Biossíntese e deposição de hemicelulose nas paredes celulares

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1 Biossíntese e deposição de hemicelulose nas paredes celulares Elisson Romanel Departamento de Biotecnologia Escola de Engenharia de Lorena Universidade de São Paulo Lorena, SP

2 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, Emilie A Rennie and Henrik Vibe Scheller. Xylan biosynthesis. Current Opinion in Biotechnology 2014, 26: 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.

3 Parede celular e a Hemicelulose NATUREjVol 454j14 August 2008 OH OH OH O OH OH p-coumaryl alcohol Coniferyl alcohol O O OH Sinapyl alcohol H G S Plant Macrofibril Plant cell Macrofibril Cell wall Lignin Lignin Hemicellulose nm Pentose Hexose n-3 n-3 Crystalline cellulose n-3 Glucose n-3 Cellodextrin n-3 Hydrogen bond Figure 2 Structure of lignocellulose. The main component of lignocellulose is cellulose, a b(1 4)-linked chain of glucose molecules. Hydrogen bonds between different layers of the polysaccharides contribute p-coumaryl alcohol (H), coniferyl alcohol (G) and sinapyl a is synthesized by polymerization of these components and the polymer varies between different plants, wood tissues an Fonte: Rubin, 2008 Nature; Scheller e Ulvskov, 2010 Annu. Rev. Plant Biol.

4 Definição de Hemicelulose Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 Annu. Rev. Plant Biol.

5 Towards an understanding of plant cell Towards an of plant cell walls 3617 Componentes e Estruturas da understanding Hemicelulose Fonte: Sarkar et al., Journal of Experimental Botany

6 Estrutura dos Polissacarídeos Hemicelulósicos Legenda Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal

7 Mananas Mananas Galactomananas Glucomananas Galactoglucomananas (GGM) Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal; Pauly et al., Planta

8 Xiloglucano (XyG) Fucogalactoxyloglucano Arabinogalactoxyloglucano Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal; Pauly et al., Planta

9 Xilanos Xilanos Arabinoxilanos (AX) Glucuronoxilano (GX) Glucuronoarabinoxilano (GAX) Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal; Pauly et al., Planta

10 Glucano de Cadeia Mista Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal; Pauly et al., Planta

11 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

12 Ocorrência dos Polissacarídeos Hemicelulósicos no Vegetais Fonte: Pauly e Keegstra, 2008 Plant Journal

13 Ocorrência da Hemicelulose na Parede Primária e Secundária Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 Annu. Rev. Plant Biol.

14 Biossíntese de Polissacarídeos Fonte: Scheible e Pauly, 2004 Curr. Op. Plant Biology

15 Biossíntese de Hemicelulose NSE Enzimas de interconversão açúcar- nucleoideo GT Glicosiltransferase Funções adicionais Fonte: Mizrachi, et al., 2012 New Phytologist

16 Via de Interconversão Açúcar- Nucleoideo Fonte: Penning et al., 2009 Plant physiology

17 Via de Interconversão Açúcar- Nucleoideo Fonte: Yin et al., 2011 Plos One

18 Glicosiltransferase Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 Annu. Rev. Plant Biol.

19 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., Planta

20 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., Planta

21 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., Planta

22 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., Planta

23 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., Planta

24 Oligossacarídeo ou Tetrassacarídeo de Xilana Fonte: Scheller e Ulvskov, 2010 Annu. Rev. Plant Biol.

25 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., Planta

26 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., Planta

27 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., Planta

28 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

29 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., Planta

30 Biossíntese de Hemicelulose NSE Enzimas de interconversão açúcar- nucleoideo GT Glicosiltransferase Funções adicionais Fonte: Mizrachi, et al., 2012 New Phytologist