十年磨一剑，乙酰化修饰对细胞壁功能维持的调控

景杰编者按：近日，中科院遗传发育研究所周奕华研究员和储成才研究员在Nature Plants杂志上发表题为“Control of secondary cell wall patterning involves xylan deacetylation by a GDSL esterase”的文章，该研究不仅发现细胞壁乙酰化修饰存在去乙酰化过程，也第一次提出了细胞壁乙酰化修饰调控的新理论、即“双向调控”理论，还赋予了GDSL酯酶这一类古老超家族中大量功能未知蛋白新的功能。景杰生物作为全球蛋白质及蛋白质修饰领域的领跑者，可以为您提供从组学筛选到抗体定制的全套解决方案，为您的科研助一臂之力。

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和动物细胞相比，植物的细胞膜外存在着一层厚厚的细胞壁。不要小看了这层主要由多糖和酚类物质组成的物质，如果没有细胞壁的支撑，植物只是一堆原生质体细胞的集合，只能平摊在地面而无法直立。我们所熟悉的绿油油的小草，婀娜多姿的垂柳亦不复存在，更别说动辄上百米高的北美红杉了。

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通常植物细胞壁多糖分为三类：纤维素，果胶以及半纤维素。其中只有纤维素结构比较单一，是葡萄糖通过β-（1-4）糖苷键相连；果胶则是一类富含多糖，易溶于热的酸性溶液；半纤维素则是一类易溶于碱性溶液的植物多糖，结构非常复杂。通常半纤维素可以分为木聚糖／xylans，木葡聚糖／xyloglucan，甘露聚糖／mannans等。它们的糖链主要通过β-（1-4）糖苷键相连 。其中Xylan是双子叶植物次生壁中主要的半纤维素成分，其含量在35%左右。尽管Xylan成分在种属间变异很大，但是其糖链骨架的木糖／xylose经常发生O-3和O-2乙酰化修饰 （图 1）。之前的研究表明xylan的O-乙酰化修饰影响细胞壁多糖的物理化学性质，该修饰处于动态的平衡并受酶等调控，但是目前我们对xylan的去乙酰化修饰酶了解甚少。

图1 水稻次生壁中xylan的结构示意图

最近，Nature Plants发表了中国科学院遗传发育所的一项研究成果，研究人员在水稻中首次鉴定到催化xylan去乙酰化修饰的酶GDSL。这项研究由储成才研究员和周奕华研究员合作完成，两个课题组历时10年，发现一个水稻突变体bs1（具有脆鞘、矮生和叶尖枯死等表型）的表型其实源于xylans去乙酰化酶基因发生突变（图 2）。

图2 水稻bs1突变体的表型图

首先作者利用图位克隆技术，发现突变体表现由水稻第二号染色体上一段51kb的区域控制，随后的DNA测序表明，其中一个候选基因发生基因突变导致Os02g15230基因翻译提前终止。通过遗传互补实验表明，向bs1突变体中转入BS1基因可以回复突变基因的功能。因此从遗传学上表明突变体表型和BS1基因有关。BS1基因属于植物GSDL-esterase家族成员，于是作者在酵母中表达BS1基因，体外生化实验表明BS1蛋白能催化通用底物的去乙酰化反应，具有酯酶活性。软件预测BS1蛋白具有跨膜结构域，利用免疫荧光共定位实验，结果表明BS1蛋白定位于植物细胞中的高尔基体（图 3）。

图3 水稻BS1和高尔基标记蛋白Man49都定位于高尔基体

在植物中，高尔基体是多糖合成和修饰的主要场所，所以很自然猜测BS1参与细胞壁多糖等合成。接下来作者分析bs1突变体细胞壁中乙酰基等水平，结果发现突变体细胞壁中乙酰基水平显著高于正常水稻，核磁共振等结果也表明突变体中xylan乙酰化水平明显高于对照，体外生化实验也表明真核表达的BS1蛋白能够催化乙酰化木糖的去乙酰化。上述结果表明BS1确为木聚糖乙酰酯酶 （图 4）。

图4 核磁共振结果表明水稻bs1突变体的半纤维素中，xylan的乙酰化水平明显升高

BS1在亚细胞水平，定位于高尔基细胞器；在组织水平，定位于水稻的次生壁上。利用激光显微切割和定量PCR技术，作者比较BS1在叶片横截面上的表达差异，结果表明BS1基因时空特异性表达和在次生壁表达的CES4基因类似，而GUS组织染色也表明BS1基因主要在水稻次生壁中表达 （图 5）。而bs1突变体影响了木质部导管的结构，进而导致植株矮小，穗粒小，分孽少，最终表现为生物量减少。

图5  GUS组织染色也表明BS1基因主要在水稻次生壁中表达

这项研究首次鉴定植物细胞壁多糖等去乙酰化酶，表明细胞壁可逆乙酰化修饰受到酶的调控。GDSL蛋白超家族在水稻中有100多个成员，该研究暗示该家族成员等功能值得我们关注。最后该研究揭示了细胞壁乙酰化修饰调控对细胞壁功能维持的重要性，为水稻等作物的分子育种提供了基因资源和理论基础。