Cinnamoyl-CoA réductase - Cinnamoyl-CoA reductase
| Cinnamoyl-CoA réductase | |||||||||
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 Structure tertiaire de CCR1 de Petunia x hybrida colorée par un élément structurel secondaire, générée à partir de 4R1S
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| Identifiants | |||||||||
| CE n° | 1.2.1.44 | ||||||||
| N ° CAS. | 59929-39-4 | ||||||||
| Bases de données | |||||||||
| IntEnz | Vue IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entrée BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Vue NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Entrée KEGG | ||||||||
| MétaCycle | voie métabolique | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Structures de l' APB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontologie des gènes | AmiGO / QuickGO | ||||||||
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La cinnamoyl-CoA réductase ( EC 1.2.1.44 ), appelée systématiquement cinnamaldéhyde:NADP+ oxydoréductase (CoA-cinnamoylante) mais communément désignée par l'acronyme CCR, est une enzyme qui catalyse la réduction d'un cinnamoyl-CoA substitué en son cinnamaldéhyde correspondant , en utilisant NADPH et H + et libérant du CoA et du NADP + libres dans le processus. Common cinnamoyl-CoA biologiquement pertinents substrats pour CCR comprennent p -coumaroyl-CoA et féruloyl-CoA, qui sont convertis en p -coumaraldehyde et coniféraldéhyde , respectivement, bien que la plupart des CCRs montrent une activité vers une variété d'autres substitué cinnamoyl-CoA est aussi bien. Catalysant la première étape engagée dans la biosynthèse du monolignol , cette enzyme joue un rôle essentiel dans la formation de la lignine, un processus important chez les plantes à la fois pour le développement structurel et la réponse de défense.
Structure
Le premier CCR confirmé a été isolé du soja ( Glycine max ) en 1976. Cependant, les structures cristallines n'ont jusqu'à présent été signalées que pour trois homologues du CCR : Petunia x hybrida CCR1, Medicago truncatula CCR2 et Sorghum bicolor CCR1. Alors que l'enzyme cristallise sous forme de dimère asymétrique, on pense qu'elle existe sous forme de monomère dans le cytoplasme, chaque protéine individuelle ayant une structure bilobée constituée de deux domaines entourant une grande fente interne vide pour la liaison au substrat. Les CCR typiques ont un poids moléculaire d'environ 36-38 kDa.
Le domaine contenant l' extrémité N-terminale de l'enzyme se compose de plusieurs hélices alpha et de six brins bêta qui, en plus d'un septième brin connecté au côté C-terminal de l'enzyme, forment une structure en feuillet bêta parallèle connue sous le nom de pli de Rossmann . Dans le CCR, cette structure de pli, un motif commun parmi les protéines, sert de domaine de liaison pour le NADPH. Le deuxième domaine, qui se compose de plusieurs hélices alpha, brins bêta et boucles étendues , est responsable de la liaison du substrat de cinnamoyl-CoA. Ces deux domaines sont situés de telle sorte que les sites de liaison du NADPH et du Cinnamoyl-CoA soient proches l'un de l'autre à l'interface des lobes.
Bien que les tentatives de cocristallisation de l'enzyme avec un cinnamoyl-CoA lié aient jusqu'à présent été infructueuses, des études d' amarrage moléculaire indiquent que le segment CoA de ces molécules se replie pour se lier le long de la partie externe de la fente interdomaine, tandis que la partie contenant du phényle de ces substrats se fixe probablement dans la partie la plus profonde de la fente. Cette partie interne de la poche contient plusieurs acides aminés avec des chaînes latérales non polaires nécessaires à la stabilisation du cycle phényle hydrophobe en plus d'un résidu tyrosine important pour la formation de liaisons hydrogène avec le groupe 4- hydroxyle du cycle . On pense que les identités particulières des résidus non polaires jouent un rôle critique dans la détermination de la spécificité du substrat.
Mécanisme
Le mécanisme de réduction du thioester de CoA en aldéhyde implique un transfert d' hydrure au carbone carbonyle à partir du NADPH, formant un intermédiaire tétraédrique avec une charge négative formelle sur l'atome d'oxygène. On pense que cette charge négative est stabilisée partiellement via une liaison hydrogène avec les atomes d'hydrogène des chaînes latérales tyrosine et sérine voisines . Les résidus sérine et la tyrosine sont conservés dans tous les CCR dans le cadre d'une triade catalytique en même temps que la lysine , qui est pensé pour contrôler le pK a de la tyrosine via électrostatiques interactions avec le groupe ribose du NADPH.
L'intermédiaire tétraédrique s'effondre alors, expulsant le CoA et formant un aldéhyde comme produit final. Le thiolate du CoA est protoné soit lorsqu'il sort par un résidu voisin, soit après qu'il est libéré de la poche de liaison et hors de l'enzyme ensemble ; le mécanisme exact n'est actuellement pas clair, mais des preuves suggèrent qu'un résidu de cystéine peut jouer le rôle de donneur de protons thiolate.
Fonction biologique
L' analyse phylogénomique indique que les enzymes avec une véritable activité CCR ont d'abord évolué dans le(s) ancêtre(s) des plantes terrestres . On pense que la plupart, sinon toutes les plantes terrestres modernes et toutes les plantes vasculaires ont au moins un CCR fonctionnel, une exigence absolue pour toute espèce végétale à tissus lignifiés. La plupart des homologues de CCR sont fortement exprimés au cours du développement, en particulier dans les cellules souches , racinaires et du xylème qui nécessitent le support structurel amélioré fourni par la lignine. Cependant, certains CCR ne sont pas exprimés de manière constitutive tout au long du développement et ne sont régulés à la hausse que lors d'une lignification accrue en réponse à des facteurs de stress tels que l' attaque d' agents pathogènes .
Le CCR est particulièrement important car il agit comme un point de contrôle final pour la régulation du flux métabolique vers les monolignols et donc aussi vers la lignine ; avant cette étape de réduction, les cinnamoyl-CoA peuvent encore entrer dans d'autres voies métaboliques spécialisées expansives. Par exemple, le féruloyl-CoA est un précurseur de la coumarine scopolétine , un composé censé jouer un rôle important dans la réponse des agents pathogènes des plantes. Le CCR joue également un rôle dans la détermination de la composition de la lignine en régulant les niveaux des différents monomères en fonction de son activité spécifique envers des cinnamoyl-CoA particuliers. Monocotylédones et dicotylédones , par exemple, ont tendance à avoir des motifs de lignine très différentes: la lignine trouvée dans monocotylédones a généralement un pourcentage plus élevé de p alcool -coumaroyl sous - unités dérivée de , tandis que la lignine trouve dans dicots est généralement composé de presque entièrement l' alcool coniféryl et l' alcool sinapylique sous - unités . Comme on peut le voir dans le diagramme de droite, ces monolignols sont dérivés directement de leurs aldéhydes correspondants, sauf dans le cas de l'alcool sinapylique - alors que plusieurs homologues du CCR ont été montrés pour agir sur le sinapoyl-CoA in vitro , il n'est pas clair si cette activité est biologiquement pertinente et la plupart des modèles actuels de la voie de la lignine n'incluent pas cette réaction en tant qu'étape valide.
Des études récentes indiquent que de nombreuses espèces végétales ont deux homologues distincts de CCR avec une activité différentielle in planta . Dans certaines plantes, les deux homologues varient principalement en fonction de la spécificité du substrat. Par exemple, le CCR1 de la légumineuse modèle Medicago truncatula montre une forte préférence pour le féruloyl-CoA (typique de la plupart des CCR), tandis que le CCR2 de la plante montre une nette préférence pour le p- coumaroyl- et le caféoyl-CoA. Ce deuxième CCR, qui est activé allostériquement par ses substrats préférés mais inhibé par le féruloyl-CoA, est censé agir dans le cadre d'une voie de dérivation vers le coniféraldéhyde qui améliore la flexibilité et la robustesse globales de la voie dans différentes conditions. Dans d'autres cas cependant, les deux homologues varient principalement selon le modèle d'expression. Dans la plante modèle Arabidopsis thaliana , par exemple, les homologues CCR1 et CCR2 présentent tous deux une activité plus élevée envers le féruloyl-CoA que d'autres substrats, mais CCR2 n'est exprimé que de manière transitoire pendant l'infection bactérienne . La paire d'homologues dans le panic raide ( Panicum virgatum ) diffère dans les deux sens : CCR2 préfère le p -coumaroyl- et le caféoyl-CoA et n'est exprimé que dans des conditions spécifiquement induites, tandis que CCR1 préfère le féruloyl-CoA et est exprimé de manière constitutive dans le tissu lignifiant.
On pense que la régulation de l'expression du CCR se produit principalement au niveau transcriptionnel . Chez Arabidopsis thaliana , plusieurs des facteurs de transcription requis pour l'expression du CCR ont en fait été identifiés, notamment MYB58 et MYB63, qui sont tous deux généralement impliqués dans la formation de la paroi cellulaire secondaire. Il a été démontré que la surexpression de ces deux facteurs de transcription entraîne une augmentation de 2 à 3 fois des transcrits d' ARNm du CCR , bien que curieusement, la régulation à la hausse des gènes plus en amont dans la voie du monolignol soit encore plus importante. Cependant, la régulation non transcriptionnelle du CCR peut également être importante. Dans le riz ( Oryza sativa ), par exemple, des preuves suggèrent que l'homologue CCR1 est un effecteur de Rac1, une petite GTPase importante pour la réponse de défense des plantes. Dans ce cas, la protéine Rac1 est proposée pour activer le CCR lors de la liaison, conduisant à une biosynthèse améliorée du monolignol. Étant donné que Rac1 active également la NADPH oxydase , qui produit des peroxydes essentiels à la polymérisation du monolignol , la biosynthèse globale de la lignine est également améliorée.
Importance biotechnologique
Les efforts visant à concevoir la formation de parois cellulaires végétales pour une production améliorée de biocarburants ciblent généralement la biosynthèse de la lignine afin de réduire la teneur en lignine et ainsi d'améliorer les rendements en éthanol à partir de la cellulose , un polysaccharide complexe important pour la structure de la paroi cellulaire. La lignine est gênante pour la production de biocarburants car elle est le principal contributeur à la récalcitrance de la biomasse végétale en raison de sa ténacité et de son hétérogénéité . En réduisant la teneur en lignine, la cellulose est plus facilement accessible aux réactifs chimiques et biologiques utilisés pour la décomposer. L'abaissement du niveau d'expression de CCR en particulier est apparu comme une stratégie commune pour atteindre cet objectif, et cette stratégie a abouti à une réduction réussie de la teneur en lignine et à une augmentation de la production d'éthanol de plusieurs espèces végétales, notamment le tabac ( Nicotiana tabacum ) et le peuplier ( Populus tremula x Populus alba ). Les défis de cette stratégie comprennent la grande variation des niveaux d'expression associés aux technologies actuelles de transformation génétique des plantes , en plus de la diminution spectaculaire de la croissance globale et de la biomasse qui accompagne généralement une faible production de lignine. Cependant, il a été démontré qu'en ciblant la régulation négative du CCR sur des types de tissus spécifiques ou en la couplant à la régulation négative de l'alcool cinnamylique déshydrogénase (CAD), ce dernier défi peut au moins être quelque peu atténué.
