Oxyprolin-rige glykoproteiner

Proteinerne, der er bundet til den primære plantecellevæg, er normalt glykoproteiner. De er enten kovalent bundet til cellevæggen eller forbliver i cellevæggen i opløst tilstand. Nogle af dem er enzymer, andre udfører strukturelle funktioner.

De fleste cellevægsglykoproteiner er rige på oxyprolin. De oxyprolinrige glykoproteiner (ORG) er lineære molekyler, der er rige på basiske aminosyrer. Et højt niveau af disse aminosyrer omdanner cellevæggen til en polykationisk barriere, der binder negativt ladede partikler eller celler, der ligner bakterieceller.

Planteceller udskiller mindst tre klasser af glycoproteiner, der indeholder en stor mængde oxyprolin: extensins, arabinogalactanproteiner og lectiner.

Extensin udskilles som et opløseligt protein, der er svagt bundet til cellevæggene gennem isodityrosinbroer; til sidst produceres en uopløselig cellekomponent. To tredjedele af den opløselige form af extensin består af kulhydrater og en tredjedel af proteiner. Molekylvægten af gulerodsektensin er 86 kDa, og ca. 36 kDa frigives ved deglykosylering. Extensin-krydsforbindelsen med cellevægskomponenterne synes at være opbygget med inddragelse af en specifik peroxidase.

Extensin har en usædvanlig aminosyresammensætning: 41 mol.% oxyprolin, 12 mol.% serin, 10 mol.% lysin, 8 mol.% tyrosin og 0-11 mol.% histidin. Manglen på sure aminosyrer og det store indhold af lysin og histidin bestemmer det basiske isoelektriske punkt inden for 10-12. Cellevæggens extensin kan omdannes til et opløseligt glycoprotein ved hjælp af prolyl hydroxylase og oxyprolyl arabinosyl transferase. Begge enzymer er lokaliseret i Golgi-apparatet. Tri- og tetrarabinosid-sidekæderne er for det meste forbundet med oxyprolinrester.

I modsætning til extensin er arabinogalactanproteiner opløselige oxyprolinholdige glykoproteiner lokaliseret både i cytoplasmaet og ekstracellulært. Aminosyrerne i arabinogalactanproteiner er for det meste oxyprolin, serin, alanin og glycin. Arabinose- og arabinogalactankæder med høj polymerisationsgrad samt den forgrenede kulhydratkerne af α-D-galac-topyranosylrester er forbundet med oxyprolin. Arabinosid- og glycuron-syrer er desuden knyttet til kernen. Hydroxylering af prolin og transport af arabinosid til oxyprolin synes at foregå på samme måde som i extensin.

Et endelig er den tredje ORG-klasse lektinerne fra planterne i Solanaceae-familien, som er lokaliseret både intracellulært og ekstracellulært. Disse proteiner indeholder 50-60% oxyprolin, serin, glycin og cystein, som er de dominerende aminosyrer. Arabinoseresterne er bundet til oxyprolin og galactosylresterne til serin. ORG’er fra kartofler agglutinerer avirulente, men ikke virulente stammer af bakteriehelbredspatogenet Ralstonia solanacearum. De blev kaldt “agglutininer” for at adskille dem fra strukturelt lignende lektiner, som kun har en lav hæmagglutinerende aktivitet. Agglutininer er opløselige forbindelser af cellevægge, der indeholder op til 61 % kulhydrater. Kulhydratdelen består af arabinose og en lille mængde galactose, glucose og glucosamin. Molekylvægten er 91 kDa, og den falder ved deglycosilering til 56 kDa. Indtil videre er det vanskeligt at vurdere, om agglutininer spiller nogen rolle i forholdet mellem plante og parasit.

Mekanismerne for ORG-biosyntesen er endnu ikke helt klarlagt. Det antages, at ethylen er involveret i denne proces, da elicitorer inducerer dets dannelse. Desuden kan ethylen i sig selv inducere ORG-dannelse. I melonens cellevægge vokser ORG-indholdet med flere gange som reaktion på inokulation med Gloeosporium lagenarium, hvilket ledsages af en kraftig stigning i ethylenproduktionen i planten. Elicitorer fra denne svamp eller melonens cellevægge forårsagede en lignende reaktion. Behandling af melonplanterne med ethylen før inokulationen øgede både ORG-indholdet og resistens, mens hæmning af ORG’er fremmede deres kolonisering af patogenet.

Specifik hæmning af ethylenbiosyntesen i inokulerede eller elicitorbehandlede plantevæv undertrykte oxyprolinaflejring i væggene. Ethylenprækursoren aminocyclopropancarboxylsyre inducerede ORG’er i vævene fra de ubehandlede planter og genoprettede også ORG-dannelsen i de væv, der var behandlet med inhibitoren.

Elicitoren fra Phytophthora megasperma inducerede syntese af ethylen og ORG’er i hypokotyler fra sojabønner. Et øget indhold af oxyprolin opstod også ved inkompatibel, men ikke kompatibel interaktion af agurken med Cladosporium cucumerinum. Tværtimod øgedes oxyprolinkoncentrationen i hvedens cellevægge ved inokulation med en kompatibel linje af Erysiphe graminis.

Akkumulation af ORG’er og deres mRNA i inficerede væv og cellekultur fandt sted i bønner, der var angrebet af Colletotrichum lindemutianum, ledsaget af midlertidig aktivering af prolylhydroxylase og arabinosyltransferase. Arabinosyltransferase er forbundet med Golgi-apparatet, mens prolylhydroxylase er koncentreret i det endoplasmatiske reticulum.

En stigning i ORG-niveauet i cellevæggene i inficerede væv ændrer kraftigt deres egenskaber. Som polymerer styrker ORG’er celleoverfladen, og som polykationer ændrer de overfladeladningen.

ORG-gener fra gulerod, tomat og bønner er blevet klonet og sekventeret. I alle tre tilfælde besad generne en betydelig homologi med hinanden og indeholdt en karakteristisk gentagelsessekvens, der koder for serin-fire prolin pentapeptid. ORG-dannelsen er kodet af en familie af gener, der reguleres på forskellig måde i sårede eller inficerede planter.

Mængden og hastigheden af mRNA-akkumulering for ORG’er i bønnehypokotyler, der var inokuleret med en inkompatibel race af C. lindemuthianum, viste sig at være betydeligt højere end i et kompatibelt samspil. Det blev også vist, at mRNA for ORG’er også blev akkumuleret i uinficeret væv bortset fra inokulationsstedet, hvilket var tegn på, at dannelsen af dem var systemisk.

Planternes cellevæg indeholder således glycoproteiner, hvoraf mange har fermenteringsaktivitet. Nogle af dem, især peroxidaser og glycosylhydrolaser, kan spille en vigtig rolle i planternes forsvarsreaktioner mod fytopatogener. F.eks. er den specifikke peroxidase involveret i ligninbiosyntesen og dannelsen af isodityrosinbroer i extensin samt de broer, hvor cellevæggene er bundet af ferulinsyre. Glycosylhydrolaser, som er en almindelig bestanddel af plantecellevægge, kan være ansvarlige for frigørelsen af oligosakkariner fra plante- eller svampecellevægge.