Kagaku to Seibutsu 53(2): 107-114 (2015)
セミナー室
植物細胞壁: 高次構造の構築と再編
Published: 2015-01-20
© 2015 Japan Society for Bioscience, Biotechnology, and Agrochemistry
© 2015 公益社団法人日本農芸化学会
植物細胞壁の研究は，循環型炭素資源としての利活用のイノベーションを目指す応用研究と，植物固有の高次機能の解明を目指す基礎研究の二つの方向に向かって大きく展開している．このセミナー室では，6回の連載予定で，後者の「情報処理システムとしての植物細胞壁」に関する研究の基礎と最新の研究の動向を，細胞壁の非専門家を対象にして紹介する．第1回目の本セミナーでは，細胞壁の機能を理解するうえで必須の項目である，セルロース微繊維と，ヘミセルロース，ペクチンの三大成分について，それぞれの分子構築と動態，機能について，基本的概念から最新の研究成果までを平易に概説する．
植物細胞壁研究は，今，2つの方向に大きく展開している．一つは炭素資源，すなわち新食料や新素材，バイオマスなどとして，その利活用のイノベーションを目指す応用研究で，もう一つは，細胞壁機能の解析を通して植物固有の高次機能の解明を目指す基礎研究である．
後者の基礎研究に焦点を当てたプロジェクトとして，平成24年度に文部科学省の新学術領域研究「植物細胞壁の情報処理システム」が発足した．このプロジェクトは，旧来の細胞壁の概念の枠を越えて異分野の研究者が連携し，植物細胞壁が担う情報処理機能に着目して，新しいアプローチによりその動態と機能を解析し，植物に固有の高次機能の解明を目指すものである．
このたび「化学と生物」編集委員会より，植物細胞壁に関する連載の機会をいただいたので，この研究プロジェクトのテーマを中心にして，合計6回の予定で，新しい植物細胞壁像を紹介する．第1回目では，植物細胞壁の高次機能の構築と動態を理解するうえで必須の基本概念について解説する．
後生動物では，各細胞はコラーゲン繊維やプロテオグリカンを主要成分とする流動性の高い不定形の細胞外マトリクスで覆われるのに対して，原核生物や菌類，植物では明確な形状と力学的強度をもった細胞壁で覆われる．後生動物と植物との間の形態や生命戦略の違いの多くは，この細胞壁の有無に関連している．また，同じ細胞壁をもつ生物群でも，細胞壁の構造は生物種により大きく異なる．原核生物ではペプチドグリカンが，菌類ではキチンが，それぞれ細胞壁の主骨格となるのに対して，陸上植物とその直系の祖先である緑藻類ではセルロース微繊維が，細胞壁の主骨格となる点で，それぞれ明確に異なる．
陸上植物の細胞壁は，細胞分裂時に細胞膜の周囲に構築される一次細胞壁と，細胞成長終了後に一次細胞壁の内側に構築される二次細胞壁とに大きく分類される．一次細胞壁はすべての細胞に存在し，細胞質分裂時から細胞成長終了期を経て，細胞が分化し，二次細胞壁が構築された後もなお，多面的な役割を担い続ける．それに対して，二次細胞壁は維管束植物が大型化する過程で獲得した構造体で，維管束系などの特定組織の，特定の発生段階でのみ構築される．その主要な役割は植物組織の物理的な支持機能と物質透過の遮蔽性を高めることである．
一次細胞壁は主に多糖類と構造タンパク質から構成される．このうち多糖類はセルロースとヘミセルロース，ペクチンの3グループに大別される．各グループの多糖類は，それぞれ固有の物理・化学特性をもち，互いに共有結合やイオン結合，そのほかの弱い分子間相互作用などによって連結・会合し，複雑なネットワークを形成することで，機能的で動的な細胞壁の超分子構造を形成している(1)1) 西谷和彦，梅澤俊明：“植物細胞壁”，講談社，2013.．
一次細胞壁の骨格となるセルロースは数十本の(1→4)-β-グルカン分子が水素結合で会合し，結晶化して微繊維の構造をとる．代表的なヘミセルロースであるキシログルカンは，微繊維と水素結合で接着し，微繊維間を架橋する．一方，ペクチン分子は，分子間のカルシウムイオン結合やホウ素結合などで会合し，水和したゲル状の巨大分子を形成し，微繊維やヘミセルロースの間隙を充填している．図1図1■植物の一次細胞壁の構造モデルは典型的な陸上植物の一次細胞壁の構造と，その構築にかかわる細胞内小器官のモデル図である．
図1■植物の一次細胞壁の構造モデル
一次細胞壁は，結晶性のセルロース微繊維がヘミセルロースにより架橋された網状構造が骨格となり，その隙間を巨大分子であるペクチンが埋める構造モデルが広く受け入れられている．セルロース微繊維は，細胞膜上のセルロース合成酵素複合体により合成され，細胞膜の外側（細胞壁の最内層）へ押し出される．合成酵素複合体は細胞内の表層微小管に沿って動くため，微繊維の向きは表層微小管により制御される．一方，ヘミセルロースやペクチンはゴルジ体内で多数の膜貫通型の糖転移酵素の共同作業で合成された後，膜交通を介して細胞壁中に分泌される．細胞壁中では，それぞれ，XTHやPMEなどによる修飾を受けながら，細胞壁の高次構造に組み込まれると考えられている．色とりどりの●，■は多糖類を構成する糖残基を示す．
発生や環境応答の過程で，組織や器官を構成する個々の細胞が形やサイズを著しく変えるのが植物の特徴である．茎の伸長や，果実の肥大をはじめ，光や重力に応答する屈性反応や，病原菌の感染，根粒形成，線虫寄生時の反応などはいずれも，特徴的な細胞体積増を伴う細胞形態変化を通して達成される．植物のこのような細胞体積の変化は細胞成長と呼ばれ，その直接の駆動力は，植物固有のオルガネラである液胞内の低い水ポテンシャルに起因する吸水力であるが，細胞成長の方向や速度を決めるのは，一次細胞壁の力学的特性である．
一般に，物体の力学的特性は，物体に歪みを与えたときに物体内に発生する力（応力）を測定する方法で推定できる．この方法で測定した細胞壁の力学的性質を基にして，細胞壁の数理モデルが提唱され，細胞壁の伸展性に関連した力学的パラメータが抽出された結果，ヘミセルロースやペクチンの高次構造の動態が細胞壁の力学的性質に密接に関連していることが推定されている．
液胞の低い水ポテンシャルに基づいて植物細胞が細胞外から水を吸い，それにより細胞壁が押し広げられると，細胞壁の応力が高まり，それが吸水力と釣り合い，平衡状態となると細胞の吸水は停止し，細胞壁の伸展が止まるはずである．しかし，実際の成長を続ける細胞では，長期間にわたり吸水成長が続く．それは，細胞壁には応力の上昇を抑える仕組みがあるからである．この仕組みにより，成長中の細胞では，常に応力が吸水力を下回る状態が維持され，細胞は水を吸収し続け，細胞成長が続く．この間，一次細胞壁は薄くなることもなく，一定の低い応力を保ちながら伸展する．この状態を「細胞壁のゆるみ」という．
このとき，一次細胞壁内では，多糖類を中心とする高分子間のさまざまな相互作用の変化，すなわち細胞壁の再編が連続して進んでいるはずである．一般に，物体が，その内部での化学的な変化を伴いながら，応力に応じて変形する過程を化学クリープという．したがって，植物細胞壁のゆるみの実体は，化学クリープによる細胞壁再編過程である．この過程の解明は，細胞壁多糖類の合成過程の分子解剖と，細胞壁の高次構造の再編を触媒する分子の解析の2つのアプローチから進められてきた．
細胞壁の高次構造の構築にかかわる多糖類合成酵素類や再編にかかわる酵素群の同定は，シロイヌナズナを初めとする陸上植物の全ゲノムが次々と解読されたことによって，近年一気に進んだ．その結果，細胞壁酵素遺伝子の多くは大きな遺伝子ファミリーからなることが明らかになった．同時に，陸上植物界の細胞壁遺伝子ファミリーを植物種間で比較することが可能となり，遺伝子ファミリー内の各メンバーの機能を予測し，その予測に基づいた逆遺伝学的な手法による機能解析が飛躍的に進んでいる(2)2) R. Yokoyama & K. Nishitani: Plant Cell Physiol., 45, 1111 (2004).．また，最近では，分子間の相互作用によって生み出される一次細胞壁内の多糖類のネットワーク構造や機能の解明を目指した挑戦的な細胞壁研究も始まっている．
以上の基本的な知識を基にして，以下の節では，植物のさまざまな生命現象の場となり，多面的な機能を担う一次細胞壁の機能の理解を目指して，その主要な機能分子であるセルロース，ヘミセルロース，ペクチンの3つの多糖類に焦点を当て，超分子構造の構築と動態についての最近の研究の方向を概説する．
陸上植物のセルロースは原形質膜上でロゼット型の複合体（ロゼット，末端複合体とも言う）によって合成される(3)3) C. Somerville: Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 22, 53 (2006).．一つのロゼット型複合体は6個のサブユニットで構成され，各サブユニットは6組のセルロース合成酵素（CesA）2量体からなり，各CesA2量体が1本の(1→4)-β-D-グルカンの重合を触媒する．その結果，一つのロゼット型複合体から36本の(1→4)-β-D-グルカンが同時に合成されるとするモデルが広く受け入れられている．これらの(1→4)-β-D-グルカンは分子間の水素結合によってシート状に会合したものが積み重なり，全体として角棒状に束になり，非常に高い力学的強度と，化学的安定性をもつ結晶性のセルロース微繊維ができる．その強度は，引張強度を密度で割った比強度で比較すると，鋼鉄よりもはるかに高い．結晶性セルロース微繊維は，長いものでは7 µm長にも達し，非晶質のヘミセルロースやペクチンと相互作用しながら，一次細胞壁のネットワーク状の超分子構造の芯としてその力学強度に貢献している．
陸上植物のセルロース合成酵素（CesA）をコードするCesA遺伝子は，酢酸菌のセルロース合成酵素遺伝子のホモログとして，最初はワタから，次いでシロイヌナズナより単離された．シロイヌナズナは10個のCesA遺伝子（CesA1～CesA10）をもち，そのうちCesA1とCesA3, CesA6が一次細胞壁のセルロース合成にかかわると考えられている．CesA1またはCesA3の機能が完全に欠失した突然変異体では一次細胞壁が作られず，胚性致死になる．また，CesA6のみの欠損では致死に至らないが，この場合にはCesA2とCesA5が部分的にCesA6の機能を補完していることが指摘されている．このことからCesA1とCesA3，CesA6の3者間では機能上の冗長性がないことがわかる．一方，各CesAは(1→4)-β-D-グルコース残基の重合（伸長反応）を触媒する点で共通の機能をもつことから，各CesAの機能の独自性は，ロゼット複合体を形成するために必要なタンパク質の立体構造など，触媒活性以外の特異性によるものと推測されている(4)4) C. Somerville, S. Bauer, G. Brininstool, M. Facette, T. Hamann, J. Milne, E. Osborne, A. Paredez, S. Persson, T. Raab et al.: Science, 306, 2206 (2004).．
CesA1とCesA3，CesA6の各遺伝子は，細胞成長・分化終了後の一次細胞壁のセルロース合成を行わない細胞でも発現していることから，CesAの酵素活性は転写後の過程でも制御されるものと考えられる．細菌では，セルロース合成酵素活性が転写後にサイクリックdi-GMPなどによって制御されることがよく知られているが，植物ではサイクリックdi-GMPは確認できないことから，別の制御機構が働いていると考えられる．膜貫通タンパク質であるCesAは細胞質内領域に植物独自の構造領域であるP-CRとCSRをもち，これらの領域が原形質膜上でのロゼット形成に重要な役割を担うことが知られている．植物のセルロース合成にはロゼット型複合体の形成が必須であることから，両構造領域を介したロゼット形成過程がセルロース合成活性の制御にかかわると推定されているが，分子機構は不明である．
原形質膜直下の表層微小管がロゼット型のセルロース合成酵素複合体の原形質膜上の移動方向を制御することにより，セルロース微繊維の細胞壁中の向き（配向）が決まり，その配向と垂直の方向に細胞壁が伸展することが古くより知られている．最近になりCesAと表層微小管の双方と相互作用する制御タンパク質CSI1（Cellulose Synthase Interacting Protein 1）が単離され，セルロース合成の制御に関与する可能性が示されているが(5)5) S. Li, L. Lei, C. R. Somerville & Y. Gu: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 185 (2012).，セルロース合成の速度や方向の制御のメカニズムはなお未解明である．
ヘミセルロースは，強アルカリ水溶液で植物細胞壁より抽出される多糖類として定義されたものである．一分子のヘミセルロースが複数のセルロース微繊維と水素結合により接着し，微繊維間を架橋することによって，微繊維間の間隔を一定に保つ役割を担う可能性が指摘されている．すなわちヘミセルロースは結晶性セルロース微繊維同士の凝集を防ぎ，細胞壁の伸展性を高めているという説である．また化学的に安定な結晶性セルロース微繊維の表面を，多様な分子種からなるヘミセルロースで覆うことで，化学反応を伴う細胞壁の形質変化を可能にしていると考えられている．
近年，ヘミセルロースの合成や修飾に関与する多くの遺伝子が多数同定されている．これらの遺伝子を欠損させ，その時の植物の表現型を解析する逆遺伝学的手法によって，ヘミセルロースの機能解明を目指す研究は，今，新たな転換点を迎えている．
真正双子葉植物の一次細胞壁の主要なヘミセルロースはキシログルカンである．キシログルカンはUDPグルコース：キシログルカン4-β-グルコース転移酵素によって，主鎖となる(1→4)-β-D-グルカンが合成され，同時にUDPキシロース：キシログルカン6-α-キシロース転移酵素によって主鎖のグルコース残基にキシロース側鎖が転移される．(1→4)-β-D-グルカン主鎖の伸長反応は，グルコース転移酵素だけでは進まないことから，両酵素が相互に協調して反応を触媒することがキシログルカン合成に必須であると推察される．またキシロース側鎖にはガラクトース残基が結合するものがあり，さらにガラクトース残基にはフコース残基が結合するものもある(6)6) H. V. Scheller & P. Ulvskov: Annu. Rev. Plant Biol., 61, 263 (2010).．これらの糖残基を側鎖に転移する反応は，β-ガラクトース転移酵素とα-フコース転移酵素によって触媒される．こうしてキシログルカンは，少なくとも4種の転移酵素の共同作業によって，ゴルジ体中で合成されることが明らかになっている．
植物のゲノム上には，CesA遺伝子ファミリーと類似のアミノ酸配列をもつCsl（Cellulose synthase like）遺伝子群が多数存在する．これらは，CesA遺伝子との類似性から，βグルコシル結合で重合した多糖合成に関連する酵素ファミリーをコードしていると予想されていた．実際に，Csl遺伝子群の中のCslCファミリーのメンバーが，キシログルカンの主鎖合成にかかわる(1→4)-β-D-グルカンの合成酵素の遺伝子であることがナスタチウム（Tropaeolum majus L.）（TmCslC）やシロイヌナズナ（AtCslC4）で同定された(7)7) W. G. T. Willats, J. P. Knox & J. D. Mikkelsen: Trends Food Sci. Technol., 17, 97 (2006).．酵母を用いた実験系によって，それらの遺伝子がコードするTmCslCやAtCslC4が水可溶性の低分子のβ-D-グルカンを合成することが示された．さらにキシログルカンのキシロース転移酵素（XXT1）をCslCと共発現させることによって，不溶性の高分子の(1→4)-β-D-グルカンが合成された．
これらの実験結果は，(1→4)-β-D-グルカンの合成酵素がキシロース転移酵素と協調的に働いていることを示した先の研究結果と一致している(8)8) O. A. Zabotina: Front. Plant Sci., 3, 134 (2012).．シロイヌナズナでは，5つの遺伝子がCslC遺伝子ファミリーを形成しているが，各遺伝子の冗長性が高いことから，単独もしくは2つの遺伝子を欠損させただけではキシログルカン合成を止めることはできない．
一方，キシロース転移酵素はCsl遺伝子群ではなく，GT34遺伝子ファミリーによりコードされる．シロイヌナズナでは，このファミリーには7つの遺伝子が含まれるが，主に2つの遺伝子（XXT1とXXT2）がキシログルカン合成酵素として機能している．この2つの遺伝子を欠損させることで，キシロース転移反応を抑制することができ，同時にキシロース転移反応と協調的に進行する主鎖の(1→4)-β-D-グルカンの合成を止めることもできるはずである．
実際に，xxt1/xxt2突然変異体を作製すると，変異体の細胞壁中にはキシログルカンはほとんど検出されなかった．この変異体は少し矮性を示すものの，組織分化などには顕著な変異は見られなかった．しかし変異体では，細胞壁の力学的性質が著しく変化していることが明らかになり，キシログルカンは，組織分化などには関連性が低いが，弾性のある細胞壁構造を作り出す役割を担うことが示された．セルロース／キシログルカン系は，陸上植物の進化の過程で獲得されたことがゲノム情報より推定されているので，このシステムによる細胞壁の強度と伸展性の制御過程は，植物がさまざまな陸上の環境に適応するための細胞形成に決定的な役割を担ってきたと推定される．
細胞成長の過程では，一次細胞壁は，細胞壁の強度を保ちながら，その高次構造を再編し続ける化学クリープの過程が必要であることを述べた．そのためには，微繊維間の架橋の再編が不可欠である．この過程を触媒する酵素として，キシログルカン転移酵素／加水分解酵素（Xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase; XTH）ファミリーが発見された．このファミリーのメンバーは，キシログルカン分子のつなぎ換え反応を触媒することから，セルロース微繊維／キシログルカンネットワークの再編過程を触媒しながら「細胞壁のゆるみ」を引き起こし，一次細胞壁の化学クリープを通して，細胞壁の形状を変化させる働きを担うという仮説が立てられたが，分子過程の詳細はまだ解明されていない（図2図2■エンド型キシログルカン転移酵素／加水分解酵素（XTH）による細胞壁中のキシログルカン架橋のつなぎ換え反応による細胞壁再編モデル）．
図2■エンド型キシログルカン転移酵素／加水分解酵素（XTH）による細胞壁中のキシログルカン架橋のつなぎ換え反応による細胞壁再編モデル
つなぎ換え反応の際に切断されるキシログルカン鎖（供与鎖）を青色，つながれるキシログルカン鎖（受容鎖）を赤色で表示．XTHによるつなぎ換え反応により，一次細胞壁のセルロース／キシログルカン網状構造の再編が起こり，細胞壁が伸展する過程を描いたモデル．
またXTHは細胞壁超分子ネットワーク内へキシログルカン分子を編み込むことにより，細胞壁の力学的な強度を高める機能や，加水分解反応により，キシログルカン架橋を切断し，一次細胞壁の超分子構造の分解を促進するなど，キシログルカンの動態全般において，多面的な役割を担うと推察されている(9)9) J. K. C. Rose, J. Braam, S. C. Fry & K. Nishitani: Plant Cell Physiol., 43, 1421 (2002).．
XTHをコードする遺伝子は植物ゲノムの中で大きな遺伝子ファミリーを形成し，各XTHメンバーは細胞型や発生段階ごとに精緻にその発現が制御されていることから，それぞれの細胞に独自の形態形成や機能発現に寄与していると考えられる．植物細胞は，細胞外から伝わる発生シグナルや環境シグナルなどの情報を適切に処理して，形態を変化させるなどの方法で応答するが，XTHはこの情報処理とそれに対する反応の過程で重要な役割を担う因子の一つであると考えられる．
細胞形成と密接にかかわるキシログルカン／XTH系による細胞壁再編の分子機構は，陸上植物への進化過程との関連性も指摘されている(10)10) 横山隆亮，西谷和彦：遺伝，66, 28 (2011).．キシログルカンは，陸上植物と共通の直系の祖先をもつシャジクモ藻類で，わずかに合成されているのみで，藻類の細胞壁の主要成分としては利用されていない．一方，コケ植物，シダ植物，裸子植物や多くの被子植物では，キシログルカンは主要なヘミセルロースとしてセルロース微繊維を架橋し，一次細胞壁の基本骨格を形成している．
また被子植物の中で，比較的新しい時代に分岐したとされるイネ科植物は，キシログルカンの代わりにグルクロノアラビノキシランや(1→3)(1→4)-β-D-グルカンを細胞壁の構成成分として利用するように進化したが，イネ科植物でも篩管細胞などの一次細胞壁では多量のキシログルカンが蓄積することが最近明らかとなった．イネ科植物でのキシログルカンの存在は，陸上植物の特定の細胞ではキシログルカン／XTH系による細胞形成が必須であり，ほかの多糖類では代替できないことを示しているのかもしれない．
XTH遺伝子も，藻類にはなく，コケ植物以降の陸上植物では，イネ科植物を含め，大きな遺伝子ファミリーを形成している．これらの事実は，いずれも陸上植物の細胞壁における，キシログルカン／XTH系の役割の重要性を示すものである．
ペクチンはホモガラクツロナン（HG），ラムノガラクツロナンⅠ（RGI），ラムノガラクツロナンⅡ（RGII）の3つの主要なドメインからなり，ガラクツロン酸残基を高比率で含む．高次構造についてはなお不明な点が多いが，RGIドメインが足場となり，そこにHGやRGIIのドメインが共有結合でつながるモデルが提唱されている．さらにRGIIは側鎖中のアピオース残基のジオール基間で，ホウ素を介して分子間架橋を形成し，HGはガラクツロン酸残基中のカルボキシル基間でカルシウムイオンを介した分子間架橋を形成し，全体として巨大なネットワークを形成し(11)11) D. Mohnen: Curr. Opin. Plant Biol., 11, 266 (2008).，セルロース微繊維とキシログルカンのネットワークの空隙を埋めることで，一次細胞壁に多様な力学特性や化学的な形質を与えている．また，ペクチンは一次細胞壁の最外層に位置する細胞板由来の中葉では細胞間接着分子として中心的な役割を担う．
植物の発生過程や環境応答におけるペクチン各ドメインの具体的な機能解明は，これまで困難であったが，近年になりペクチン関連遺伝子が次々と同定され，その機能解明の突破口が開かれつつある．
ペクチンの全ドメイン内で最も大きな領域を占めるHGドメインは，ガラクツロン酸がα-(1→4)-グリコシド結合した直鎖状の多糖として細胞内のゴルジ体で合成されると同時に，ガラクツロン酸残基中のカルボキシル基がメチルエステル化され，電荷をもたない状態で細胞壁中へ分泌される．HGは細胞壁中の目的の箇所に到達したのち，適切なタイミングでペクチンメチルエステラーゼ（PME）によって，HGドメイン中の連続した一定領域のメチルエステル基が加水分解されると，ガラクツロン酸残基のカルボキシル基を介したカルシウム架橋により分子が会合し，ゲル化を引き起こす（図3図3■ペクチンメチルエステラーゼ（PME）による脱メチル化を介したホモガラクツロナン（HG）のカルシウム架橋の形成モデル）．ペクチンはゲル化すると粘性が高くなり，流動性が低下するので，一次細胞壁の超分子構造体全体が硬くなる．
図3■ペクチンメチルエステラーゼ（PME）による脱メチル化を介したホモガラクツロナン（HG）のカルシウム架橋の形成モデル
PMEは不活性な前駆体（Pro-PME）としてゴルジ体を経て分泌される過程で不活性化ドメイン（PMEI）が切り離され，活性型PMEとなる．一方，HGはゴルジ体内で高度にメチルエステル化された状態（Me-HG）で合成され，細胞壁中に分泌された後，PMEにより脱メチル化される．脱メチル化されたHGはカルシウムイオンを介して高度な分子間架橋を形成し，ゲル化する．
＊はHGのガラクツロン酸残基のメチルエステル基を，CaはHGのガラクツロン酸側鎖間のカルシウム架橋を，それぞれ示す．
一方，脱メチルエステル化がHG上でランダムに進むと，エンドポリガラクツロナーゼ（PG）によりHGドメインが分解されやすくなり，ペクチンの高次構造の分解を引き起こすことも知られている．PMEのメンバーには，HGのメチルエステル基を直線的にHG上の一定領域にわたり分解し，高密度のカルシウム架橋の形成を促すタイプと，HG上のメチルエステル基をランダムに分解しPGによるHG分解を促進するタイプが知られている．このように，PMEファミリーのメンバーの使い分けにより，HGのゲル化あるいは分解を通して，一次細胞壁の力学的強度が制御されている(7)7) W. G. T. Willats, J. P. Knox & J. D. Mikkelsen: Trends Food Sci. Technol., 17, 97 (2006).．
PMEの反応機構には2つのタイプがあることを述べたが，それとは別にPMEの酵素活性を抑制する因子，ペクチンメチルエステラーゼインヒビター（PMEI）が存在する．PMEはその一次構造からタイプⅠとタイプⅡの2種類に分類され，タイプⅠのPMEのN末側には，PMEIと高い相同性を示すPro領域と呼ばれるドメインが存在する．このことから，タイプⅠのPME（ProPME）ではPro領域が分子内のPME阻害領域として機能し，自己活性抑制を受け，その状態で目的部位まで輸送され，適切なタイミングでプロテアーゼによりPro領域が切り取られ，抑制が解除されるとする活性化モデルが提唱されている(12)12) S. Wolf, G. Mouille & J. Pelloux: Mol. Plant, 2, 851 (2009).．実際，細胞壁中ではProPMEのPro領域が削除されていることが確認されているが，Pro領域の切断にかかわる分子過程は未解明である．またPMEIファミリーは進化的にはPro領域から派生し，その後PME抑制活性を獲得したとする説もあり，Pro領域の機能についてはなお議論が分かれている．PME活性化の分子機構の解明にはPro領域の機能解明が今後の研究の焦点になると考えられる．
PMEをコードする遺伝子は植物のゲノム中で大きな遺伝子ファミリーを形成している．シロイヌナズナのゲノム中には67個ものPME遺伝子が存在し，各メンバーが固有の発現制御を受けている．近年，逆遺伝学的な解析などによって，PMEによるペクチンのゲル化が植物の発生過程や構造機能に多面的な役割を担うことが明らかになっている．ペクチンのゲル化は果実の軟化などの力学的強度を低下させる現象において注目されていたが，花や果実などの器官を支える茎などでは，ペクチンのゲル化によって一次細胞壁の弾性を強めることで，硬化・肥厚した二次細胞壁をもつ細胞を強固に束ね，組織全体としては力学的強度を上げている(13)13) S. Hongo, K. Sato, R. Yokoyama & K. Nishitani: Plant Cell, 24, 2624 (2012).．またペクチンのゲル化による弾性率の上昇は，孔辺細胞の可逆的な形状変化にも必要であり，この細胞壁形質を獲得することによって気孔の機能は発現される(14)14) J. Negi, K. Moriwaki, M. Konishi, R. Yokoyama, T. Nakano, K. Kusumi, M. Hashimoto-Sugimoto, J. I. Schroeder, K. Nishitani, S. Yanagisawa et al.: Curr. Biol., 23, 479 (2013).．
ヘミセルロースは，セルロース微繊維だけではなく，ペクチンや構造タンパク質とも結合していることが知られている．また最近，ペクチンの一部がセルロース微繊維と直接相互作用していることも固体NMRにより実証されている．このように，細胞壁を構成する多糖類間のさまざまな相互作用により，一次細胞壁の超分子構造が構築され維持されている．その構成成分の一つが欠失すると，別の構成成分がその機能を相補するシステムが働くことが知られている．たとえば，セルロース合成を，特異的な合成阻害剤であるジクロベニル（DCB）で阻害してセルロース量を減少させると，セルロースの代わりに多量のペクチンやヘミセルロースが細胞壁中に蓄積して強度が維持される．また，ヘミセルロースの欠損に対しては，一次細胞壁の伸展性などをペクチンが相補している．これらの現象は，人為的に合成阻害剤などで特定の細胞壁構成成分を大きく欠損させた場合に見られる極端な反応ではあるが，一次細胞壁が，自身の完結性（インテグリティー）を常時モニターし，それが崩れると，それに応答して，特定の機能を発現して，欠損した機能を補償し，完結性を回復する仕組みがあることを明確に示すものである．植物の発生過程や環境応答の過程では，外的な刺激が一次細胞壁に物理的な構造変化を引き起していることから，これらの過程でも一次細胞壁が同様のシステムを利用して刺激情報を処理している可能性がある．
ヘミセルロースやペクチンには，本稿で紹介した代表的な分子種以外にも，何種類かの分子が報告されている．また，多糖類以外にも，さまざまな種類の構造タンパク質が一次細胞壁の超分子構造の一部として，力学的性質の制御や分化シグナルの伝達や受容の過程で多面的な役割を果たしている．これら多様な細胞壁高分子の特性を解析し，その分子間相互作用によって構築される超分子構造の機能解明を進めることが，今後，情報処理システムとしての植物細胞壁の機能を理解するうえで，最も重要な課題になると考えられる．
Reference
1) 西谷和彦，梅澤俊明：“植物細胞壁”，講談社，2013.
2) R. Yokoyama & K. Nishitani: Plant Cell Physiol., 45, 1111 (2004).
3) C. Somerville: Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 22, 53 (2006).
5) S. Li, L. Lei, C. R. Somerville & Y. Gu: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 185 (2012).
6) H. V. Scheller & P. Ulvskov: Annu. Rev. Plant Biol., 61, 263 (2010).
7) W. G. T. Willats, J. P. Knox & J. D. Mikkelsen: Trends Food Sci. Technol., 17, 97 (2006).
8) O. A. Zabotina: Front. Plant Sci., 3, 134 (2012).
9) J. K. C. Rose, J. Braam, S. C. Fry & K. Nishitani: Plant Cell Physiol., 43, 1421 (2002).
10) 横山隆亮，西谷和彦：遺伝，66, 28 (2011).
11) D. Mohnen: Curr. Opin. Plant Biol., 11, 266 (2008).
12) S. Wolf, G. Mouille & J. Pelloux: Mol. Plant, 2, 851 (2009).
13) S. Hongo, K. Sato, R. Yokoyama & K. Nishitani: Plant Cell, 24, 2624 (2012).