Characterization of xyloglucan endotransglycosylase (XET) enzymes from different plant species

Abstract

Türler arası engin çeşitlilik gösteren ve Dünya üzerindeki bağlı organik karbonun büyük kısmını sağlayan Bitkiler Alemi, özgül ayırt edici bir özelliğe sahiptir; polisakkaritlerden ve fonksiyonel ve yapısal proteinlerden oluşmuş bir hücre duvarı. Bitki hücre duvarları, pektik polisakkaritlerinden oluşmuş bir matriks içine gömülmüş ve selülozik olmayan β-bağlı polisakkaritler ile çapraz bağlanmış selüloz mikrofibrillerinden oluşmuştur. Ksiloglukan, otsu olan, otsu olmayan ve Equisetum gibi evrimsel olarak uzak türlerde çokça bulunan, başlıca selülozik olmayan β-bağlı polisakkaritlerden biridir ve yük taşıyıcı bir yapı oluşturmak üzere primer hücre duvarında selüloz mikrofibrillerini çapraz bağlamaktadır. Hücre duvarı, bitkinin yaşamı boyunca değişmektedir. Bu değişim, veya adaptasyon, hücre duvarını değiştirebilen enzimler ile sağlanmaktadır. Tarımsal öneme sahip bitki türleri de dahil olmak üzere çoğu bitkide çok üyeli izozim aileleri şeklinde bulunan ksiloglukan endotransglikozilaz/ hidrolaz (XTH) enzimleri, hücre duvarında ksiloglukanın ve büyük ihtimalle diğer polisakkaritlerin endotransglikozilasyonu ve/veya hidrolizini katalizleyerek hücre duvarını değiştirmektedir. XTH enzimleri, amino asit dizileri temel alınarak altı adet filogenetik grup oluşturmaktadır ki enzimlerin substrat özgüllüklerinin de gruplar arası değiştiği gösterilmiştir. Bu çalışmada gösterildiği gibi Grup I XTH enzimleri baskın bir ksiloglukan tercihi gösterirken atasal grup üyeleri daha geniş bir substrat tercihi sergilerler ki Arabidopsis AtXTH3 üyesinin tercihi substratı karışık-bağlı β-glukandır. Bir diğer yandan, Equisetum fluviatile bitksinde karışık-bağlı β-glukanın keşfi ile, karışık-bağlı β-glukan; ksiloglukan endotransglikozlaz (MXE) olarak isimlendirilen bir enzim tanımlanmıştır. Türkiye'de yaygın olarak bulunan E. telmateia eksplant olarak kullanılıp MXE-benzeri enzim saflaştırılmış, karakterize edilmiş ve tanımlanmıştır. MXE, atasal grup ve Grup I üyesi enzimlerin karakterizasyonu ile bitki XTH'lerinin bakteri likeninaz atalarından evriminin aydınlatılması hedeflenmiştir.

Kingdom Plantae, which has extensive variety between species and provides the planet with most of the fixed organic carbon, is a very important kingdom with a specific distinctive feature; cell walls made of polysaccharides and functional and structural proteins. Plant cell walls are made of cellulose microfibrils embedded in a matrix of pectic polysaccharides and cross-linked with non-cellulosic β-linked polysaccharides. Xyloglucan is a major non-cellulosic β-linked polysaccharide, it is ubiquitous in the cell walls of non-graminaceous, graminaceous and evolutionarily distant species like Equisetum plants, and it links cellulose microfibrils to form load-bearing structures in the primary cell wall.The cell wall changes during the lifespan of a plant. This change, or adaptation, is achieved by enzymes that are capable of modifying cell wall polysaccharides. Xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase enzymes (XTH), found as multi-member isozyme families in most plant species, including agriculturally important species, catalyse endotransglycosylation and/or hydrolysis of xyloglucan and possibly other polysaccharides within the plant cell wall, resulting in modifications of the wall. XTH enzymes group into six phylogenetic clades depending on their amino acid sequences, which are also proven to differ in their substrate specificity. As demonstrated in this thesis, Group I XTH family members show dominant preference to xyloglucan whereas ancestral clade members have a broader substrate specificity, with Arabidopsis ATXTH3 members acting preferentially on mixed-linked β-glucan. On the other hand, with the discovery of mixed-linked β-glucan in Equisetum fluviatile, a new enzyme was identified named as mixed-linked β-glucan: xyloglucan endotransglycosylase (MXE). E. telmateia, an Equisetum species commonly found in Turkey, was used as an explant in order to purify, characterize and identify an MXE-like enzyme. With enzyme characterizations of MXE, ancestral clade and Group I members, evolution of XTHs in plants from bacterial licheninase ancestors is aimed to be enlightened.