Science | 蛋白-肽-多糖相互作用介导植物细胞壁的形成与扩增|复合物|多糖|甲基化|细胞壁|蛋白

撰文 | ZGL

植物细胞壁由纤维素微纤维和果胶等基质聚合物组成，细胞壁多糖组装成特定的模式是植物生长发育所必需的。一直以来，植物细胞壁单体如何形成一个可生长发育的细胞壁的模式是植物生物学的核心问题。细胞扩增需要快速的反馈信号严格控制，这些信号相互协作调控细胞壁形成，避免细胞壁完整性的丧失，而该过程中通过去甲基化调节多聚半乳糖醛酸电荷发挥关键作用，但具体的分子机制尚未明晰。

近日，来自瑞士洛桑大学与法国巴黎萨克雷大学的研究人员在Science发表题为Plant cell wall patterning and expansion mediated by protein-peptide-polysaccharide interaction的研究论文，使用拟南芥花粉管为模型系统，证明了RAPID ALKALINIZATION FACTOR 4 (RALF4)与LEUCINE-RICH REPEAT EXTENSIN8（LRX8）形成异四聚体，通过RALF4的多阳离子表面以电荷依赖的方式特异性地与去甲基化果胶相互作用，该过程是形成细胞壁的关键。

在之前的研究中，作者对LRX8-RALF4复合物的结构进行了解析，发现该复合物表面存在一富含亮氨酸和精氨酸残基的碱性斑块，该斑块可以与果胶等细胞壁多糖互作，对花粉管结构完整稳定及快速生长具有重要作用。在该研究中，作者首先通过热转移实验、等温滴定实验证明LRX8-RALF4复合物能够以高亲和力和高特异性结合半乳糖醛酸寡聚物。接着作者使用不同甲基化程度和不同长度果胶链与LRX8-RALF4复合物进行热转移实验，结果证明LRX8-RALF4复合物可以特异性的结合去甲基化果胶，而与果胶链的长度无关。

为了进一步从分子角度了解LRX8-RALF4与去甲基化果胶之间的相互作用，作者对LRX8结合RALF4的位点进行了定位和检测。通过对RALF4表面残基关键位点突变体与LRX8复合体结合多聚半乳糖醛酸的热转移实验和等温滴定实验结果证明，LRX8-RALF4与果胶间的相互作用是通过静电作用实现的。

为了证明LRX8、RALF4和果胶在体内也存在相互作用，作者分别对RALF4和LRX8在自身启动子下进行了免疫标记和高分辨率显微镜观察，发现这两种蛋白在体内共定位，证明该复合物在体内存在，但沿着花粉管细胞壁存在，而不仅仅存在于花粉管顶端。该结果证明RALF4和LRX8都是花粉管细胞壁的组成成分。此外，集群大小分析结果证明体内还存在LRX8与RALF4的异四聚体。airscan和dSTORM显微镜显示，LRX8-RALF4与去甲基化多聚半乳糖醛酸的共定位证实果胶与RALF4在空间上相互关联分布，证明该复合物在细胞壁多糖形成中发挥重要作用。

最后，通过石英晶体微天平进行耗散检测，发现阳离子RALF4与阴离子果胶之间存在静电相互作用，且该相互作用是可逆的，证明LRX8-RALF4具有以电荷依赖的形式识别去甲基化果胶的能力，这种相互作用对花粉管细胞壁的完整性至关重要。

综上所述，该研究证明了RALF4在细胞壁形成过程中的信号及结构的双重作用。LRX8-RALF4复合物不仅作为信号分子，还作为细胞壁的组成成分，结合并凝聚果胶等细胞壁多糖形成网状结构，并在花粉管生长过程中保持细胞壁的完整和可扩展性。该研究可能为揭示蛋白-多糖相互作用在细胞壁结构和功能中的其他作用提供灵感。

乔治亚大学的Debra Mohnen对该文章有高度评价，认为作者发现了一个花粉管细胞壁形成过程中意想不到的参与者:一种肽与结构蛋白形成复合物，结合去酯化果胶，在花粉管壁上产生并稳定网状的三方网络结构。同时该文章也存在一些问题，首先是RALF4是否可以在非尖端生长细胞中产生细胞壁结构，其次还需要确定果胶是否存在完整聚合结构。

参考文献

1. M. A. Atmodjo, Z. Hao, D. Mohnen, Annu. Rev. Plant Biol. 64,747–779 (2013).

2. P. Fayant et al., Plant Cell 22, 2579–2593 (2010).

3. Y. Chebli, M. Kaneda, R. Zerzour, A. Geitmann, Plant Physiol.160, 1940–1955 (2012).

4. E. Parre, A. Geitmann, Planta 220, 582–592 (2005).

5. N. Röckel, S. Wolf, B. Kost, T. Rausch, S. Greiner, Plant J. 53,133–143 (2008).

6. G. Pearce, D. S. Moura, J. Stratmann, C. A. Ryan Jr., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 12843–12847 (2001).

7. M. Haruta, G. Sabat, K. Stecker, B. B. Minkoff, M. R. Sussman, Science 343, 408–411 (2014).

8. E. Murphy et al., J. Exp. Bot. 67, 4863–4875 (2016).

9. M. A. Mecchia et al., Science 358, 1600–1603 (2017).

10. S. Moussu et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 7494–7503 (2020).

11. M. Gonneau et al., Curr. Biol. 28, 2452–2458.e4 (2018).