными субстратами, но ингибируется ферулоил-КоА, как полагают, действует как часть шунтирующего пути к кониферальдегиду, что повышает общую гибкость и надежность пути в различных условиях. [11] Однако в других случаях два гомолога различаются в первую очередь по паттерну экспрессии. Например, в модельном растении Arabidopsis thaliana гомологи CCR1 и CCR2 демонстрируют более высокую активность по отношению к ферулоил-КоА, чем к другим субстратам, но CCR2 экспрессируется только временно во время бактериальной инфекции . [3] Пара гомологов в просе ( Panicum virgatum ) отличается в обоих направлениях: CCR2 предпочитает п -кумароил- и кофеоил-КоА и экспрессируется только в специально вызванных условиях, тогда как CCR1 предпочитает ферулоил-КоА и экспрессируется постоянно в лигнифицирующей ткани. [12]

Считается, что регуляция экспрессии CCR происходит в первую очередь на уровне транскрипции . [11] У Arabidopsis thaliana фактически были идентифицированы несколько необходимых факторов транскрипции для экспрессии CCR, включая MYB58 и MYB63, оба из которых, как правило, участвуют в формировании вторичной клеточной стенки. Было показано, что чрезмерная экспрессия этих двух факторов транскрипции приводит к 2-3-кратному увеличению транскриптов мРНК CCR , хотя, что интересно, повышение регуляции генов, расположенных выше по течению в пути монолигнола, еще больше. [13] Однако нетранскрипционная регуляция CCR также может быть важна. Например, у риса ( Oryza sativa ) данные свидетельствуют о том, что гомолог CCR1 является эффектором Rac1, небольшой ГТФазы, важной для защитного ответа растений. В этом случае предполагается, что белок Rac1 активирует CCR при связывании, что приводит к усилению биосинтеза монолигнола. Поскольку Rac1 также активирует НАДФН-оксидазу , которая производит пероксиды , необходимые для полимеризации монолигнола , общий биосинтез лигнина также усиливается. [14]

Биотехнологическое значение

Попытки спроектировать формирование клеточной стенки растений для улучшенного производства биотоплива обычно нацелены на биосинтез лигнина с целью снижения содержания лигнина и, таким образом, повышения выхода этанола из целлюлозы , сложного полисахарида, важного для структуры клеточной стенки. [15] Лигнин является проблемным для производства биотоплива, поскольку он является основным фактором, способствующим неподатливости растительной биомассы из-за его прочности и неоднородности . При снижении содержания лигнина целлюлоза становится более доступной для химических и биологических реагентов, используемых для ее расщепления. [16] Снижение уровня экспрессии CCR, в частности, стало общей стратегией для достижения этой цели, и эта стратегия привела к успешному снижению содержания лигнина и увеличению производства этанола из нескольких видов растений, включая табак ( Nicotiana tabacum ) [3] и тополь ( Populus tremula x Populus alba ). [16] Проблемы с этой стратегией включают в себя широкий диапазон уровней экспрессии, связанный с современными технологиями генетической трансформации растений, а также резкое снижение общего роста и биомассы, которое обычно сопровождает низкое производство лигнина. [16] Однако было показано, что путем нацеливания снижения регуляции CCR на определенные типы тканей [17] или объединения его с снижением регуляции дегидрогеназы коричного алкоголя (CAD) [18] последняя проблема может быть по крайней мере несколько смягчена.

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmn Pan H, Zhou R, Louie GV, Mühlemann JK, Bomati EK, Bowman ME, Dudareva N, Dixon RA, Noel JP, Wang X (сентябрь 2014 г.). «Структурные исследования циннамоил-КоА-редуктазы и циннамилалкогольдегидрогеназы, ключевых ферментов биосинтеза монолигнола». The Plant Cell . 26 (9): 3709–27. doi :10.1105/tpc.114.127399. PMC  4213152 . PMID  25217505.
  2. ^ abcde Barros J, Serk H, Granlund I, Pesquet E (июнь 2015 г.). «Клеточная биология лигнификации у высших растений». Annals of Botany . 115 (7): 1053–74. doi :10.1093/aob/mcv046. PMC 4648457. PMID 25878140  . 
  3. ^ abcd Lauvergeat V, Lacomme C, Lacombe E, Lasserre E, Roby D, Grima-Pettenati J (август 2001 г.). «Два гена циннамоил-КоА-редуктазы (CCR) у Arabidopsis thaliana по-разному экспрессируются во время развития и в ответ на заражение патогенными бактериями». Фитохимия . 57 (7): 1187–95. doi :10.1016/s0031-9422(01)00053-x. PMID  11430991.
  4. ^ ab Wengenmayer H, Ebel J, Grisebach H (июнь 1976 г.). "Ферментативный синтез предшественников лигнина. Очистка и свойства циннамоил-КоА: НАДФН-редуктазы из суспензионных культур клеток сои (Glycinemax)". European Journal of Biochemistry . 65 (2): 529–36. doi : 10.1111/j.1432-1033.1976.tb10370.x . PMID  7454.
  5. ^ abcde Sattler SA, Walker AM, Vermerris W, Sattler SE, Kang C (февраль 2017 г.). «Структурная и биохимическая характеристика циннамоил-КоА-редуктаз». Физиология растений . 173 (2): 1031–1044. doi :10.1104/pp.16.01671. PMC 5291045. PMID  27956488 . 
  6. ^ Barakat A, Yassin NB, Park JS, Choi A, Herr J, Carlson JE (сентябрь 2011 г.). «Сравнительный и филогеномный анализ семейства генов циннамоил-КоА-редуктазы и циннамоил-КоА-редуктазы у наземных растений». Plant Science . 181 (3): 249–57. doi :10.1016/j.plantsci.2011.05.012. PMID  21763535.
  7. ^ abc Ma QH, Tian B (июнь 2005 г.). «Биохимическая характеристика циннамоил-КоА-редуктазы из пшеницы». Биологическая химия . 386 (6): 553–60. doi :10.1515/BC.2005.065. PMID  16006242. S2CID  12173262.
  8. ^ Kai K, Mizutani M, Kawamura N, Yamamoto R, Tamai M, Yamaguchi H, Sakata K, Shimizu B (сентябрь 2008 г.). «Скополетин биосинтезируется посредством орто-гидроксилирования ферулоил-КоА с помощью 2-оксоглутарат-зависимой диоксигеназы в Arabidopsis thaliana». The Plant Journal . 55 (6): 989–99. doi : 10.1111/j.1365-313X.2008.03568.x . PMID  18547395.
  9. ^ Sun H, Wang L, Zhang B, Ma J, Hettenhausen C, Cao G, Sun G, Wu J, Wu J (август 2014 г.). «Скополетин — это фитоалексин против Alternaria alternata в диком табаке, зависящий от сигнализации жасмоната». Журнал экспериментальной ботаники . 65 (15): 4305–15. doi :10.1093/jxb/eru203. PMC 4112635. PMID  24821958 . 
  10. ^ Vanholme R, Demedts B, Morreel K, Ralph J, Boerjan W (июль 2010 г.). «Биосинтез и структура лигнина». Физиология растений . 153 (3): 895–905. doi :10.1104/pp.110.155119. PMC 2899938. PMID 20472751  . 
  11. ^ ab Zhou R, Jackson L, Shadle G, Nakashima J, Temple S, Chen F, Dixon RA (октябрь 2010 г.). «Отдельные циннамоил-КоА-редуктазы, участвующие в параллельных путях к лигнину в Medicago truncatula». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (41): 17803–8. Bibcode : 2010PNAS..10717803Z. doi : 10.1073/pnas.1012900107 . PMC 2955080. PMID  20876124 . 
  12. ^ Escamilla-Trevino LL, Shen H, Uppalapati SR, Ray T, Tang Y, Hernandez T, Yin Y, Xu Y, Dixon RA (январь 2010 г.). "Switchgrass (Panicum virgatum) обладает дивергентным семейством циннамоил-КоА-редуктаз с различными биохимическими свойствами". The New Phytologist . 185 (1): 143–55. doi :10.1111/j.1469-8137.2009.03018.x. PMID  19761442.
  13. ^ Zhou J, Lee C, Zhong R, Ye ZH (январь 2009 г.). «MYB58 и MYB63 являются транскрипционными активаторами пути биосинтеза лигнина во время формирования вторичной клеточной стенки у Arabidopsis». The Plant Cell . 21 (1): 248–66. doi :10.1105/tpc.108.063321. PMC 2648072. PMID  19122102 . 
  14. ^ Kawasaki T, Koita H, Nakatsubo T, Hasegawa K, Wakabayashi K, Takahashi H, Umemura K, Umezawa T, Shimamoto K (январь 2006 г.). «Циннамоил-КоА-редуктаза, ключевой фермент в биосинтезе лигнина, является эффектором малой ГТФазы Rac в защитной сигнализации у риса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (1): 230–5. Bibcode : 2006PNAS..103..230K. doi : 10.1073 /pnas.0509875103 . PMC 1325009. PMID  16380417. 
  15. ^ Loqué D, Scheller HV, Pauly M (июнь 2015 г.). «Инженерия клеточных стенок растений для улучшенного производства биотоплива». Current Opinion in Plant Biology . 25 : 151–61. doi : 10.1016/j.pbi.2015.05.018 . PMID  26051036.
  16. ^ abc Van Acker R, Leplé JC, Aerts D, Storme V, Goeminne G, Ivens B, Légée F, Lapierre C, Piens K, Van Montagu MC, Santoro N, Foster CE, Ralph J, Soetaert W, Pilate G, Boerjan W (январь 2014 г.). «Улучшение сахарификации и выхода этанола из выращенного в полевых условиях трансгенного тополя с дефицитом циннамоил-КоА-редуктазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (2): 845–50. Bibcode : 2014PNAS..111..845V. doi : 10.1073/pnas.1321673111 . PMC 3896177 . PMID  24379366. 
  17. ^ Smith RA, Schuetz M, Roach M, Mansfield SD, Ellis B, Samuels L (октябрь 2013 г.). «Соседние клетки паренхимы способствуют лигнификации ксилемы Arabidopsis, в то время как лигнификация межпучковых волокон является клеточно автономной». The Plant Cell . 25 (10): 3988–99. doi :10.1105/tpc.113.117176. PMC 3877792 . PMID  24096341. 
  18. ^ Chabannes M, Barakate A, Lapierre C, Marita JM, Ralph J, Pean M, Danoun S, Halpin C, Grima-Pettenati J, Boudet AM (ноябрь 2001 г.). «Сильное снижение содержания лигнина без существенного изменения развития растений вызвано одновременной регуляцией циннамоил-КоА-редуктазы (CCR) и циннамилалкогольдегидрогеназы (CAD) в растениях табака» (PDF) . The Plant Journal . 28 (3): 257–70. doi : 10.1046/j.1365-313x.2001.01140.x . PMID  11722769.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Циннамоил-КоА_редуктаза&oldid=1187245980"