Plant polygalacturonase structures specify enzyme dynamics and processivities to fine-tune cell wall pectins

果胶酶 拟南芥 细胞壁 生物 生物化学 拟南芥 纤维素酶 过程性 果胶 氨基酸 基质(水族馆) 生物物理学 突变体 基因 聚合酶 生态学
作者
Josip Šafran,Wafae Tabi,Vanessa Ung,Adrien Lemaire,Olivier Habrylo,Julie Bouckaert,Maxime Rouffle,Aline Voxeur,Paula Pongrac,Solène Bassard,Roland Molinié,Jean‐Xavier Fontaine,Serge Pilard,Corinne Pau‐Roblot,Estelle Bonnin,Danaè S. Larsen,Mélanie Morel‐Rouhier,Jean‐Michel Girardet,Valérie Lefebvre,Fabien Sénéchal
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
卷期号:35 (8): 3073-3091 被引量:40
标识
DOI:10.1093/plcell/koad134
摘要

Abstract Polygalacturonases (PGs) fine-tune pectins to modulate cell wall chemistry and mechanics, impacting plant development. The large number of PGs encoded in plant genomes leads to questions on the diversity and specificity of distinct isozymes. Herein, we report the crystal structures of 2 Arabidopsis thaliana PGs, POLYGALACTURONASE LATERAL ROOT (PGLR), and ARABIDOPSIS DEHISCENCE ZONE POLYGALACTURONASE2 (ADPG2), which are coexpressed during root development. We first determined the amino acid variations and steric clashes that explain the absence of inhibition of the plant PGs by endogenous PG-inhibiting proteins (PGIPs). Although their beta helix folds are highly similar, PGLR and ADPG2 subsites in the substrate binding groove are occupied by divergent amino acids. By combining molecular dynamic simulations, analysis of enzyme kinetics, and hydrolysis products, we showed that these structural differences translated into distinct enzyme–substrate dynamics and enzyme processivities: ADPG2 showed greater substrate fluctuations with hydrolysis products, oligogalacturonides (OGs), with a degree of polymerization (DP) of ≤4, while the DP of OGs generated by PGLR was between 5 and 9. Using the Arabidopsis root as a developmental model, exogenous application of purified enzymes showed that the highly processive ADPG2 had major effects on both root cell elongation and cell adhesion. This work highlights the importance of PG processivity on pectin degradation regulating plant development.
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