Циннамоил-КоА редуктаза - Cinnamoyl-CoA reductase

Циннамоил-КоА редуктаза
Общий CCR Light Gray Background.png
Третичная структура CCR1 из Petunia x hybrida, окрашенная вторичным структурным элементом, полученным из 4R1S
Идентификаторы
Номер ЕС1.2.1.44
Количество CAS59929-39-4
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Циннамоил-КоА редуктаза (EC 1.2.1.44 ), систематически названный коричный альдегид: НАДФ + оксидоредуктаза (КоА-циннамоилирование) но обычно обозначаемый аббревиатурой CCR, это фермент который катализирует в снижение замещенного циннамоил-КоА соответствующему коричный альдегид, используя НАДФН и ЧАС+ и выпуская бесплатно CoA и НАДФ+ в процессе.[1] Общий биологически значимый циннамоил-КоА субстраты для CCR включают п-кумароил-КоА и ферулоил-КоА, которые превращаются в п-кумаральдегид и кониферальдегид, соответственно,[2] хотя большинство CCR также проявляют активность по отношению к множеству других замещенных циннамоил-КоА.[1] Катализируем первый совершенный шаг в монолигнол биосинтез,[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 соя (Глицин макс) в 1976 г.[4] Тем не мение, кристаллические структуры пока были зарегистрированы только три CCR гомологи: Петуния х гибридная CCR1, Medicago truncatula CCR2,[1] и Сорго двухцветное CCR1.[5] Хотя фермент кристаллизуется как асимметричный димер, считается, что он существует как мономер в цитоплазме,[2][5] с каждым отдельным белком, имеющим двулопастную структуру, состоящую из двух домены окружает большую пустую внутреннюю щель для связывания субстрата.[1] Типичные CCR имеют молекулярный вес около 36-38 кДа.[1][4]

Домен, содержащий фермент N-конец состоит из нескольких альфа спирали и шесть бета-цепей, которые в дополнение к седьмой цепи, соединенной с C-конец стороне фермента, образуют параллель бета-лист структура известная как Россманн фолд. В CCR эта складчатая структура, обычная мотив среди белков служит связывающим доменом для НАДФН.[1] Второй домен, состоящий из нескольких альфа-спиралей, бета-цепей и удлиненных петли, отвечает за связывание субстрата циннамоил-КоА. Эти два домена расположены таким образом, что участок связывания для НАДФН и циннамоил-КоА расположены близко друг к другу на границе долей.[1][5]

Хотя попытки сокристаллизовать фермент со связанным циннамоил-КоА до сих пор были безуспешными, молекулярный док исследования показывают, что сегмент CoA этих молекул сворачивается, чтобы связываться вдоль внешней части междоменной щели,[1] в то время как фенил -содержащая часть этих субстратов, вероятно, связывается в самой глубокой части щели. Эта внутренняя часть кармана содержит несколько аминокислоты с неполярный боковые цепи необходимо для стабилизации гидрофобный фенильное кольцо[1][5] в дополнение к тирозин остаток важен для водородная связь формирование с кольцом 4-гидроксил группа. Полагают, что конкретная идентичность неполярных остатков играет решающую роль в определении специфичности субстрата.[1]

Механизм

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

В механизм для снижения CoA тиоэфир к альдегиду включает гидрид перевод в карбонил углерод из НАДФН, образуя тетраэдрический промежуточный продукт с формальным отрицательным зарядом на атоме кислорода. Считается, что этот отрицательный заряд частично стабилизируется за счет водородных связей с атомами водорода соседнего тирозина и серин боковые цепи.[1][5] Остатки серина и тирозина сохраняются во всех CCR как часть каталитической триады вместе с лизин, который, как считается, контролирует pKа тирозина через электростатический взаимодействия с рибозной группой НАДФН.[1]

Затем тетраэдрический промежуточный продукт схлопывается, выбивая КоА и образуя альдегид как конечный продукт.[1] В тиолат CoA протонированный либо когда он покидает соседний остаток, либо после того, как он освобождается из связывающего кармана и полностью выходит из фермента; точный механизм в настоящее время неясен, но данные свидетельствуют о том, что цистеин Остаток может играть роль донора протона тиолата.[1]

Биологическая функция

Филогеномный анализ показывает, что ферменты с истинной активностью CCR первыми развился в предке (ах) наземные растения. Большинство, если не все современные наземные растения и все сосудистые растения считается, что у них есть хотя бы один функциональный CCR, что является абсолютным требованием для любого завода разновидность с одревесневшими тканями.[6] Большинство гомологов CCR высоко выразил во время разработки, особенно в корень, корень, и ксилема клетки, которым требуется усиленная структурная поддержка, обеспечиваемая лигнином.[2][7] Однако определенные CCR не экспрессируются конститутивно на протяжении всего развития и активируются только во время усиленной лигнификации в ответ на стрессоры, такие как возбудитель атака.[3]

Современная модель биосинтеза монолигнолов у наземных растений. Три наиболее распространенных мономера лигнина показаны зеленым цветом, все остальные соединения - оранжевым. Шаг CCR выделен. CCoA-OMT: кофеил-CoA O-метилтрансфераза; CAD: дегидрогеназа циннамилового спирта; COMT: кофеин-O-метилтрансфераза.

CCR особенно важен, потому что он действует как окончательный контрольный пункт для регулирования метаболический поток к монолигнолам и, следовательно, к лигнину;[7] до этой стадии восстановления циннамоил-КоА все еще могут вступать в другие обширные специализированные метаболические пути. Например, ферулоил-КоА является предшественником кумарин скополетин,[8] соединение, которое, как полагают, играет важную роль в ответной реакции растений на патогены.[9] CCR также играет роль в определении состава лигнина, регулируя уровни различных мономеров в соответствии с его удельной активностью по отношению к конкретным циннамоил-КоА. Однодольные и двудольные, например, имеют тенденцию к очень разному составу лигнина: лигнин, содержащийся в однодольных, обычно имеет более высокий процент содержания п-кумароиловый спирт -производных субъединиц, в то время как лигнин, обнаруженный в двудольных, обычно почти полностью состоит из конифериловый спирт и синапиловый спирт субъединицы.[7] Как видно на диаграмме справа, эти монолигнолы являются производными непосредственно из соответствующих альдегидов, за исключением синапилового спирта, в то время как несколько гомологов CCR, как было показано, действуют на синапоил-КоА. in vitro, неясно, является ли эта активность биологически значимой, и большинство современных моделей лигнинового пути не включают эту реакцию в качестве действительного шага.[2][10]

Недавние исследования показывают, что многие виды растений имеют два разных гомолога CCR с различной активностью. in planta. У некоторых растений два гомолога различаются прежде всего субстратной специфичностью. Например, CCR1 модели бобовые Medicago truncatula показывает сильное предпочтение ферулоил-КоА (типично для большинства CCR), тогда как CCR2 растения демонстрирует явное предпочтение обоим п-кумароил- и кофеил-КоА. Этот второй CCR, который аллостерически активированный его предпочтительными субстратами, но ингибируемый ферулоил-КоА, считается, что он действует как часть шунтирующего пути к кониферальдегиду, который увеличивает общую гибкость и надежность этого пути в различных условиях.[11] В других случаях, однако, два гомолога различаются в основном паттерном экспрессии. В модельном заводе Arabidopsis thaliana, например, гомологи CCR1 и CCR2 проявляют более высокую активность в отношении ферулоил-CoA, чем другие субстраты, но CCR2 экспрессируется только временно во время бактериальная инфекция.[3] Пара гомологов в просо (Panicum virgatum) отличается в обоих направлениях: CCR2 предпочитает п-кумароил- и кофеил-КоА и экспрессируется только в специфически индуцированных условиях, тогда как CCR1 предпочитает ферулоил-КоА и постоянно экспрессируется в одревесневшей ткани.[12]

Считается, что регуляция экспрессии CCR происходит в основном в транскрипционный уровень.[11] В Arabidopsis thaliana, некоторые из необходимых факторы транскрипции для экспрессии CCR были фактически идентифицированы, включая MYB58 и MYB63, оба из которых обычно участвуют в формировании вторичной клеточной стенки. Было показано, что сверхэкспрессия этих двух факторов транскрипции приводит к увеличению CCR в 2-3 раза. мРНК транскриптов, хотя, что интригующе, активация генов выше по пути монолигнола даже больше.[13] Однако нетранскрипционная регуляция CCR также может быть важной. В рисе (Oryza sativa ), например, данные свидетельствуют о том, что гомолог CCR1 является эффектор Rac1, небольшой GTPase важен для защиты растений. В этом случае предполагается, что белок Rac1 активирует CCR при связывании, что приводит к усилению биосинтеза монолигнолов. Поскольку Rac1 также активирует НАДФН оксидаза, который производит перекиси критичен для монолигнола полимеризация, общий биосинтез лигнина также улучшается.[14]

Биотехнологическое значение

Работы по проектированию завода клеточная стенка формирование для расширенных биотопливо производство обычно нацелено на биосинтез лигнина, чтобы снизить содержание лигнина и тем самым улучшить урожайность этиловый спирт из целлюлоза, комплекс полисахарид важен для структуры клеточной стенки.[15] Лигнин проблематичен для производства биотоплива, потому что он является основным источником роста растений. биомасса непокорность из-за своей прочности и неоднородность. За счет снижения содержания лигнина целлюлоза становится более доступной для химических и биологических реагенты раньше ломал его.[16] В частности, снижение уровня экспрессии CCR стало общей стратегией для достижения этой цели, и эта стратегия привела к успешному снижению содержания лигнина и увеличению продукции этанола из нескольких видов растений, включая табак (Nicotiana tabacum)[3] и тополь (Populus tremula x Populus alba).[16] Проблемы с этой стратегией включают широкий диапазон уровней экспрессии, связанных с текущим растением. генетическая трансформация технологий в дополнение к резкому снижению общего роста и биомассы, которое обычно сопровождает низкое производство лигнина.[16] Однако было показано, что за счет подавления CCR в определенных типах тканей[17] или связать это с понижающим регулированием дегидрогеназа циннамилового спирта (CAD),[18] последняя проблема, по крайней мере, может быть несколько смягчена.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Пан Х., Чжоу Р., Луи Г. В., Мюлеманн Дж. К., Бомати Е. К., Боуман М. Е., Дударева Н., Диксон Р. А., Ноэль Дж. П., Ван Х (сентябрь 2014 г.). «Структурные исследования циннамоил-КоА редуктазы и циннамилового спирта дегидрогеназы, ключевых ферментов биосинтеза монолигнолов». Растительная клетка. 26 (9): 3709–27. Дои:10.1105 / tpc.114.127399. ЧВК  4213152. PMID  25217505.
  2. ^ а б c d е Баррос Дж, Серк Х, Гранлунд I, Песке Э (июнь 2015 г.). «Клеточная биология лигнификации у высших растений». Анналы ботаники. 115 (7): 1053–74. Дои:10.1093 / aob / mcv046. ЧВК  4648457. PMID  25878140.
  3. ^ а б c d Lauvergeat V, Lacomme C, Lacombe E, Lasserre E, Roby D, Grima-Pettenati J (август 2001 г.). «Два гена циннамоил-КоА-редуктазы (CCR) из Arabidopsis thaliana по-разному экспрессируются во время развития и в ответ на инфекцию патогенными бактериями». Фитохимия. 57 (7): 1187–95. Дои:10.1016 / с0031-9422 (01) 00053-х. PMID  11430991.
  4. ^ а б Венгенмайер Х, Эбель Дж, Гризебах Х (июнь 1976 г.). «Ферментативный синтез предшественников лигнина. Очистка и свойства циннамоил-КоА: НАДФН редуктазы из клеточных суспензионных культур сои (Glycinemax)». Европейский журнал биохимии. 65 (2): 529–36. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1976.tb10370.x. PMID  7454.
  5. ^ а б c d е 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. Дои:10.1104 / стр. 16.01671. ЧВК  5291045. PMID  27956488.
  6. ^ Баракат А., Ясин Н. Б., Парк Дж. С., Цой А., Герр Дж., Карлсон Дж. Э. (сентябрь 2011 г.). «Сравнительный и филогеномный анализ семейства циннамоил-КоА-редуктазы и семейства циннамоил-КоА-редуктазы в наземных растениях». Растениеводство. 181 (3): 249–57. Дои:10.1016 / j.plantsci.2011.05.012. PMID  21763535.
  7. ^ а б c Ма QH, Тиан Б. (июнь 2005 г.). «Биохимическая характеристика циннамоил-КоА редуктазы из пшеницы». Биологическая химия. 386 (6): 553–60. Дои:10.1515 / BC.2005.065. PMID  16006242.
  8. ^ Кай К., Мизутани М., Кавамура Н., Ямамото Р., Тамай М., Ямагути Х., Саката К., Симидзу Б. (сентябрь 2008 г.). «Скополетин биосинтезируется посредством орто-гидроксилирования ферулоил-КоА 2-оксоглутарат-зависимой диоксигеназой в Arabidopsis thaliana». Журнал растений. 55 (6): 989–99. Дои:10.1111 / j.1365-313X.2008.03568.x. PMID  18547395.
  9. ^ Сунь Х, Ван Л., Чжан Б., Ма Дж., Хеттенхаузен С., Цао Дж., Сунь Дж., Ву Дж., Ву Дж. (Август 2014 г.). «Скополетин - это фитоалексин против Alternaria alternata в дикорастущем табаке, зависящий от передачи сигналов жасмонатом». Журнал экспериментальной ботаники. 65 (15): 4305–15. Дои:10.1093 / jxb / eru203. ЧВК  4112635. PMID  24821958.
  10. ^ Ванхолм Р., Демедтс Б., Моррил К., Ральф Дж., Бурьян В. (июль 2010 г.). «Биосинтез и структура лигнина». Физиология растений. 153 (3): 895–905. Дои:10.1104 / стр.110.155119. ЧВК  2899938. PMID  20472751.
  11. ^ а б Чжоу Р., Джексон Л., Шейдл Дж., Накашима Дж., Темпл С., Чен Ф, Диксон Р. А. (октябрь 2010 г.). «Отдельные циннамоил-КоА-редуктазы, участвующие в параллельных путях с лигнином в Medicago truncatula». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 107 (41): 17803–8. Дои:10.1073 / pnas.1012900107. ЧВК  2955080. PMID  20876124.
  12. ^ Эскамилла-Тревиньо Л.Л., Шен Х., Уппалапати С.Р., Рэй Т., Тан И, Эрнандес Т., Инь И, Сюй И, Диксон Р.А. «Просо (Panicum virgatum) обладает дивергентным семейством циннамоил-КоА-редуктаз с различными биохимическими свойствами». Новый Фитолог. 185 (1): 143–55. Дои:10.1111 / j.1469-8137.2009.03018.x. PMID  19761442.
  13. ^ Чжоу Дж., Ли С., Чжун Р., Е Чж (январь 2009 г.). «MYB58 и MYB63 являются активаторами транскрипции пути биосинтеза лигнина во время формирования вторичной клеточной стенки у Arabidopsis». Растительная клетка. 21 (1): 248–66. Дои:10.1105 / tpc.108.063321. ЧВК  2648072. PMID  19122102.
  14. ^ Кавасаки Т., Койта Х, Накацубо Т., Хасэгава К., Вакабаяси К., Такахаши Х., Умемура К., Умедзава Т., Шимамото К. (январь 2006 г.). «Циннамоил-КоА-редуктаза, ключевой фермент в биосинтезе лигнина, является эффектором малой GTPase Rac в передаче защитных сигналов в рисе». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (1): 230–5. Дои:10.1073 / pnas.0509875103. ЧВК  1325009. PMID  16380417.
  15. ^ Loqué D, Scheller HV, Pauly M (июнь 2015 г.). «Проектирование стенок растительных клеток для увеличения производства биотоплива». Текущее мнение в области биологии растений. 25: 151–61. Дои:10.1016 / j.pbi.2015.05.018. PMID  26051036.
  16. ^ а б c Ван Акер Р., Лепле Дж. К., Аэртс Д., Сторм В., Гёминн Дж., Ивенс Б., Леже Ф, Лапьер С., Пиенс К., Ван Монтегю М. С., Санторо Н., Фостер С. Е., Ральф Дж., Соетерт В., Пилат Г., Бурьян В. ( Январь 2014). «Улучшение осахаривания и выхода этанола из выращенных в поле трансгенных тополей с дефицитом циннамоил-КоА редуктазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 111 (2): 845–50. Дои:10.1073 / pnas.1321673111. ЧВК  3896177. PMID  24379366.
  17. ^ Смит Р.А., Шуэц М., Роуч М., Мэнсфилд С.Д., Эллис Б., Сэмюэлс Л. (октябрь 2013 г.). «Соседние клетки паренхимы способствуют лигнификации ксилемы Arabidopsis, в то время как лигнификация межпучковых волокон является клеточно-автономной». Растительная клетка. 25 (10): 3988–99. Дои:10.1105 / tpc.113.117176. ЧВК  3877792. PMID  24096341.
  18. ^ Шабанн М., Баракате А., Лапьер С., Марита Дж. М., Ральф Дж., Пин М., Данун С., Халпин С., Грима-Петтенати Дж., Буде А. М. (ноябрь 2001 г.). «Сильное снижение содержания лигнина без значительного изменения развития растений вызвано одновременным подавлением циннамоил-КоА-редуктазы (CCR) и дегидрогеназы циннамилового спирта (CAD) в растениях табака» (PDF). Журнал растений. 28 (3): 257–70. Дои:10.1046 / j.1365-313x.2001.01140.x. PMID  11722769.