Science: Ny viden om biosyntese af nøglemolekyle i planters cellevæg - 17.06.2011

En særlig type glykoproteiner i planters cellevæg er afgørende for cellernes evne til at vokse. Gener, som styrer syntesen af disse glykoproteiner, er nu identificeret. Den nye grundlæggende viden om planters biologi kan bidrage til at effektivisere produktionen af biomasse til bioethanol. Da nogle glykoproteiner er allergener, kan viden om biosyntesen af disse molekyler også få betydning for forskning i allergi.

Glykoproteiner er proteiner med vedhæftede sukkerenheder. De findes i både dyr og planter incl. primitive grønalger. Sukkerdelen af et glykoprotein kan enten være forbundet til proteindelen via et kvælstofatom (N) eller et iltatom (O), og de to former for binding kaldes hhv. N-glykosylering og O-glykosylering.

 

Forskere fra Institut for Plantebiologi og Bioteknologi samt Institut for Grundvidenskab og Miljø, KU-LIFE, er en del af et internationalt team af forskere, der har identificeret en række gener med betydning for dannelse af de O-glykosylerede proteiner, der indgår i planters cellevæg. Der indgår desuden forskere fra Argentina, Brasilien, Australien og USA i teamet, der har Dr. Jose Estevez fra Universidad de Buenos Aires som primus motor. Forskningsresultaterne præsenteres i Science den 17. juni 2011.

 

Glykoproteiner er nødvendige for planters vækst
I planter medvirker O-glykosylerede proteiner primært ved cellevæggens dannelse og udvidelse. Mens dyr danner flere celler, når de bliver større, så benytter planter sig i høj grad af strækningsvækst, hvor længden af eksisterende celler øges. Under vækst kan en plantecelle strække sig og blive op til 200 gange så lang, som da den blev dannet.

 

Den drivende kraft bag plantecellers vækst er et højt tryk inde i cellerne, men det er cellevæggen, der bestemmer en plantecelles størrelse. Plantecellers vækst forudsætter dermed en omkalfatring af det komplekse netværk af cellevæggens molekyler, som er forbundet til hinanden via stærke kemiske bindinger. På intet tidspunkt under ombygningen og supplering med ekstra byggesten må cellevæggen miste sin styrke. Uden en solid cellevæg ødelægges cellen øjeblikkeligt.

 

Forskerne har benyttet rodhår på modelplanten Arabidopsis thaliana som modelsystem. Til venstre ses vildtypen med normale rodhår. I midten og til højre ses mutanter, hvor rodhårene strækker sig mindre. Foto: Lektor Bodil Jørgensen.

 

Extensin har nøglefunktion under plantecellers vækst
En særlig type glykoproteiner, kaldet extensiner, har afgørende betydning for planters evne til at foretage ombygninger af cellevæggen og dermed for planters evne til at vokse.

 

Extensiner findes kun indenfor planteriget. De har været med fra begyndelsen, idet de findes i alle plantearter, herunder også i de evolutionært tidlige og primitive grønalger, som kan betegnes som forløbere for de senere landplanter.
 
Hos flercellede planter indeholder cellevæggen desuden en række komplekse sukker-polymerer, bl.a. cellulose, hemicelluloser, pektiner samt lignin, men også i disse plantearter spiller netværket af extensiner en central rolle for dannelse og forlængelse af cellens væg. Extensinerne er forbundet til hinanden via stærke kemiske bindinger og de formodes at styrke og holde de komplekse kulhydratpolymere ‘på plads’ i cellevæggen.

 

Betydning for produktion af biobrændstof
Grundforskning i cellevægsbiologi kan få stor betydning i forbindelse med fremstilling af biobrændstoffer og fossilfri råstoffer til industrien.

 

Det er en stor udfordring at skille cellevæggen ad for at kunne fremstille bioethanol og plantebaserede råstoffer. Viden om hvordan planterne samler glykoproteiner og polysaccharider i deres vægge kan få stor betydning for dansk industri, som er teknologisk ledende på feltet.

Glykoproteiner og allergi
Mens de argentinske forskere primært undersøger extensinernes funktion i forbindelse med planters rodvækst, interesserer de danske forskere sig også for krydsfeltet mellem plantebiologi og humanbiologi. 

 

Lektor Bent Larsen Petersen forklarer:

- Den type sukkerkæder, som findes på extensinmolekylerne i cellevæggen, findes også på de planteproteiner i pollen fra græsser og bynke, som er allergifremkaldende. De extensinlignende-sukkerkæder i pollenallergenerne er fremmede for den menneskelige organisme og menes at indgå i disse planteallergeners allergenicitet.

 

Et præcist kendskab til sukkerkædernes betydning for allergeneciteten kan bidrage til udvikling af diagnosticeringsmetoder og lægemidler mod allergi. 

 

Fakta om glykoproteiner Glykoproteiner indgår i mange vidt forskellige biologiske funktioner i levende organismer. De fungerer bl.a. som strukturelle proteiner i planters cellevæg. De særlige sukkerkæder, som findes på de cellevæggens strukturelle proteiner, findes også på plantehormoner, der menes at indgå i styring planters strækningsvækst.   Forsvar mod sygdomsfremkaldende mikroorganismer Glykoproteiner har også en funktion i forbindelse med planter og dyrs forsvar mod sygdomsfremkaldende mikroorganismer. I slimhinderne hos dyr dannes en beskyttende slim, hvis konsistens skyldes nogle meget lange O-glykosylerede proteiner. Denne type glykoproteiner findes ikke i planter, men en anden gruppe af disse molekyler findes i planteceller og menes at være involveret i planters sygdomsresistens.   Glykoproteiner kan medføre sygdom Nogle strukturer i glykoproteiner kan genkendes af immunforsvaret, og fejl i syntesen af glykoproteiner hos mennesker og dyr kan medføre utilsigtet genkendelse af kroppens egne molekyler og udløse autoimmune sygdomme.   Ofte er det dog artsfremmede glykoproteiner, der giver problemer for mennesker og dyr. Nogle glykoproteiner, som findes i pollen fra f.eks. græs og bynke, er allergener, og det menes at være bestemte sukkerstrukturer i disse molekyler, der er årsag til allergeniciteten.

 

For yderligere information

Postdoc Jack Egelund, Postdoc Jesper Harholt, Lektor Carl Erik Olesen, Professor MSO Peter Ulvskov og Lektor Bent Larsen Petersen er medforfattere på artiklen i Science. Carl Erik Olsen er ansat på Institut for Grundvidenskab og Miljø. De øvrige tilhører faggruppen Plant Glycobiology ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi. For yderligere oplysninger, kontakt Bent Larsen Petersen på .

 

Link
Velasquez et al. (2011). O-glycosylated cell wall proteins are essential in root hair growth. Science 332:1401