アラビノガラクタンタンパク質

アラビノガラクタンタンパク質( AGP )は、植物の細胞壁に含まれる高度にグリコシル化されたタンパク質 (糖タンパク質) です。各 AGP は、糖分子が結合したタンパク質(総質量の 90% 以上を占める場合があります)で構成されています。これらは、ヒドロキシプロリン (Hyp) を豊富に含む細胞壁糖タンパク質のより広範なクラスに属し、グリコシル化された壁タンパク質の大規模で多様なグループです。

AGP は、種子、根、茎、葉、花序など、さまざまな高等植物に存在することが報告されています。AGP は細胞壁のわずかな部分を占めるに過ぎず、通常は一次壁の乾燥質量の 1% 以下です。また、根、葉、胚乳、胚組織の細胞培養培地の分泌物にも AGP が含まれていることが報告されており、花柱管細胞などの一部の分泌物産生細胞型は、大量の AGP を産生することができます。AGP は、根の伸長、不定胚形成、ホルモン反応、道管分化、花粉管の成長と誘導、プログラム細胞死、細胞拡大、耐塩性、宿主病原体相互作用、細胞シグナル伝達など、植物の成長と発達のさまざまな側面に関係しています。

AGP は、その非常に複雑な構造とシグナル伝達における潜在的な役割から、大きな注目を集めています。さらに、その化学的/物理的特性 (保水性、接着性、乳化) により、産業および健康への応用も期待されています。

AGPのタンパク質成分は、プロリン（P）、アラニン（A）、セリン（S）、トレオニン（T）というアミノ酸（別名「PAST」）が豊富に含まれており、このアミノ酸の偏りがAGPの識別に使用される特徴の1つです。^{[1] [2] [3] [4]} AGPは、安定した折り畳み構造の形成を妨げるプロリンなどの無秩序アミノ酸を高割合で含むため、本質的に無秩序なタンパク質です。本質的に無秩序なタンパク質の特徴として、AGPには反復モチーフと翻訳後修飾も含まれています。^{[2] [5]}タンパク質骨格のプロリン残基は、周囲のアミノ酸に応じてヒドロキシプロリン（O）に水酸化される可能性があります。 「Hyp連続性仮説」^{[6] [2] [3]}は、Oが非連続的に発生する場合、例えばAGPで発生する「SOTO」配列は、大きな分岐型II型アラビノガラクタン（AG）多糖類のO結合型グリコシル化のシグナルとして機能すると予測しています。 ^[7] AGグリコシル化を指示する配列（SO、TO、AO、VO）はAGPグリコモチフと呼ばれます。

すべての AGP タンパク質骨格には、少なくとも 3 つのクラスター化された AGP 糖鎖と、タンパク質を翻訳後修飾が始まる小胞体(ER) に導くN 末端 シグナル ペプチドが含まれています。 ^[8] P から O へのプロリル水酸化は、2-オキソグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼ ファミリーに属するプロリル 4-ヒドロキシラーゼ(P4H) によって行われます。 ^[9] P4H は、ER とゴルジ体の両方で特定されています。^[10]グリコシルホスファチジルイノシトール(GPI) アンカーの付加は、ほとんどの AGP で発生しますが、すべての AGP で発生するわけではありません。^{[3] [4]}

AGPは大きな多重遺伝子ファミリーに属し、予測されるタンパク質配列に応じていくつかのサブグループに分けられます。^{[11] [4] [12] [13] [2] [14]}「古典的な」AGPには、N末端のシグナルペプチド、100〜150 aaのPASTに富む配列、およびGPIアンカーの追加を指示するC末端の疎水性領域で構成されるGPI-AGP、C末端GPIシグナル配列を欠く非GPI-AGP、PASTに富むバックボーン内にKに富む領域を含むリジン（K）に富むAGP、および10〜15 aaの短いPASTに富むバックボーンを持つAGペプチドが含まれます（図2 ）。キメラAGPは、AGP領域と、認識されたタンパク質ファミリー（ Pfam）ドメインを持つ追加領域を持つタンパク質で構成されます。キメラ AGP には、脂質転移様ドメインを含むファシクリン様 AGP (FLA)、フィトシアニン様 AGP (PAG/PLA、早期ノジュリン様タンパク質、ENODL としても知られる)、およびキシロゲン様 AGP (XYLP) がある。^[1]タンパク質キナーゼ、ロイシンリッチリピート、X8、FH2 、およびその他のタンパク質ファミリードメインに関連する AG グリコモチフを含む、他の推定キメラ AGP クラスがいくつか特定されている。^{[2] [15] [16]}その他の非古典的な AGP としては、PAC ドメインとも呼ばれるシステイン (C) リッチドメインやヒスチジン (H) リッチドメインを含むもの^{[17] [18] 、} および AGP およびその他の HRGP メンバーに特徴的なモチーフ (通常はエクステンシンおよびTyrモチーフ) を持つハイブリッド HRGP が多数存在する。^{[17] [19] [1] [2] [14]} AGPは進化的に古く、緑藻類のほか、クロミスタやグラウコフィタでも確認されています。^{[2] [14] [20] AGPは}植物系統全体に見られ、陸上植物は藻類に存在する既存のAGPタンパク質バックボーン遺伝子を継承し、多様化させて膨大な数のAGPグリコフォームを生成したと考えられています。

AGPの炭水化物部分はアラビノースとガラクタンが多く含まれていますが、L-ラムノピラノース（L-Rha p）、D-マンノピラノース（Man p）、D-キシロピラノース（Xyl p）、L-フコース（Fuc）、D-グルコピラノース（Glc p）、D-グルクロン酸（GlcA）とその4-O-メチル誘導体、D-ガラクツロン酸（GalA）とその4-O-メチル誘導体などの他の糖も含まれています。^{[21] [22] AGPに含まれるAGはタイプII（タイプII AG）であり、つまり、（1,6）-結合β-D-ガラクトピラノース（Gal} p ）残基のガラクタン骨格と、（1,6）-結合β-D - Gal pの分岐（1〜3残基の長さ）です。ほとんどの場合、ガラクトシダーゼ残基はα-L-アラビノフラノース（Ara f）残基で終わっています。一部のAGPはウロン酸（GlcA）に富み、荷電した多糖部分を形成しますが、他のAGPはAra fの短いオリゴ糖を持っています。^[23]ヒドロキシプロリンO-β-ガラクトシルトランスフェラーゼ、β-1,3-ガラクトシルトランスフェラーゼ、β-1,6-ガラクトシルトランスフェラーゼ、α-アラビノシルトランスフェラーゼ、β-グルクロノシルトランスフェラーゼ、α-ラムノシルトランスフェラーゼ、およびα-フコシルトランスフェラーゼの特定のセットが、これらの複雑な構造の合成を担っています。^[24]

タイプ II AG、特に (1,3)-結合 β-D-Gal p残基の特徴の 1 つは、Yariv フェニルグリコシドに結合する能力です。Yariv フェニルグリコシドは、AGP の分子機能を撹乱する細胞化学試薬として、また AGP の検出、定量、精製、染色に広く使用されています。^[21]最近、β-1,6-ガラクトオリゴ糖の長さに関係なく、Yariv との相互作用は検出されなかったことが報告されました。^[25] Yariv フェニルグリコシドは、5 残基より長い β-1,3-ガラクタン鎖に対する特異的結合試薬であると結論付けられました。7 残基以上であれば架橋に十分であり、Yariv フェニルグリコシドによるグリカンの沈殿につながります。これは、β-Yariv 染料に結合する古典的な AGP で観察されます。同様の結果が観察され、AGPがYariv試薬と凝集体を形成するには少なくとも5～7個のβ-1,3結合ガラクトシダーゼユニットが必要であることが示唆された。^[26]

翻訳後、AGPタンパク質骨格は複合炭水化物、主にII型AG多糖類で高度に装飾されます。^[27]成熟AGPの生合成には、N末端のシグナルペプチドの切断、P残基の水酸化とそれに続くグリコシル化、そして多くの場合GPIアンカーの付加が含まれます。

AGP骨格のグリコシル化は、主にER画分に存在するO-ガラクトシルトランスフェラーゼによる最初のガラクトシル化でERで開始されると示唆されています。^[28]その後、鎖延長は主にGAで起こります。^[29] GPIアンカーを含むAGPの場合、付加はERへの翻訳中に起こります。

AGグリカンの構造は、 β -1,3結合 ガラクトース（Gal）の骨格と、 β -1,6結合ガラクトース側鎖から構成され、アラビノース（Ara）、ラムノース（Rha）、ガラクトース、フコース（Fuc）、グルクロン酸（GlcA）の末端残基を有する。これらのAGグリカン部分は、グリコシルトランスフェラーゼ（GT）によって組み立てられる。^[30] AGPのO-グリコシル化は、タンパク質に最初のガラクトースを付加するHyp- O-ガラクトシルトランスフェラーゼ（Hyp- O -GalT）の作用によって開始される。その後、複雑なグリカン構造は、その大部分が生化学的に特徴付けられていない一連のグリコシルトランスフェラーゼによって精巧に作られる。GT31ファミリーは、AGPグリカン骨格の生合成に関与するファミリーの1つである。^{[31] [32]} GT31ファミリーの多数のメンバーはHyp- O -GALT活性を持つことが同定されており^{[33] [34]}、コアβ- (1,3)-ガラクタン骨格もGT31ファミリーによって合成される可能性が高い。^{[32] GT14ファミリーのメンバーは、AGPへの}β- (1,6)-およびβ- (1,3)-ガラクタンの追加に関与している。^{[35] [36]}シロイヌナズナでは、フコースなどの末端糖はGT37ファミリーのAtFUT4（フコシルトランスフェラーゼ）およびAtFUT6によって追加されると提案されており^{[37] [38]}、末端GlcAの取り込みはGT14ファミリーによって触媒される可能性がある。^{[35] [39]}末端Rhaに関与するGTなど、まだ特定されていないGTが多数ある。

バイオインフォマティクス解析により、多くの AGP に GPI アンカーが付加されることが予測されています。^[4] GPI 部分の初期合成は ER 細胞質表面で起こり、その後の組み立ては ER の内腔で起こります。これには、トリマンノース(Man)、ガラクトース、非 N-アセチル化グルコサミン(GlcN)、エタノールアミンリン酸の組み立てが含まれ、成熟した GPI 部分が形成されます。^{[40] [41]} AGP は、ER に共翻訳的に移行しながら GPI アンカーが付加され、これら 2 つのプロセスは最終的に収束します。その後、トランスアミダーゼ複合体は、ω 切断部位を認識すると、同時に C 末端でコアタンパク質を切断し、完全に組み立てられた GPI アンカーをタンパク質の C 末端のアミノ酸残基に転移します。これらのイベントは、プロリルヒドロキシル化およびグリコシル化の前に発生します。^{[42] [10]} GPIアンカーのコアグリカン構造はMan - α -1,2-Man -α -1,6-Man - α -1,4-GlcN-イノシトール（Man：マンノース、GlcN：グルコサミニル）であり、多くの真核生物で保存されています。^{[41] [43] [44] [40] [10] [45]現在までに特徴付けられた唯一の植物GPIアンカー構造は、}ナシ懸濁培養細胞由来のGPIアンカー型AGPです。 ^{[40]これは、} β -1,4-ガラクトシダーゼを含んでいたため、以前に特徴付けられたGPIアンカーと比較して部分的に変更されたグリカン部分を示しました。 GPIアンカーの合成およびタンパク質組み立て経路は、哺乳類と植物で保存されていると提案されています。^[10] GPIアンカーの組み込みにより、タンパク質がERの膜に付着し、GAに移行して、壁に面した細胞膜の外葉に分泌されるようになります。 ^[46] OxleyとBacicが提案したように、^[40] GPIアンカー型AGPは、いくつかのホスホリパーゼ（PL）（CまたはD）による切断を介して放出され、細胞外区画に分泌されると考えられます。

哺乳類のβ-1,3-ガラクトシルトランスフェラーゼ（GalT）配列をテンプレートとして使用したバイオインフォマティクス解析により、AGバックボーンのガラクタン鎖の合成に炭水化物活性酵素（CAZy）グリコシルトランスフェラーゼ（GT）31ファミリーが関与していることが示唆された。 ^[47] GT31ファミリーのメンバーは11の系統に分類されており、4つの系統は植物特異的である：系統1、7、10、および11。系統1と11のドメインとモチーフは明確に定義されていないが、系統7と10は哺乳類システムで既知のGalT機能を持つタンパク質とドメイン類似性がある。^[47]系統7のタンパク質にはGalTドメインとガレクチンドメインの両方が含まれ、系統10のタンパク質にはGalT特異的ドメインが含まれる。^[48]ガレクチンドメインは、GalTがAGPのポリペプチド骨格上の最初のGal残基に結合できるようにし、それによってタンパク質骨格上の後続のGal残基の位置を決定すると考えられており、これはヒトガレクチンドメインを含むタンパク質の活性に似ています。^[47]

GT31ファミリーに属する8つの酵素は、AGPコアタンパク質の最初のガラクトシダーゼ残基をHyp残基に配置する能力があることが実証されています。これらの酵素は、クレード7のメンバーであるGALT2、GALT3、GALT4、GALT5、GALT6 ^[49] 、およびクレード10のメンバーであるHPGT1、HPGT2、HPGT3 ^{[50]と名付けられています。予備的な酵素基質特異性研究により、別のGT31クレード10酵素であるAt1g77810がβ-1,3-GalT活性を持つことが実証されました。 [47]} GT31クレード10遺伝子であるKNS4/UPEX1は、AGPおよび/またはペクチン性ラムノガラクツロナンI（RG-I）に存在するタイプII AGに見られるβ-1,3-Gal結合を合成できるβ-1,3-GalTをコードしています。^[51] GT31クレード10の別のメンバーであるGALT31Aは、大腸菌とニコチアナ・ベンサミアナで異種発現するとβ-1,6-GalTをコードし、AGPグリカンのβ-1,6-ガラクタン側鎖を伸長させる。^[52] GT29ファミリーのメンバーであるGALT29Aは、GALT31Aと共発現し、協調的に作用して複合体を形成することが確認されている。^[53]

GT14の3つのメンバーであるGlcAT14A、GlcAT14B、およびGlcAT14Cは、Pichia pastorisでの異種発現後のin vitro酵素アッセイで、β-1,6-およびβ-1,3-Gal鎖の両方にGlcAを付加することが報告されました。^[54] GT37ファミリーに属する2つのα-フコシルトランスフェラーゼ遺伝子、FUT4とFUT6は、AGPにα-1,2-フコース残基を付加する酵素をコードします。^{[55] [56]}これらは、AGP基質特異性が多少異なるため、部分的に重複しているようです。^[55] GT77ファミリーのメンバーであるREDUCED ARABINOSE YARIV (RAY1)は、Yariv沈殿性壁ポリマーのメチルβ-Galにβ-Ara fを付加するβ-アラビノシルトランスフェラーゼであることがわかりました。^[57] AGPグリコシル化に関与する他の遺伝子と他の植物細胞壁成分との相互作用を機能的に特定するためのさらなる研究が期待される。

AGPの人間への利用としては、増粘剤や乳化剤としての天然の特性を生かした食品産業や製薬産業でのアラビアゴムの使用が挙げられる。^{[58] [59]}穀物中のAGPは、栄養強化^[60]、腸内細菌をサポートする食物繊維源^{[61] 、}エタノール毒性に対する保護剤としての用途が期待されている。^[62]

AGPは、広範囲の植物組織、根、葉、胚乳、胚組織の細胞培養培地の分泌物、および花柱管細胞などの一部の滲出液産生細胞型に見られます。[19] [63] AGPは、生殖器官における雌雄の認識、胚および胚後発育における細胞分裂と分化、種子粘液細胞壁の発達、根の耐塩性、根と微生物の相互作用など、植物の成長と発達の多くの側面を制御^することが示されている。 [ 64 ] [ 10 ] [ 65 ^{]これらの}研究は、哺乳類のプロテオグリカン/糖タンパク質に見られるものと同様に、AGPが多機能であることを示唆しています。^{[66] [67] [68] AGPの機能を研究する従来の方法には、} β-グリコシル（通常はグルコシル）Yariv試薬とモノクローナル抗体（mAbs）の使用が含まれます。β-グリコシル Yariv 試薬は、AGP に特異的に（共有結合ではなく）結合する合成フェニルアゾグリコシドプローブであり、溶液から AGP を沈殿させるために使用できます。^[69]また、AGP の位置と分布を調べるための組織化学染色としても一般的に使用されています。^{[70] [71]}多くの研究で、β -Yariv 試薬を植物成長培地に添加すると、苗の成長、細胞の伸長が抑制され、不定胚形成が阻害され、新鮮な細胞壁の塊が蓄積されることが示されています。^{[72] [73] [74] AGP の炭水化物}エピトープに特異的に結合する mAb の使用は、AGP エピトープの位置とパターンに基づいて機能を推測するためにも使用されています。^[75] AGP に対して一般的に使用される mAb には、CCRC-M7、LM2、JIM8、JIM13、JIM14 などがあります。^[76]

個々の AGP の機能は、主に変異体の研究を通じて推測されてきました。たとえば、シロイヌナズナの根に特異的なAtAGP30 は、試験管内での根の再生に必要であることが示されており、これは、植物ホルモンの活性を調節することで根を再生する機能を示唆しています。^[77]シロイヌナズナのagp6およびagp11変異体の研究では、これらの AGP が花粉粒の無制限な生成を防ぎ、花粉管の正常な成長に重要であることが実証されています。^{[78] [79]}細胞シグナル伝達における AGP の機能メカニズムは十分に理解されていません。提案されている 1 つのモデルでは、AGP が相互作用して AG グリカンからのカルシウムの放出を制御し (GlcA 残基を介して)、カルシウムによって媒介される下流のシグナル伝達経路をトリガーできることが示唆されています。^{[80] [81] [82]}主に FLA の研究に基づいた別の可能性のあるメカニズムでは、ファシクリンドメインと AG グリカンの組み合わせが細胞間接着を媒介できることが示唆されています。^{[83] [84]}

植物の成長と発達の過程における AGP の機能は、そのグリカンとタンパク質骨格部分の驚くべき多様性に大きく依存しています。^[121]特に、発達に関与している可能性が最も高いのは AG 多糖類です。[ ^122] AGP の生物学的役割のほとんどは、主にArabidopsis thalianaにおける AGP グリコシル化に関与する遺伝子または酵素のT-DNA 挿入変異体の特徴付けを通じて特定されています。galt2-6単一変異体は、通常の成長条件下で、根毛の長さと密度の減少、種子形成の減少、付着性種皮粘液の減少、および早期老化を含むいくつかの生理学的表現型を示しました。^[123]しかし、galt2galt5二重変異体は、根毛の長さと密度、種皮粘液に関して、単一変異体よりも重度で多面的な生理学的表現型を示しました。 ^[123]同様に、hpgt1hpgt2hpgt3三重変異体は、側根の延長、根毛の長さと密度の増加、根の太さ、ロゼット葉の小型化、葉柄の短縮、花序茎の短縮、稔性の低下、長角果の短縮など、いくつかの多面的表現型を示した。^[50] GALT31Aの場合、シロイヌナズナの胚発生に必須であることがわかっている。GALT31Aの9番目のエクソンへのT-DNA挿入は、この変異体系統の胚致死をもたらした。^[52]一方、KNS4 /UPEX1のノックアウト変異体では、花粉粒が崩壊し、花粉外膜の構造と形態に異常がみられる。^[124]さらに、kns4単一変異体は稔性の低下を示し、KNS4/UPEX1が花粉の生存と発達に重要であることが確認された。^[51] FUT4とFUT6のノックアウト変異体は塩分条件下で根の成長が著しく阻害されたが^[56]、GlcAT14A、GlcAT14B、GlcAT14Cのノックアウト変異体は、実生の成長中に暗所で生育した胚軸と明所で生育した根の細胞伸長速度が向上した。^{[125]垂直プレート上で生育した}ray1変異体苗の場合、主根の長さはRAY1変異の影響を受けた。さらに、ray1変異体の主根は野生型シロイヌナズナと比較して成長速度が遅かった。^[57]これらの研究を総合すると、AGP の適切なグリコシル化が植物の成長と発達における AGP 機能にとって重要であるという証拠が得られます。

AGPの人間への利用としては、アラビアゴムが増粘剤や乳化剤として天然の特性を持つことから、食品産業や製薬産業で使用されていることが挙げられる。^{[58] [59]}穀物中のAGPは、バイオ強化^{[60] 、}腸内細菌をサポートする食物繊維源^{[61] 、}エタノール毒性に対する保護剤としての用途が期待されている。^[62]

• アラビノガラクタン
• プロテオグリカン

この記事は、 CC BY 4.0ライセンス（2021） （査読者レポート） の下、以下のソースから改変されました：Yingxuan Ma、Kim Johnson（2021年 1月15日）。「アラビノガラクタンタンパク質」（PDF）。WikiJournal of Science。4（1）：2。doi ： 10.15347 /WJS/ 2021.002。ISSN 2470-6345。Wikidata Q99557488  。