催化作用无法解释由膨胀蛋白介导的细胞壁蠕变：区分具有催化功能的ERPs与能引发蠕变的膨胀蛋白

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Catalysis does not explain expansin-mediated wall creep: Distinguishing catalytic ERPs from creep-active expansins

　　

Delgado Santamaría等人（1）发现，用高浓度的真菌单结构域ERP蛋白GtEXPN_133317处理48小时后，木聚糖会出现轻微但可检测到的降解现象。他们认为这一发现有助于阐明扩胀素如何快速（不到1分钟）促使细胞壁持续变形，而这一过程对植物生长至关重要，也可能与生物量的可利用性有关。他们的生化检测结果得到了突变实验的支撑，不过他们的推测混淆了那些能引发植物细胞壁变形的典型双结构域扩胀素与那些尚未被证实具有类似功能的单结构域ERP蛋白之间的差异。

目前所知的活性扩胀素具有两个共同特征（2）。从结构上看，它们由一个双ψβ桶状结构域（DPBB）与一个位于C端的碳水化合物结合结构域（CBM）紧密相连构成（3、4），从而形成一处长而开放的糖类结合表面（图1）。这种紧密的结构与某些酶中碳水化合物结合结构域较为松散的连接方式不同。从功能上看，扩胀素能在几秒到几分钟内就在伸长仪测试中引发植物细胞壁变形，且没有化学或机械证据表明存在细胞壁降解现象（2、5）。尽管使用了极为敏感的检测方法，但对来自植物、细菌和真菌的具有细胞壁变形功能的扩胀素的众多生化研究仍未能检测到细胞壁降解现象。到目前为止，只有具备这种双结构域结构的扩胀素才表现出这种变形能力（表1）。

图1.

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玉米EXPB1的填充模型，显示D1（绿色）与D2（青色）紧密相连，形成了适合结合多糖的长表面（紫色）。图中还展示了通过计算机模拟结合在该结合表面上的葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖（黄色/红色）。图片来源：转载自参考文献4，版权归2006年美国国家科学院所有。

表1.

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典型扩胀素（EXPA、EXPB、BsEXLX1）以及一些与扩胀素相关的蛋白质（GH45、swollenin、Lool12、GtEXPN_133317）的结构特征及已报道的功能总结

蛋白质	结构域	具有降解活性？	具有细胞壁变形活性？	能否削弱纸张强度？
EXPA	DPBB + CBM	否	是	是
EXPB	DPBB + CBM	否	是	否
BsEXLX1	DPBB + CBM	否	是	是
GH45	DPBB	强	否	？
Swollenin	CBM1+DPBB+CBM	弱	否	是
Lool12	DPBB	否	否	是

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信息来源于参考文献1、2以及4–8。

像GtEXPN_133317这样的单结构域DPBB蛋白根据序列相似性和系统发育关系可被归入不同的ERP蛋白类别，但这些分类并不能说明它们在功能上具有同等性。许多ERP蛋白家族都基于古老的DPBB结构，其中包括糖苷水解酶45家族（GH45）（参见cd22191）。尽管GH45蛋白具有很强的降解活性，但却无法引发细胞壁变形（4）。使用多种壁消化酶混合液进行的研究也得出了类似结论，即仅靠降解作用本身并不足以引发类似扩胀素的细胞壁变形现象（2、5）。这些研究结果表明，细胞壁变形需要扩胀素的两个结构域协同作用，而非单纯的催化反应。

对Bacillus subtilis的扩胀素EXLX1的研究进一步支持了这一观点（6）。完整的双结构域蛋白能够在伸长仪中引发细胞壁变形，而单独的D1或D2结构域则无法做到这一点。虽然D1结构域保留了在GH45蛋白以及可能也在GtEXPN_133317中起催化酸作用的保守ASP基团，但在EXLX1中，该ASP基团可能仅能促进葡聚糖的扭曲，而不会导致化学键断裂（9）。D1与D2结构域的协同作用或许能够引发纤维素网络中的结构紊乱，从而使纤维素微纤丝发生滑动，进而实现细胞壁变形，而无需发生降解作用（10）。

其他一些ERP蛋白，比如swollenin、cerato-platanin和loosenin，虽然能够破坏棉纤维或削弱滤纸强度，但却不具备细胞壁变形功能（表1）（4、7、8）。值得注意的是，GtEXPN_133317与Phanerochaete的loosenin-like12蛋白有较近的亲缘关系（1），后者虽也能削弱滤纸强度（但效果不如BsEXLX1），却在伸长仪测试中也不具备细胞壁变形功能（7）。对GtEXPN_133317及其突变体的功能进行类似的研究，有助于明确其降解活性在生物力学方面的意义。

对GtEXPN_133317的研究拓宽了我们对含有DPBB结构域的蛋白质功能多样性的认识，但关于它是否真的能引发由扩胀素介导的细胞壁变形这一结论目前还缺乏足够证据支持。根据现有证据，GtEXPN_133317更应被视为一种催化活性较弱的DPBB蛋白，其与扩胀素介导的细胞壁变形之间的关系还需要通过直接实验来验证。