リチック多糖モノオキシゲナーゼの活性部位セグメントの構成がキシログルカンの酸化的分解を促進することを明らかにした

Configuration of active site segments in lytic polysaccharide monooxygenases steers oxidative xyloglucan degradation.

• Peicheng Sun
• Christophe V F P Laurent
• Stefan Scheiblbrandner
• Matthias Frommhagen
• Dimitrios Kouzounis
• Mark G Sanders
• Willem J H van Berkel
• Roland Ludwig
• Mirjam A Kabel

抄録

背景:

リチック多糖モノオキシゲナーゼ（LPMO）は、植物細胞壁の多糖類を酸化的に切断する強力な酵素である。真菌類補助活性ファミリー9（AA9）に分類されるLPMOは、主にセルロースに対する活性が研究されてきましたが、このAA9ファミリーの様々なメンバーがヘミセルロース、特にキシログルカン（XG）を酸化的に切断することも明らかにされています。これまでのところ、様々なAA9 LPMOがXG分解にどのように作用するのか、特に作用様式がLPMOの構造とどのように関係しているのかについての詳細な研究は行われていませんでした。

Background: Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are powerful enzymes that oxidatively cleave plant cell wall polysaccharides. LPMOs classified as fungal Auxiliary Activities family 9 (AA9) have been mainly studied for their activity towards cellulose; however, various members of this AA9 family have been also shown to oxidatively cleave hemicelluloses, in particularly xyloglucan (XG). So far, it has not been studied in detail how various AA9 LPMOs act in XG degradation, and in particular, how the mode-of-action relates to the structural configuration of these LPMOs.

研究成果:

2つの() LPMOは、XGに対する異なる作用様式を表していることがわかった。興味深いことに、これらのLPMOの活性部位セグメントの構成も異なっており、LPMO9Cでは短いセグメント1（Seg1）と長いセグメント2（Seg2）が存在し、LPMO9Mではその逆（Seg1Seg2）であった。LPMO9CはXG内の分岐していないグルコシル残基の非還元末端をC4炭素の酸化を介して切断していることを確認した。対照的に、LPMO9MによるXGバックボーンの酸化的切断は、分岐していないグルコシル残基と置換されたグルコシル残基の両方に隣接して起こることを発見した。後者は、キシロシル、キシロシル-ガラクトシル、およびキシロシル-ガラクトシル-フコシル単位で装飾されている。これらのLPMOの活性部位セグメントと作用様式の関係は、真菌AA9 LPMOの構造に基づく系統解析によって合理化された。Seg1Seg2構成を持つLPMOはクラスタリングしており、同様のXG置換耐性のない開裂パターンを持っているように見えた。Seg1Seg2構成を持つLPMOも一緒にクラスター化しており、XG置換耐性のある開裂パターンを示すと報告されている。第3のクラスターには、Seg1Seg2構成のLPMOが含まれており、酸化的なXG活性を示さないことが報告されている。

Results: Two () LPMOs were found to represent different mode-of-action towards XG. Interestingly, the configuration of active site segments of these LPMOs differed as well, with a shorter Segment 1 (Seg1) and a longer Segment 2 (Seg2) present in LPMO9C and the opposite for LPMO9M (Seg1Seg2). We confirmed that LPMO9C cleaved the non-reducing end of unbranched glucosyl residues within XG via the oxidation of the C4-carbon. In contrast, we found that the oxidative cleavage of the XG backbone by LPMO9M occurred next to both unbranched and substituted glucosyl residues. The latter are decorated with xylosyl, xylosyl-galactosyl and xylosyl-galactosyl-fucosyl units. The relationship between active site segments and the mode-of-action of these LPMOs was rationalized by a structure-based phylogenetic analysis of fungal AA9 LPMOs. LPMOs with a Seg1Seg2 configuration clustered together and appear to have a similar XG substitution-intolerant cleavage pattern. LPMOs with the Seg1Seg2 configuration also clustered together and are reported to display a XG substitution-tolerant cleavage pattern. A third cluster contained LPMOs with a Seg1Seg2 configuration and no oxidative XG activity.

結論:

LPMOによって放出されるXG分解生成物の詳細なキャラクタリゼーションにより、LPMOの活性部位セグメントの構成と作用様式との間に相関関係があることが明らかになった。特に、酸化的なXG活性LPMOは、XG置換に対して耐性があり、かつ不耐性であることから、XG非活性LPMOとは構造的にも系統的にも区別されている。本研究は、AA9 LPMOの構造と機能の関係の理解を深めることに貢献している。

Conclusions: The detailed characterization of XG degradation products released by LPMOs reveal a correlation between the configuration of active site segments and mode-of-action of LPMOs. In particular, oxidative XG-active LPMOs, which are tolerant and intolerant to XG substitutions are structurally and phylogenetically distinguished from XG-inactive LPMOs. This study contributes to a better understanding of the structure-function relationship of AA9 LPMOs.

© The Author(s) 2020.