Plant polygalacturonase structures specify enzyme dynamics and processivities to fine-tune cell wall pectins
Josip Safran
(1, 2)
,
Wafae Tabi
(1, 2)
,
Vanessa Ung
(3)
,
Adrien Lemaire
(2, 1)
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Olivier Habrylo
(2, 1)
,
Julie Bouckaert
(4)
,
Maxime Rouffle
(2, 1)
,
Aline Voxeur
(5)
,
Paula Pongrac
(1, 2)
,
Solène Bassard
(1, 2)
,
Roland Molinié
(1, 2)
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Jean-Xavier Fontaine
(1, 2)
,
Serge Pilard
(6, 7)
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Corinne Pau-Roblot
(1, 2)
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Estelle Bonnin
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,
Danaé Sonja Larsen
(3)
,
Mélanie Morel-Rouhier
(9)
,
Jean-Michel Girardet
(9)
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Valérie Lefebvre
(2, 1)
,
Fabien Sénéchal
(2, 1)
,
Davide Mercadante
(3)
,
Jérôme Pelloux
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1
BioEcoAgro -
Transfrontalière BioEcoAgro - UMR 1158
2 BIOPI - Biologie des Plantes et Innovation - UR UPJV 3900
3 School of Chemical Sciences [Auckland]
4 UGSF - Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle - UMR 8576
5 IJPB - Institut Jean-Pierre Bourgin
6 UPJV - Université de Picardie Jules Verne
7 PFA - Plateforme Analytique
8 BIA - Unité de recherche sur les Biopolymères, Interactions Assemblages
9 IAM - Interactions Arbres-Microorganismes
2 BIOPI - Biologie des Plantes et Innovation - UR UPJV 3900
3 School of Chemical Sciences [Auckland]
4 UGSF - Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle - UMR 8576
5 IJPB - Institut Jean-Pierre Bourgin
6 UPJV - Université de Picardie Jules Verne
7 PFA - Plateforme Analytique
8 BIA - Unité de recherche sur les Biopolymères, Interactions Assemblages
9 IAM - Interactions Arbres-Microorganismes
Josip Safran
- Fonction : co premier-auteur
- PersonId : 1188722
- ORCID : 0000-0003-0582-7528
- IdRef : 264862120
Wafae Tabi
- Fonction : co premier-auteur
- PersonId : 1256958
- ORCID : 0000-0002-5140-4094
Vanessa Ung
- Fonction : co premier-auteur
- PersonId : 1256959
- ORCID : 0000-0002-9494-2837
Adrien Lemaire
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1151904
- ORCID : 0000-0003-1954-7949
Olivier Habrylo
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1256960
- ORCID : 0000-0002-9426-8109
Julie Bouckaert
- Fonction : Auteur
- PersonId : 169994
- IdHAL : julie-bouckaert
- ORCID : 0000-0001-8112-1442
- IdRef : 135668352
Maxime Rouffle
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1256961
- ORCID : 0009-0002-9382-6911
Aline Voxeur
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1147894
- IdHAL : aline-voxeur
- ORCID : 0000-0001-9452-6756
- IdRef : 189236752
Paula Pongrac
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1256962
- ORCID : 0009-0003-9928-9405
Solène Bassard
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1151833
- ORCID : 0000-0002-0176-8172
Roland Molinié
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1138031
- ORCID : 0000-0003-4399-8838
- IdRef : 086832743
Jean-Xavier Fontaine
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1151873
- IdHAL : jean-xavier-fontaine
- ORCID : 0000-0001-8189-9238
Serge Pilard
- Fonction : Auteur
- PersonId : 768204
- ORCID : 0000-0002-9167-526X
- IdRef : 241774586
Corinne Pau-Roblot
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1151917
- ORCID : 0000-0001-8479-6007
- IdRef : 139330410
Estelle Bonnin
- Fonction : Auteur
- PersonId : 745926
- IdHAL : estelle-bonnin
- ORCID : 0000-0002-8268-9408
- IdRef : 158965914
Danaé Sonja Larsen
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1256963
- ORCID : 0000-0002-6942-814X
Mélanie Morel-Rouhier
- Fonction : Auteur
- PersonId : 742574
- IdHAL : melanie-morel-rouhier
- ORCID : 0000-0001-5149-0474
- IdRef : 094096945
Jean-Michel Girardet
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1256964
- ORCID : 0000-0002-1903-9031
Valérie Lefebvre
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1188723
- ORCID : 0000-0003-4482-3810
- IdRef : 235306045
Fabien Sénéchal
- Fonction : co dernier-auteur
- PersonId : 1095852
- ORCID : 0000-0002-4145-7205
- IdRef : 263291723
Davide Mercadante
- Fonction : co dernier-auteur
- PersonId : 1209314
- ORCID : 0000-0001-6792-7706
Jérôme Pelloux
- Fonction : co dernier-auteur
- PersonId : 786845
- ORCID : 0000-0002-9371-1711
- IdRef : 135568943
Résumé
Polygalacturonases (PGs) fine-tune pectins to modulate cell wall chemistry and mechanics, impacting plant development. The large number of PGs encoded in plant genomes leads to questions on the diversity and specificity of distinct isozymes. Herein, we report the crystal structures of two Arabidopsis thaliana polygalacturonases, POLYGALACTURONASE LATERAL ROOT (PGLR) and ARABIDOPSIS DEHISCENCE ZONE POLYGALACTURONASE2 (ADPG2), which are co-expressed during root development. We first determined the amino acid variations and steric clashes that explain the absence of inhibition of the plant PGs by endogenous PG-Inhibiting Proteins (PGIPs). Although their beta helix folds are highly similar, PGLR and ADPG2 subsites in the substrate-binding groove are occupied by divergent amino acids. By combining molecular dynamic simulations, analysis of enzyme kinetics and hydrolysis products, we showed that these structural differences translated into distinct enzyme-substrate dynamics and enzyme processivities: ADPG2 showed greater substrate fluctuations with hydrolysis products, oligogalacturonides (OGs), with a degree of polymerization (DP) of ≤4, while the DP of OGs generated by PGLR was between 5 and 9. Using the Arabidopsis root as a developmental model, exogenous application of purified enzymes showed that the highly processive ADPG2 had major effects on both root cell elongation and cell adhesion. This work highlights the importance of PG processivity on pectin degradation regulating plant development.