plant and microbial xyloglucanases: structure and phylogeny405550/fulltext01.pdf · 2011-03-22 ·...

71
Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny Jens Eklöf Doctoral thesis Royal Institute of Technology School of Biotechnology Division of Glycoscience Stockholm 2011

Upload: others

Post on 18-May-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

 

 

 

Plant and microbial xyloglucanases: 

Function, Structure and Phylogeny 

 

 

Jens Eklöf 

 

 

Doctoral thesis 

 

 

Royal Institute of Technology 

School of Biotechnology 

Division of Glycoscience 

Stockholm 2011 

 

Page 2: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

ii  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ISBN 978‐91‐7415‐932‐5 

ISSN 1654‐2312 

Trita‐BIO Report 2011:7 

 

©Jens Eklöf, Stockholm 2011 

Universitetsservice US AB, Stockholm 

Page 3: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

iii  

Jens Eklöf (2011): Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny School of Biotechnology, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden 

 

Abstract 

In  this  thesis,  enzymes  acting  on  the  primary  cell  wall  hemicellulose  xyloglucan  are  studied.  

Xyloglucans are ubiquitous in land plants which make them an important polysaccharide to utilise for 

microbes  and  a  potentially  interesting  raw  material  for  various  industries.    The  function  of 

xyloglucans  in plants  is mainly to  improve primary cell wall characteristics by coating and tethering 

cellulose microfibrils  together.    Some  plants  also  utilise  xyloglucans  as  storage  polysaccharides  in 

their seeds. 

In microbes, a variety of different enzymes for degrading xyloglucans have been found.  In this thesis, 

the  structure‐function  relationship of  three different microbial endo‐xyloglucanases  from glycoside 

hydrolase  families  5,  12  and  44  are  probed  and  reveal  details  of  the  natural  diversity  found  in 

xyloglucanases.   Hopefully,  a  better  understanding  of  how  xyloglucanases  recognise  and  degrade 

their substrate can  lead  to  improved saccharification processes of plant matter,  finding uses  in  for 

example biofuel production. 

In plants, xyloglucans are modified in muro by the xyloglucan transglycosylase/hydrolase (XTH) gene 

products.    Interestingly,  closely  related  XTH  gene  products  catalyse  either  transglycosylation  (XET 

activity) or hydrolysis (XEH activity) with dramatically different effects on xyloglucan and on cell wall 

characteristics.    The  strict  transglycosylases  transfer  xyloglucan  segments  between  individual 

xyloglucan  molecules  while  the  hydrolases  degrade  xyloglucan  into  oligosaccharides.    Here,  we 

describe  and determine,  a major determinant of  transglycosylation  versus hydrolysis  in  XTH  gene 

products by solving and comparing the first 3D structure of an XEH, Tm‐NXG1 and a XET, PttXET16‐

34.   The XEH activity was hypothesised, and  later confirmed  to be  restricted  to subset of  the XTH 

gene products.  The in situ localisation of XEH activity in roots and hypocotyls of Arabidopsis was also 

visualised  for  the  first  time.    Furthermore,  an  evolutionary  scheme  for  how  XTH  gene  products 

developed from bacterial β‐1,3;1,4 glucanases was also presented based on the characterisation of a 

novel plant endo‐glucanase, PtEG16‐1. The EG16s are proposed to predate XTH gene products and 

are with activity on both xyloglucan and β‐1,3;1,4 glucans an “intermediate” in the evolution from β‐

1,3;1,4 glucanases to XTH gene products. 

 

Keywords, xyloglucan, XTH, XET, XEH, xyloglucanase, plant cell wall, phylogeny, GH16, endo‐glucanase 

   

Page 4: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

iv  

Sammanfattning 

I den här avhandlingen undersöks enzymer som modifierar hemicellulosan xyloglukan. Xyloglukaner 

finns  i  alla  landlevande  växter  där de  och  binder  till,  täcker och  korslänkar  cellulosafibriller  i  den 

primära  cellväggen.    Funktionen  av  xyloglukan  är  att  spatialt  separera  cellulosafibriller, men  ändå 

behålla  cellväggens  styrka.    I  cellväggen  modifieras  xyloglukan  av  enzymer  från  xyloglukan 

transglykosylas/hydrolas (XTH) genfamiljen. Dessa närbesläktade enzymer, som antingen katalyserar 

transglykosylering  (XET‐aktivitet) eller hydrolys  (XEH‐aktivitet) av xyloglukan har vitt  skilda effekter 

på  xyloglukan  och  därför  också  på  cellväggens  egenskaper.    Strikta  transglykosylaser  utbyter 

xyloglukanbitar  mellan  olika  xyloglukanmolekyler  medan  hydrolaserna  klyver  ner  xyloglukan  till 

oligosackarider. 

Mikrober som  lever på och bryter ner växtmaterial och således också xyloglukan har utvecklat olika 

typer av xyloglukanaser.   Tre mikrobiella  xyloglukanaser,  från glykosidhydrolasfamiljerna 5, 12 och 

44, vars 3D‐strukturer och biokemiska karaktärisering demonstreras  i denna   avhandling påvisar en 

del av den naturliga variationen av xyloglukanaser.  En bättre förståelse av dessa enzymer och hur de 

känner  igen  sina  substrat  kan  förhoppningsvis  leda  till  förbättrad nedbrytning  av  växtmaterial  för 

t.ex. biobränslen. 

Även växter är i behov av xyloglukanaser.  Den första 3D‐strukturen av en XEH, Tm‐NXG1 kopplar en 

strukturell  skillnad,  mellan  transglykosylaser  och  hydrolaser,  till  en  funktionell  skillnad,  och  kan 

därigenom  lokalisera  hydrolas  aktivitet  i  XTH‐genprodukter  till  några  väl  avgränsade  enzymer. 

Vävnadsspecificiteten  i  XEH‐aktivitet  hos  modellorganismen  backtrav,  Arabidopsis  thaliana, 

demonstreras  även  för  första  gången. Dessutom,  föreslås  hur  XTH‐genprodukterna  har  utvecklats 

från bakteriella β‐1,3;1,4‐glukanaser genom upptäckten och karaktäriseringen av en ny typ av växt‐

endo‐glukanas, PtEG16‐1. PtEG16‐1 indelas i en ny grupp av växtenzymer som tros vara äldre än XTH‐

genprodukter och har både β‐1,3;1,4‐glukanas aktivitet och xyloglukanas aktivitet samt har likheter i 

aminosyrasekvens med både bakteriella β‐1,3;1,4‐glukanaser och XTH‐genprodukter. 

   

Page 5: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

v  

List of publications included in thesis 

I  Ariza A*,  Eklöf  JM*,  Spadiut O*, Offen WA,  Roberts  SM, Wilson  KS, Brumer H, Davies GJ Structure and Activity of a Paenibacillus polymyxa Xyloglucanase  from Glycoside Hydrolase Family 44. (Manuscript) 

 

II  Gloster TM, Ibatullin FM, Macauley K, Eklöf JM, Roberts S, Turkenburg JP, Bjørnvad ME, Jørgensen PL, Danielsen S, Johansen KS, Borchert TV, Wilson KS, Brumer H, Davies GJ (2007) Characterization and Three‐dimensional Structures of Two Distinct Bacterial Xyloglucanases from Families GH5 and GH12. J. Biol. Chem. 282: 19177‐19189 

 

III  Baumann MJ, Eklöf JM,  Michel G, Kallas AM, Teeri TT, Czjzek M, Brumer H, III (2007) Structural Evidence for the Evolution of Xyloglucanase Activity from Xyloglucan Endo‐Transglycosylases: Biological Implications for Cell Wall Metabolism. Plant Cell 19: 1947‐1963 

 

IV  Kaewthai N*, Eklöf JM*, Gendre D*, Ibatullin FM, Ezcurra I, Bhalerao RP, Brumer H Group III‐A XTH Genes Encode Predominant Xyloglucan endo‐hydrolases Active in Expanding Tissues of Arabidopsis thaliana. (Manuscript) 

 V  Maris A,  Kaewthai N*,  Eklöf  JM*, Miller  JG, Brumer H,  Fry  SC, Verbelen  JP,  Vissenberg  K 

(2011)  Differences  in  Enzymic  Properties  of  Five  Recombinant  Xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase (XTH) Proteins of Arabidopsis thaliana. J. Exp. Bot. 62: 261‐271 

 

VI  Eklöf  JM,  Brumer  H,  An  endo  β‐1,4  glucanse,  PtEG16‐1  from  black  cottonwood  (Populus trichocarpa)  represents  an  evolutionary  link  between  bacterial  lichenases  and  XTH  gene products. (Manuscript) 

 *Authors contributed equally to the work 

   

Page 6: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

vi  

Author’s contributions 

Paper  I:    Performed  part  of  the  experimental  work  primarily  on  polysaccharides  and  inhibition 

studies.  I also made significant contributions to the writing of the paper. 

Paper II:  Performed the experimental work concerning polysaccharide specificity and pH optimum.   

Paper III:  Took part in almost all parts of the paper except the crystallography.  The experimental in 

vitro  work  was  done  together  with  Dr.  Martin  Baumann  and  the  phylogenetic  analyses  were 

performed together with Dr. Gurvan Michel. 

Paper IV:  Performed the production, purification and characterisation AtXTH31 in vitro. 

Paper  V:    Performed  the  production,  purification  and  characterisation  AtXTH13  in  vitro  and 

contributed in the writing of the paper. 

Paper  VI:    This  work  was  performed  by  me;  from  idea,  to  cloning  and  characterisation  and 

phylogenetic analyses. 

 

   

Page 7: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

vii  

 

Related publications not included in this thesis 

1. Eklöf JM, Brumer H (2010) The XTH Gene Family: An Update on Enzyme Structure, Function, and Phylogeny  in Xyloglucan Remodeling. Plant Physiol. 153: 456‐466 (Included,  in part as a chapter in the introduction.) 

 2. Eklöf JM*, Tan TC*, Divne C, Brumer H (2009) The crystal structure of the outer membrane 

lipoprotein  YbhC  from  Escherichia  coli  sheds  new  light  on  the  phylogeny  of  carbohydrate esterase family 8. Proteins 76: 1029‐1036 

 

3. Mark P, Baumann MJ, Eklöf JM, Gullfot F, Michel G, Kallas AM, Teeri TT, Brumer H, Czjzek M (2009)  Analysis  of  nasturtium  TmNXG1  complexes  by  crystallography  and  molecular dynamics  provides  detailed  insight  into  substrate  recognition  by  family  GH16  xyloglucan endo‐transglycosylases and endo‐hydrolases. Proteins: Struct. Funct. Bioinf. 75: 820‐836 

 4. Nordgren  N,  Eklöf  JM,  Zhou  Q,  Brumer  H,  Rutland  MW  (2008)  Top‐down  grafting  of 

xyloglucan to gold monitored by QCM‐D and AFM: Enzymatic activity and  interactions with cellulose. Biomacromolecules 9: 942‐948 

 

*Authors contributed equally to the work 

 

   

Page 8: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

viii  

Content 

Introduction ............................................................................................................................................. 1 Plants & Man ....................................................................................................................................... 2 The Origin & Early Evolution of Plants ................................................................................................ 2 The Embryophytes ............................................................................................................................... 3 The Plant Cell Wall ............................................................................................................................... 5 The primary cell wall ....................................................................................................................... 5 The secondary cell wall ................................................................................................................... 6 Cell wall growth ............................................................................................................................... 7 

Carbohydrate Active enZymes (CAZymes) .......................................................................................... 9 Reaction mechanism of glycoside hydrolases ............................................................................... 10 

Xyloglucan ......................................................................................................................................... 13 Xyloglucan structure ...................................................................................................................... 14 The biosynthesis of xyloglucan ...................................................................................................... 15 The function of xyloglucan ............................................................................................................ 17 The evolution of xyloglucan .......................................................................................................... 17 

Xyloglucan Degradation .................................................................................................................... 18 The Xyloglucan endo‐transglycosylase/hydrolase (XTH) Gene Products .......................................... 20 Molecular phylogeny of XTH gene products ................................................................................. 21 The structural basis of XET versus XEH activity ............................................................................. 24 How XETs and XEHs recognise their natural substrates ................................................................ 29 Alternate substrates, and activities, for XTH gene products ......................................................... 31 Other transglycosylases in plants .................................................................................................. 33 A  future  for  “old‐fashioned”  enzymology  in  these  modern  times  of  high‐volume  functional genomics? ...................................................................................................................................... 34 

Results ................................................................................................................................................... 37 Microbial Xyloglucan Degrading Enzymes ......................................................................................... 38 Aim of investigation ...................................................................................................................... 38 Structural convergent evolution of xyloglucanases ...................................................................... 38 Probing substrate specificity in xyloglucanases ............................................................................ 39 What makes a xyloglucanase? ...................................................................................................... 39 

Plant GH16 Enzymes .......................................................................................................................... 41 Aim of study .................................................................................................................................. 41 Activity of plant GH16 enzymes .................................................................................................... 41 In vivo localisation of XEH activity in Group III‐A knockouts in Arabidopsis ................................. 43 Structure function relationships in XTH gene products ................................................................ 44 

Activity of plant endo β‐1,4 glucanases, EG16s ............................................................................. 45 The phylogeny of plant GH16 enzymes ......................................................................................... 45 Evolution of XTH gene products and the shift in substrate specificity ......................................... 47 

Conclusions ............................................................................................................................................ 50 Acknowledgements ............................................................................................................................... 51 References ............................................................................................................................................. 52 Appendix ................................................................................................................................................ 63 

Page 9: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

1  

 

 

 

 

 

Introduction      

Page 10: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

2  

Plants & Man 

One  life form has probably changed the world more than any other.   Since the first plants  left their 

aquatic habitats for  land, almost 500 million years ago, they completely changed Earth, conquering 

and dominating  just about all ecological niches.   Plants have also played a major role  in the human 

evolution.  The domestication of food crops, such as fig and barley, was an absolute requirement for 

the development of the human, sedentary agriculture society that first appeared  in the fertile crest 

around 10000 BCE (Salamini et al., 2002).  This sedentary culture led, with time, to the development 

of the written language and the world we know today. 

Still today, plants play important roles  in our lives, as food, materials and as a source of energy.  Of 

Sweden’s export value, about 12% comes from wood related products and adding up to about 3% of 

Sweden’s GDP (http://www.skogsindustrierna.org). 

Our dependence of plants  is  likely  to  increase.   One of  the major  challenges of  the  future  lies  in 

securing  food  for  a  growing  world  population  and  at  the  same  time  exchange  fossil  fuels  for 

sustainable  alternatives,  of  which  plant  biomass  is  likely  to  be  one.    Solving  these  truly 

multidisciplinary  issues  will  require  changes  on  many  levels.    To  better  understand  how  plants 

function is one of these issues, and might lead to better crops, new materials or improved efficiency 

in biomass conversion for biofuels. 

The Origin & Early Evolution of Plants 

Niklas  defined  plants  as  “photosynthetic  eukaryotes”,  including  very  distantly  related  organisms 

under the umbrella of plants (Niklas, 2000).  A key developmental step in plant evolution leading to 

the  first  green  alga was  the  endosymbiosis  of  a  photosynthetic  cyanobacterium  by  a  unicellular 

eukaryote which lead to the first photosynthetic eukaryote as hinted by Schimper in the 19th century 

(Schimper, 1883).  With time, the internalised cyanobacterium lost many genes either completely or 

via  transfer  to  the  nucleus  eventually  becoming  dependent  on  its  host  for  survival.    These  host‐

dependent cyanobacteria are the chloroplast, or the plastid in which photosynthesis takes place in all 

plants.    One  or more  of  these  endosymbiotic  events  lead  to  the  emergence  of  three  different 

lineages of photosynthetic organisms namely  the glaucophytes,  the  red algae and  the green algae 

(Keeling, 2004).   The green algae  (Viridiplantae)  in turn divided  into the marine  living chlorophytes 

and  the  freshwater  dwelling  streptophytes  (charophytes)  (Fig.  1a).    The  early  adaptation  of 

streptophytes  to  fresh  water  habitats  was  instrumental  in  their  eventual  land  colonisation.  The 

transition from freshwater to  land habitats was probably done through a series of steps where the 

adaptation  of  living  in  pools with  periodic  desiccation  ultimately  lead  to  plants  that  could  live  in 

habitats without constant water supply  (Becker and Marin, 2009).   Marine dwelling green algae on 

Page 11: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

3  

the other hand had a  longer step transitioning from a saline marine environment to the freshwater 

rain‐based land (Becker and Marin, 2009). 

 

Figure  1.    The  tree  of  plants.    In  a,  all  plants  originating  from  an  ancestral  eukaryotic endosymbiotic event of a cyanobacterium believed to have happened over 1500 million years ago (MYA)  (Palmer  et  al.,  2004)  are  shown.  The  tree  has  an  emphasis  on  Viridiplantae  and streptophytes.    In  b,  a  tree  showing  the  relationship within  the  Embryophyta  is  shown with  a charophycean green alga as an ancestral species. 

The  question  of which  order within  the  Streptophyta  that  finally  colonised  land  about  480 MYA 

(Kenrick and Crane, 1997; Qiu and Palmer, 1999) has and continues to be an enigma and a constant 

reason  for debate within  the scientific community.   The closest  living  relatives of  land plants have 

historically been placed either in the order of Charales or Coleochaetales using either morphological 

or sequence data  (discussed  in Finet et al. 2010).   A  recent extensive analysis of 77 nuclear genes 

suggested that the last common ancestor of the embryophytes was from the order of Coleochatales 

supported both by high Bayesian posterior probabilities and boot strap values using Bayesian‐ and 

maximum‐likelihood methods  respectively  (Finet et al., 2010).   However,  the  issue of  the origin of 

embryophytes will not be settled until there are representative genomic sequences or at least more 

extensive EST libraries of streptophytes. 

The Embryophytes 

The Charales and the Coleochaetales have advanced body plans similar in many respects to the land 

living embryophytes.   Features such as plasmodesmata, phragmoplasts and apical meristems were 

developed within the streptophytes before land colonisation (Graham et al., 2000).  One of the major 

differences  between  the  charophycean  green  algae  and  embryophytes  are  their  life  cycles.    The 

Charales and Coleochaetales are haplobiontic where only  the gametophyte  (1n) has a multicellular 

phase.    Land  plants  are  on  the  other  hand  diplobiontic  with  multicellular  gametophytes  and 

sporophytes (2n) alike. The oldest, still  living,  lineages of embryophytes, the bryophytes (liverworts, 

Page 12: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

4  

mosses and hornworts) appeared around 480 MYA.   The bryophytes still have the gametophyte as 

the main vegetative growth phase with  the  sporophyte being dependent on  the gametophyte  for 

nutrition. 

With time new groups of embryophytes (Fig. 1b) emerged with new inventions that made them more 

competitive for nutrients and light.  Below, highlights of important events in embryophyte evolution 

are listed: 

• Lycophytes  (club mosses):  the  first  paleobotanical  evidence  of  lycophytes,  Cooksonia  and 

Rhynia  is  from 415 MYA. They had water conductive  tissue and  the sporophyte generation 

dominated over the gametophyte generation (Gerrienne et al., 2006).  The water conductive 

tissues  allowed  plants  to  grow  taller,  in  this  manner  giving  them  an  advantage  in  the 

competition for sunlight. 

• Monoliophytes  (ferns) evolved around 380 MYA  (Pryer et al., 2004; Schneider et al., 2004) 

and have true leaves with a branched vein structure called megaphylls (fronds) that allow the 

growth of larger leaves. 

• Gymnosperms (conifers, cycads, Gnetales and Ginko) developed the first seeds ca. 360 MYA 

(Gerrienne et al., 2004) and dispersion of pollen  is mostly air‐ and not water‐dependent as 

opposed to more basal plants. 

• Angiosperms appeared ca. 140 MYA (Hughes, 1994; Moore et al., 2007; Bell et al., 2010) and 

developed carpels, flowers and protected seeds. The endosperms of angiosperms are triploid 

(3n) as compared to gymnosperms (haploid, 1n) (Stuessy, 2004). 

Once  the angiosperms appeared on Earth  they  soon  spread and dominated  the  landscape already 

around  90 MYA.  The  number  of  angiosperm  species  virtually  exploded with more  than  250  000 

species known today being  roughly  ten times higher  than the  total number of species  for all other 

groups  of  land  plants  (Palmer  et  al.,  2004;  De  Bodt  et  al.,  2005;  Crepet  and  Niklas,  2009).    The 

angiosperms  are divided  into  several groups, but  the  two main  lineages  are  the monocotyledons, 

which  contain  the  grasses  and dicotyledons,  that  comprise  almost  200  000  species of  the worlds 

flowers, shrubs and trees. 

   

Page 13: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

5  

 

The Plant Cell Wall 

Cell walls have developed  in almost every major clade of unicellular organisms  (Niklas, 2004).   The 

polymers  that  build  these walls  differ  between  different  lineages  but  they  all  share  the  common 

function of protecting the cell.  All plants cells have a polysaccharide‐based wall, most likely because 

carbon  is  the  least  limiting  resource  for plants while  cell walls of other organisms  can be protein‐

based  as  in  the  S‐layer  of  Archea  (Sara  and  Sleytr,  2000)  or  a  copolymer  of  polysaccharides  and 

peptides as in the peptidoglycan found in most bacteria. 

The primary cell wall 

The primary cell wall is thin, usually between 0.1 and 10 µm thick and determines the cell shape and 

size.    It must be mechanically  strong enough  to  support  the protoplast and protect  it  from  turgor 

pressure, whilst at  the  same  time being plastic enough  to allow  the  cell  to grow without bursting 

(Cosgrove,  2005;  Jarvis,  2011).    In  addition,  the  primary  cell wall  is  also  the  first  line  of  defence 

against pathogens and a source of signalling molecules (Lagaert et al., 2009). 

The Viridiplantae  (green algae and  land plants), have a complex polysaccharide‐based primary cell 

wall surrounding the protoplast.  The wall can be described as a hydrogel containing up to 90% water 

(Redgwell et al., 1997; Redgwell et al., 2008; Rondeau‐Mouro et al., 2008) where crystalline cellulose 

microfibrils construct a fortifying network coated and cross‐linked by hemicelluloses with pectins as 

matrix polysaccharides (Fig. 2a) (Carpita and Gibeaut, 1993; Carpita and McCann, 2000).  Primary cell 

walls also contain structural glycoproteins e.g. arabinogalactan proteins (AGPs) and hydroxyproline‐

rich proteins (HPRPs) alongside catalytically active or non‐active proteins for cell wall remodelling or 

degradation, e.g. expansins, xyloglucan endo‐transglycosylases/hydrolases (XTHs) gene products and 

pectin methylesterases (PMEs) to mention a few (Micheli, 2001; Cosgrove, 2005).   

Structurally, primary cell walls of the economically important spermatophytes have traditionally been 

divided  into two types, Type  I and Type  II  (Carpita and Gibeaut, 1993).   Recent progress  in the cell 

wall composition of more basal embryophytes reviewed  in Popper and Tuohy  (2010)  indicates that 

Type  I‐like  cell walls  are  found  in most embryophytes while Type  II  cell walls are mainly  found  in 

members of  the grassy monocots  in  the Poales and  some closely  related  species.    In Type  I walls, 

xyloglucans  are  the  main  hemicelluloses  and  they  also  have  a  large  proportion  of  pectic 

polysaccharides.    While  similar  in  structure,  Type  II  walls  have  increased  levels  of 

glucuronoarabinoxylan  (GAX) and mixed‐linked glucan  (MLG) but reduced  levels of xyloglucans and 

pectins (Carpita and Gibeaut, 1993; Vogel, 2008).  Both GAX and MLG are classified as hemicelluloses 

and  can  hydrogen‐bond  to  cellulose.    In maize‐coleoptiles, MLG  coats  cellulose microfibrils while 

Page 14: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

6  

different  domains  of  GAX  either  bind  cellulose  or  behave  like  a matrix  polymer,  similar  to  the 

predicted function of pectin (Carpita et al., 2001).  It should be noted that primary cell walls display 

large variations in temporal, tissue and species dependent manners (Knox, 2008). 

 

Figure 2.   Models of  the plant  cell walls.   a,  the primary  cell wall where  cellulose microfibrils coated by hemicelluloses  form a strong yet pliable cell wall.   b, the secondary cell wall with the thin primary cell wall containing randomly oriented cellulose microfibrils on the outside  (P). The secondary  cell  wall  has  a  layered  structure  (S1‐S3)  with  layers  having  different microfibrillar angles. 

Plants have a special  layer gluing adjacent cells together called the middle  lamella.   This pectin‐rich 

middle lamella cross‐links cells by a pectinaceous network where Ca2+ brigdes between carboxylates 

of homogalacturonan (HG) mediate the cross‐links (Vincken et al., 2003).  The pectic polysaccharide 

rhamnogalacturonan  II  (RGII)  can  also be  cross‐linked  through boron bridges between  two  apiose 

residues (Vincken et al., 2003) but  is mainly found  in the primary cell wall.    In certain tracheophyte 

tissues, a third cell wall layer called the secondary cell wall is present. 

The secondary cell wall 

Early  embryophytes  and  bryophytes were  not  limited  to  a  life  close  to  the  ground  solely  by  the 

dependence on water diffusion.   Physical  constraints probably also prevented  them  from growing 

taller.  It was not until the evolution of the secondary cell wall and xylem in tracheophytes that plants 

could compete for sunlight by rising higher above their substrate. 

Many  important  products  such  as  paper,  timber  and wood  are mainly  secondary  cell walls  from 

gymnosperm‐  and  angiosperm  trees  called  soft  and  hardwood  respectively.    Both  hardwood  and 

softwood contains 40‐50 % cellulose  (dry weight), up to 35 % hemicelluloses and up to 25 %  lignin 

with small amounts of pectins, proteins and extractives. The main hemicelluloses  in secondary cell 

walls  of  softwoods  are  mannans  while  the  main  hemicelluloses  in  hardwoods  are  xylans.    The 

deposition  of  the  secondary  cell wall  takes  place  between  the  primary  cell wall  and  the  plasma 

Page 15: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

7  

membrane  and  is  usually  divided  into  three  layers  called  S1,  S2  and  S3  with  different  cellulose 

microfibrillar angles (Fig. 2b). 

The  secondary  cell wall  is usually  lignified.    Lignin  is  a  radical‐formed hydrophobic polymer made 

from  three main monomers of p‐hydroxycinnamyl alchohols: p‐coumaryl‐, H; coniferyl‐, G; sinapyl‐

alchohols,  (S)  (Vanholme  et  al.,  2010).    The  capacity  to  synthesise  S‐monolignols was  previously 

believed  to  be  restricted  to  angiosperms  (Ralph  et  al.,  2004)  but  recent  findings  confirm  their 

presence  in more basal  species,  albeit  from different pathways  (reviewed  in  (Weng  and Chapple, 

2010)). 

Cell wall growth 

Cell wall growth is governed by changes in turgor pressure and cell wall‐loosening agents.  The turgor 

pressure is maintained by the uptake of water into the vacuole and is around 0.3‐0.9 MPa (3‐9 times 

the atmospheric pressure;  (Cosgrove, 1993)).   Because of the high pressure, the cell wall extension 

needs to be tightly regulated to prevent cells from bursting.  The process of cell wall growth is called 

polymer  creep  and  involves  slow  sliding  of  individual  microfibrils  and  their  associated 

polysaccharides  within  the  cell  wall  creating  an  increased  surface  area  (Marga  et  al.,  2005).  

Simultaneously, new cell wall material is synthesised and secreted to maintain the cell wall strength.  

The cell enlargement can be dramatic. Xylem vessels  for example  can  increase  their volume more 

than 30 000 times compared to their meristematic initials (Cosgrove, 2005). 

The primary  cell wall  can be  seen  as  an external  cell organ where  the  cell has  good  control over 

apoplastic pH and the proteins and materials it sends into it.  This allows the cell to control both the 

direction  and  rate  of  growth.    Firstly,  the  direction  of  growth  is  controlled  by  the  orientation  of 

cellulose microfibrils (anisotropic growth).  Secondly, one of the few protein groups with proven cell 

wall  loosening ability,  the expansins, can be secreted and  targeted  to certain parts of  the cell wall 

(Cosgrove,  2000).    The α‐expansins  have  increased  cell  stress‐relaxing  abilities  at  lower  pHs  than 

normally found  in cell walls and are probably the main contributor  in acid growth.   The mechanism 

by which  expansins  loosen  the  cell wall  is not  known but  it has been  speculated  that  they break 

hydrogen  bonds  between  cellulose  microfibrils  and  other  cell  wall  polysaccharides  thereby 

facilitating polymer creep (Cosgrove, 2000).  Thirdly, a range of other enzymes are secreted into the 

cell  wall  during  growth.    Endo‐  or  exo‐acting  glycoside  hydrolases  can  alter  the  properties  of 

polysaccharides and pectin methylesterases (PMEs) can fortify cell walls by calcium mediated pectin 

bridges  (egg boxes).   PMEs have  fairly high pH optima and are activated  first  in  later stages of cell 

wall extension when the pH rises (Micheli, 2001).   The xyloglucan endo‐transglycosylase /hydrolase 

(XTH) gene products are an example of glycoside hydrolases/transglycosylases  involved  in cell wall 

Page 16: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

8  

loosening and strengthening.  These proteins exhibit either xyloglucan endo‐transglycosylase (XET, EC 

2.4.1.207)  or  xyloglucan  endo‐hydrolase  (XEH,  EC  3.2.1.151)  activity  (Eklöf  and  Brumer,  2010).  

Experiments on pea  stems and  suspension  cultures of  tobacco cells  showed  that externally added 

high Mr xyloglucan suppressed cell elongation, probably due to the  incorporation of xyloglucan  into 

the  cell wall matrix by XETs.   Upon  the addition of  xylogluco‐oligosaccharides  (XGOs)  to  the  same 

system, XETs caused a depolymerisation of the native xyloglucan  leading to accelerated elongation 

(Takeda et al., 2002; Kaida et al., 2010).  This demonstrates XETs ability to cause either strengthening 

or  loosening  of  the  cell wall,  depending  on  available  substrates.    Albeit,  experimental  proof  that 

plants  use  XGOs  as  growth modulators  has  not  yet  been  presented.    The  cell wall‐strengthening 

effects of XETs has however been shown  in Arabidopsis (Maris et al., 2009).   Finally, non‐enzymatic 

cleavage of polysaccharides might also lead to cell wall loosening.  Hydrogen peroxide or superoxide 

can be decomposed catalytically into the potent radical •OH by metal ions such as Cu+ or Fe2+ (Fry et 

al., 2002; Swanson and Gilroy, 2010) through the Fenton reaction. 

In some tissue, another type of cell wall extension takes place.  In trichoblasts (certain root epidermal 

cells)  and  pollen  tubes,  a  local  weakening  of  the  cell  wall  caused  by  acidification  leads  to  a 

phenomenon  called  tip  growth.    Tip  growth  involves  a  tip  focused  Ca2+  gradient,  polarised  actin 

polymers, and tip‐directed vesicle trafficking (reviewed by (Cole and Fowler, 2006)). 

   

Page 17: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

9  

Carbohydrate Active enZymes (CAZymes) 

The diversity in carbohydrates far exceeds any other biopolymer. In nature, over 30 different sugars 

(Marth,  2008)  have  been  found  which  can  be  further  modified  by  non‐carbohydrates,  such  as 

sulphate,  phosphate  and  acyl  esters.    Only  assuming  unmodified  carbohydrates,  the  number  of 

theoretical hexasaccharide isomers from D‐hexoses reach a staggering 1012.  Therefore the enzymes 

responsible  for their biosynthesis, modification and degradation face a daunting task.   The work of 

classifying  carbohydrate  active  enzymes  began  around  1990  by  Bernard  Henrissat,  comparing 

different glycoside hydrolases (Henrissat et al., 1989; Henrissat, 1991).  The resulting database, CAZy 

is an excellent example of a successful bioinformatic project and today it  is an instrumental tool for 

all glyco‐scientists, with approximately 3000 downloaded pages daily, showing the key role sequence 

classification has in carbohydrate research (Davies and Sinnott, 2008).  

 

Figure 3.   The year by year growth of GH ORFs  in  the CAZy database.   Figure  from Davies & 

Sinnott, 2008. 

Bernard Henrissat began  the CAZy project by ordering 291  sequences  into 35 glycoside hydrolase 

families, GH1‐GH35, using the unusual method, hydrophobic cluster analysis (HCA; (Gaboriaud et al., 

1987)).    From  the  original  classification  of  35  GH  families,  CAZy  has  continuously  grown  and 

contained  almost  40  000 ORFs  of GHs  ordered  into  112 GH  families  in  2008  (Fig.  3;  (Davies  and 

Sinnott,  2008)).    The  database  is  constantly  being  updated  and  now  contains  122  GH  families 

(January 2011).  Of these 122 GH families, GH21, 40, 41, 60 and 69 (Cottrell et al., 2005; Smith et al., 

2005) have been discontinued due to lack of hydrolytic activity on glycosidic bonds while others like 

Page 18: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

10  

GH61  is  still maintained even  though evidence  is mounting  that  they are not glycoside hydrolases 

(Harris et al., 2010; Vaaje‐Kolstad et al., 2010) but involved in biomass conversion by other means. 

Following  the  original  initiative  to  classify GHs,  other  types  of  carbohydrate‐acting  proteins  have 

been  added  to CAZy.    The new  groups  are  glycosyltransferases  (GTs), polysaccharide  lyases  (PLs), 

carbohydrate esterases (CEs) and carbohydrate binding modules (CBMs). 

The  power  of  the  CAZy  database  lies  in  that  the  classification  into  GH  families  contains  more 

information  than  what  can  be  derived  from  an  EC  number  (NC‐IUBMB, 

http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/).  The EC numbers 3.2.1.x account for all GH activities 

as the first three numbers  indicate that an enzyme hydrolyses glycosidic or thio‐glycosidic  linkages.  

The  shortcomings  of  EC  numbers  are  that  they  only  account  for  one  reaction  and  seldom  reveal 

anything about the mechanism of an enzyme.  For GHs, who often have broad substrate specificities, 

a single EC number  is not sufficient.    Instead CAZy classifies enzymes according to their amino acid 

sequence  and  fold.    This  classification  enables  the  user  to  infer  protein  fold,  often  reaction 

mechanism and catalytic amino‐acids from other family members as well as getting hints to enzyme 

activity. 

Reaction mechanism of glycoside hydrolases 

The glycosidic bond, especially the β‐1,4 bond between two glucose residues,  is the strongest bond 

found  in biopolymers with a  calculated half‐life  in excess of 4 million years.   Glycoside hydrolases 

face a daunting task trying to hydrolyse these bonds but have in certain cases managed to accelerate 

the reaction by an impressive 1017‐fold (Wolfenden et al., 1998). 

A comprehensive understanding of how enzymes accelerate reactions has not yet been reached and 

many factors influence enzyme rates.  In the 1930s, JBS Haldane built on the lock and key simile, but 

said that the key doesn’t perfectly match the lock and exercises a certain strain on it (Haldane, 1930).  

In  the  40’s,  the Nobel  laureate  Linus  Pauling  stated  that  enzymes must  bind  their  substrate  in  a 

constrained  conformation which  corresponds  to  an  activated  complex  (Pauling, 1946).    Still  today 

Linus Pauling’s idea about transition state stabilisation is generally accepted as a major contributor to 

enzyme  catalysis  but  there  are  also  other  factors.    Enzymes  distort  reactants  either  physically  or 

electronically around the site of catalysis and also bring reactants into contact distance of each other 

and catalytic residues (Menger, 2005). However, substrate interactions tens of Ångström away from 

the catalytic residues can drastically alter the rate of catalysis. 

Concerning  glycoside  hydrolases,  Koshland  first  laid  the  basis  of  how  GHs  accomplish  hydrolysis 

already  in  1953  (Koshland,  1953).    Since  then much  has  been  published  on  the mechanisms  of 

Page 19: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

11  

different  glycoside  hydrolases  but most  of  the  early  theories  still  hold  true  (Vocadlo  and Davies, 

2008).    Even  though  several  exceptions  are  known  (Vuong  and Wilson,  2010),  essentially  all  GH 

families  use  one  of  two  reaction  mechanisms,  either  the  inverting mechanism  or  the  retaining 

mechanism  (Rye  and Withers,  2000)  reflecting  the  configuration  of  the  anomeric  oxygen  of  the 

product compared to the substrate. 

The inverting mechanism is a one step mechanism leading to overall inversion of the configuration of 

the anomeric carbon.  It uses a general base to activate a water molecule by extracting a proton and 

an  acid  to  facilitate  the  departure  of  the  leaving  group  by  protonation.    The  transition  state  is 

proposed to be oxocarbenium‐ion‐like (Figure 4a; (Vocadlo et al., 2001)).   The catalytic residues are 

usually aspartates or glutamates and even though the distance between them have been shown to 

vary considerably (Zechel and Withers, 2000) a general rule of thumb is that they are ~10 Å apart. 

 

Page 20: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

12  

 

Figure  4.    General mechanisms  of  glycoside  hydrolases.  a,  the  inverting mechanism;  b,  the retaining mechanism;.  c, the substrate‐assisted mechanism; d, the syn or anti protonation of the leaving group. 

 

Page 21: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

13  

The other common mechanism used by glycoside hydrolases is the retaining mechanism (Fig. 4b).  It 

is  a  two  step mechanism  involving  a  nucleophile  and  an  acid‐base  functionality.    Similar  to  the 

inverting glycoside hydrolases,  the catalytic  residues are usually aspartates or glutamates but with 

some variation as  in sialidases and trans‐sialidases of GH33 and GH34, where a tyrosine acts as the 

nucleophile (Watts et al., 2003).   In GH18, 20, 25, 56, 84, 85 and 103, substrate‐assisted catalysis  is 

utilised  by  employing  an  acetoamide  group  from  the  substrate  itself  as  the  nucleophile  (Fig.  4c; 

(Macauley et al., 2005)).  In the retaining mechanism the first step is an attack by the nucleophile on 

the anomeric carbon of a sugar ring resulting  in a glycosyl‐enzyme  intermediate.   The departure of 

the  leaving group  is assisted by protonation from the acid‐base  in a syn or anti fashion (Fig. 4d).  In 

the  second  step  the acid‐base activates a water molecule  that  subsequently attacks  the anomeric 

carbon  releasing  the  product with  retention  of  the  stereochemistry  at  the  anomeric  carbon  and 

restoring the active site.   For a more  in‐depth discussion on the mechanistic properties of glycoside 

hydrolases the reader is referred to a recent review by Vocadlo and Davies, 2008. 

Xyloglucan 

Xyloglucan is the main hemicellulose  in the primary cell wall of most  land plants where  it coats and 

tethers  adjacent  cellulose microfibrils  (Nishitani,  1998).    In  the  primary  cell walls  of  dicots  it  can 

represent as much as 20‐25 % of the dry mass (Ebringerova, 2006).  Xyloglucan has also been found 

in  tension  wood  fibers  in  poplar  where  it  seems  to  be  important  for  the  gravitropic  response 

(Nishikubo  et  al.,  2007;  Baba  et  al.,  2009).    In  certain  plants,  including  the  ornamental  plant 

nasturtium  (Tropaeolum majus) and  the  tropical  tree  tamarind  (Tamarindus  indica) xyloglucan has 

been recruited as a seed storage polysaccharide, supplying the growing embryo with both hexoses 

and pentoses (Kooiman, 1960; Reid, 1985; Buckeridge et al., 2000; Buckeridge, 2010). 

   

Page 22: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

14  

 

Figure 5. Common structural motifs of xyloglucan and xylogluco‐oligosaccharides (XGOs). Both a and b depict the same XLFG cellotetraose‐based XGO.  Each glucosyl in the glucan backbone is denoted by the sidechains it carries.  A glucosyl with an α‐1,6 xylosyl substitution is called X.  If the xylosyl is further substituted by a β‐1,2 galactosyl unit the branch  is called L.  In the primary cell walls  of  angiosperms  the  F  branch  is  common  and  is  an  α‐1,2‐L‐fucosyl  substitution  on  the galactosyl.   Unsubstituted glucosyl units are found at every fourth glucosyl unit  in the backbone and are denoted G (XGO nomenclature from Fry et al., 1993) 

Xyloglucan structure 

Structurally,  xyloglucans are branched glucans  constituted by a  range of different oligosaccharide‐

monomers with a common cellotetraose (β‐1,4‐linked glucan) backbone (Fig. 5).  To account for the 

different branching patterns of the xylogluco‐oligosaccharides (XGOs), Fry et al., (1993) came up with 

a  unifying  nomenclature,  naming  sidechains  of  individual  glucosyl  units.    The  first  two  or  three 

glucosyl  units,  counting  from  the  non‐reducing  end  are  substituted  by α‐1,6  xylosyl  residues  and 

denoted X with the reducing end glucosyl unit unsubstituted (G).  These XXGG or XXXG‐motifs form 

the basis for all other xyloglucan monomers (Vincken et al., 1997). The middle two X motifs of XXXG 

can  then be  further substituted by β‐1,4 galactosyl  residues and are denoted L.   Another common 

structural motif  in  the  primary  cell  wall  xyloglucan  of  higher  plants  contains  an  α‐1,2‐L‐fucosyl 

residue on the galactosyl closest to the reducing end (F; Fig. 5). The most common type of monomers 

in  land plants are thus XXXG, XXLG, XLXG, XXFG, XLLG and XLFG  (Hoffman et al., 2005; Peña et al., 

2008; Hsieh and Harris, 2009).    In the oldest  lineages of the  land plants,  i.e.  liverworts and mosses, 

fucosylated xyloglucan is not found.  Instead, a more pectin‐like anionic xyloglucan with galacturonic 

acid  residues has been  found  (Peña et  al., 2008).   Other deviations  from  the  standard  xyloglucan 

monomers are found in the lycophytes where arabinose can replace galactose (Peña et al., 2008), in 

the  solanaeous  plants  where  arabinose  replaces  fucose  (York  et  al.,  1996)  and  in  seed  storage 

xyloglucans that lack fucose (Faik et al., 2000). 

Page 23: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

15  

The  branching  pattern  of  xyloglucans  influences  the  physico‐chemical  properties  of  the 

polysaccharides.   A homo‐xyloglucan made  from XXXG motifs had  low water solubility while XLLG‐

based homo‐xyloglucan and native xyloglucan with mixed monomer  composition has much higher 

water  solubility  (unpublished  results,  and  (Gullfot  et  al.,  2009).   While  xyloglucan monomers  are 

believed to be randomly distributed in the polymer there is a least one case where xyloglucan has a 

domain‐like structure (Tine et al., 2003; Tine et al., 2006).  Xyloglucan may also be linked covalently 

to other polysaccharides.  A study using Arabidopsis cell cultures has indicated that as much as 50 % 

of  the  xyloglucan  in  these  walls  is  covalently  linked  intra‐cellularly  to  the  pectic  polysaccharide 

rhamnogalacturonan I (Popper and Fry, 2008). 

The biosynthesis of xyloglucan 

In plants, the hemicelluloses and pectins are synthesised in the Golgi apparatus and exported to the 

apoplast by exocytosis  (Scheller and Ulvskov, 2010) and only cellulose and callose are made  in  the 

plasma membrane (Somerville, 2006; Guerriero et al., 2010; Carpita, 2011) (Fig. 6).  The rather poor 

understanding of polysaccharide biosynthesis by membrane‐bound glycosyltransferases is, at least in 

part, due to the fact that membrane‐bound proteins are more difficult to study compared to soluble 

proteins and might also  require  the assembly of  complexes or post‐translational modifications  for 

activity.  The enzymes involved in xyloglucan biosynthesis are fairly well mapped compared to other 

plant cell wall polysaccharides.  The backbone of xyloglucan  is synthesised by enzymes belonging to 

the cellulose synthase  like C  (CslC) group.   Arabidopsis has  five CslC genes of which only CSLC4 has 

been directly implicated in synthesising the β‐1,4 glucan backbone of xyloglucan.  The α‐xylosylation 

branching  is made by  two α‐1,6 glycosyltransferases  from  family 34  (GT34;  (Cavalier et al., 2008)).  

Three more GT34s could be  involved  in xyloglucan xylosylation as a third GT34, XXT5 has also been 

suggested  to be  involved  in xyloglucan α‐xylosylation  in Arabidopsis  (Zabotina et al., 2009).   Other 

enzymes involved  in xyloglucan assembly were found when monitoring fucose epitopes  in plant cell 

wall  mutants.    Using  this  methodology,  an  α‐fucosyl  transferase  and  a  β‐galactosyl  transferase 

specific to the third X in the XXXG‐motif were found (Madson et al., 2003; Li et al., 2004).  The other 

enzymes involved in the biosynthesis of xyloglucan are still unidentified. 

Page 24: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

16  

 

Figure 6.   The biosynthesis of polysaccharides and the vesicular trafficking to the primary cell wall.  Hemicelluloses and pectins are made in the Golgi apparatus and secreted into the cell wall by exocytosis while the biosynthetic machinery for cellulose and callose are located in the plasma membrane. Figure from Cosgrove (2005). 

Localisation studies have recently shown the specific Golgi localisation of known glycosyltransferases 

involved  in  xyloglucan  biosynthesis  in  tobacco  BY‐2  cells.    The  first  branching  enzymes,  the  α‐

xylosyltransferases are mainly found in the cis‐ and medial Golgi regions while the β‐galactosyl‐ and 

α‐fucosyltransferases are  found from the medial to the trans Golgi compartments (Chevalier et al., 

2010). 

Despite this knowledge, the mode of assembly of xyloglucan still remains an enigma.  Is it assembled 

from XGOs to xyloglucan or are the branch‐building enzymes working on  longer glucan chains?   To 

me personally,  it seems more plausible that xyloglucan  is assembled from monomers, perhaps  lipid 

anchored, by a hitherto unknown enzyme.    If  so, a  link between  the xyloglucan and  the β‐1,3;1,4 

glucan  (MLG) biosynthesis of the Poaceae can be postulated.   Arabidopsis walls do not contain any 

MLG  but  when  Poaceae  specific  CslH  or  CslF  genes  are  expressed  in  Arabidopsis, MLG  can  be 

detected  in the cell wall  (Burton et al., 2006; Doblin et al., 2009).   This can either be due to a dual 

function of these genes making both β‐1,3 and β‐1,4 glucosidic bonds or more  likely  (in my mind), 

these  two  gene  families  can use  the  existing biosynthetic machinery of  the  CslCs  (responsible  for 

biosynthesis of  the  xyloglucan backbone) and  connect  shorter β‐1,4 glucan oligos by β‐1,3 bonds.  

They  could  do  so  by  being  located  in  the  cis  Golgi,  before  α‐xylosyltransferases  or  by  making 

complexes with the CslCs.  A compelling circumstantial evidence of this hypothesis is the similarity in 

length of the repeating units of XGOs and MLG. 

Page 25: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

17  

The function of xyloglucan 

Despite xyloglucan’s ascribed role as an integral part of contemporary cell wall models, cardinal work 

by Cavalier et al. (2008) showed that Arabidopsis plants  lacking two α‐xylosyltransferase genes had 

no  detectable  xyloglucan  in  their  cell  wall  whilst  only  displaying  a  mild  dwarf  phenotype  with 

aberrant root hairs (Cavalier et al., 2008).  Recent analyses of this xxt1/xxt2 double mutant indicated 

that the cell walls are weakened and that xyloglucan is needed for the spatial distribution of cellulose 

microfibrils and  to prevent  the  formation of microfibrilar aggregates  (Anderson et al., 2010).   This 

shows  that xyloglucan  is not an absolute  requirement  in  land plants  (under  laboratory conditions) 

and that there is at least a partial functional redundancy of different plant cell wall polysaccharides.  

XGOs have been shown to negatively influence growth indirectly by antagonising the effect of auxin 

(Lorences et al., 1990; Fry et al., 1993) but  they can also  increase cell elongation probably by XET 

mediated xyloglucan depolymerisation (Takeda et al., 2002; Kaida et al., 2010). 

The evolution of xyloglucan 

Despite  not  being  essential  to  Arabidopsis,  xyloglucan  could  have  been  a  key  component  in  the 

transition  from water  to  land  (Popper  and  Fry,  2003).    Previously  not  considered  present  in  the 

charophycean  algae  (Popper  and  Fry,  2003)  recent  antibody‐based  microarray  experiments  and 

methylation analyses by GC‐MS suggest small amounts of xyloglucan  in specific cells  in both Chara 

corallina  and  Spirogyra  sp.  (Moller  et  al.,  2007;  Ikegaya  et  al.,  2008;  Domozych  et  al.,  2009; 

Domozych  et  al.,  2010).    In  support  of  the  presence  of  a  xyloglucan‐like  polysaccharide  in 

charophycean green algae is the finding of a CslC gene in Chara globularis inferred to be involved in 

making the backbone glucan of xyloglucan (Del Bem and Vincentz, 2010).   Caution  is warranted not 

to  over‐analyse  antibody  detection  data  of  polysaccharides  as  antibodies  can  detect  epitopes 

potentially  present  in more  than  one  polysaccharide  and  polysaccharides  can  also  be masked  by 

other polysaccharides in the cell wall (Marcus et al., 2008). 

If charophycean green algae  indeed have small amounts of xyloglucan,  I believe the recruitment of 

xyloglucan to all primary cell walls and in larger quantities was seminal to early land colonising plants 

rather  than  acquiring  the  ability  to  synthesise  xyloglucan.    This would be  analogous  to  the pectic 

polysaccharide RGII  found  in all  land plants but only  in very  low  levels  in bryophytes compared  to 

tracheophytes.    Higher  levels  of  RGII  together  with  the  invention  of  lignin  are  believed  to  be 

important events in the tracheophyte evolution (Matsunaga et al., 2004; Popper and Tuohy, 2010). 

 

Page 26: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

18  

Xyloglucan Degradation 

With  the  realisation  that peak oil  is already upon us or at  least around  the  corner,  together with 

national  security  decrees  of  energy  independence  have  lead  to  a  surge  of  interest  in  biomass 

conversion.   Even though emphasis has been on degradation of recalcitrant cellulose,  lignocellulose 

materials and starch, research has also been conducted on hemicellulose degradation (Gilbert et al., 

2008; Vlasenko et al., 2010).  Nature’s  large arsenal of xyloglucan degrading enzymes, from a range 

of different GH families are now being studied in detail and papers within this thesis have made real 

contributions to the understanding of some of them. 

The  initial  attack  in  xyloglucan degradation  is made by  endo‐acting  xyloglucanases  residing  in  the 

retaining  families GH5,  7,  12,  16  and  44  as well  as  in  the  inverting GH74  that depolymerise high 

molecular mass xyloglucan  into XGOs (Juhász et al., 2005; Gilbert et al., 2008). While most of these 

xyloglucanases  act  by  cleaving  xyloglucan  after  an  unsubstituted  glucosyl  unit,  G  (Fig.  7a;  EC 

3.2.1.151, www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme) notable exception have been  found  in GH44 and 

GH74.  A GH44 enzyme (Paper I) has been shown to preferably cleave xyloglucan with an X motif in 

the ‐1 subsite and a G in the +1 subsite while the GH74 enzyme uses this mode of cleavage to a lesser 

extent  (Yaoi  et  al.,  2005).    Other  unusual  xyloglucan  cleavage  patterns  have  been  observed  for 

various GH74 enzymes.  Some prefer cleavage between two X motifs (Desmet et al., 2007) whilst two 

GH74 enzymes have been shown to be reducing end‐specific cellobiohydrolases (EC 3.2.1.150; (Yaoi 

and Mitsuishi, 2002; Bauer  et  al.,  2005))  releasing  XG,  LG or  FG  from  xyloglucan.    The  exo‐acting 

activity is believed to be due to a loop insertion closing off the positive subsites (Yaoi et al., 2007).  A 

similar mechanism for the exo‐activity of a ruminal GH5 enzyme was recently proposed (Wong et al., 

2010). 

Sometimes,  the mode of  action on  xyloglucan  is  less  clear.   A GH74  enzyme  from Chrysosporium 

lucknowense has shown mixed endo and exo‐activity, initially attacking a xyloglucan chain in an endo 

fashion  but  at  a  later  stage  mainly  working  in  an  exo  fashion,  producing  XXXG‐based  XGOs 

(unpublished data Eklöf; (Grishutin et al., 2004)).  A mixed type of degradation pattern has also been 

reported for a GH7 cellobiohydrolase previously believed to be acting exclusively on the reducing end 

of  cellulose  chains.   A more  in‐depth analysis of  this enzyme has however  shown  that  it  can  also 

initiate new cuts in an endo fashion (Kurašjin and Väljamäe, 2011). 

Page 27: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

19  

 

Figure  7.    The  degradation  of  high  Mw  xyloglucan  to  monosaccharides.    The  first  step  in xyloglucan degradation  is  to depolymerise xyloglucan  into XGOs by endo‐acting xyloglucanases (a). In b, some of the exo‐acting side chain‐trimming enzymes are shown together with the XGO nomenclature for the respective xyloglucan units (Fry et al., 1993).  In c, the degradation of XXXG into monosaccharides by the sequential action of α‐xylosidases and β‐glucosidases as observed in Arabidopsis and bacteria (Iglesias et al., 2006; Larsbrink et al., 2011). 

After conversion of high molecular mass xyloglucan by endo‐acting xyloglucanases  into XGOs, exo‐

acting enzymes debranch the XGOs (Fig. 7).    In Arabidopsis the apoplastic degradation of XGOs has 

been studied and  there  it seems  like  side chains are stripped off by α‐1,2‐L‐fucosidases  (GH95, EC 

3.2.1.63)  and  β‐galactosidases  (GH1,  2,  35,  42  and  43;  EC  3.2.1.23)  to  create  xylosylated  XGOs 

(Iglesias  et  al.,  2006).    These  are  then  hydrolysed  into monosaccharides  starting  from  the  non‐

reducing  end by  the  concerted  and  sequential  actions of α‐xylosidases  (GH31;  EC  3.2.1.X)  and β‐

glucosidases  (GH1  and  GH3;  EC  3.2.1.21)  (Buckeridge  et  al.,  2000).    In  other  species,  other  de‐

branching,  exo‐acting  enzymes  are  most  likely  present  acting  on  XGOs,  for  example  α‐L‐

arabinofuranosidases (GH3, 10, 43, 51, 54 and 62; EC 3.2.1.55). 

   

Page 28: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

20  

The Xyloglucan endo­transglycosylase/hydrolase (XTH) Gene Products1 

In contrast to microbial endo‐acting xyloglucanases that are found  in numerous GH families (Gilbert 

et  al.,  2008;  Vlasenko  et  al.,  2010),  plants  enzymes  responsible  for  the  cleavage  and/or 

rearrangement  of  the  xyloglucan  backbone  in  muro  have  so  far  only  been  identified  in  GH16.  

Although  this  limited  distribution  certainly  belies  their  importance.    The  xyloglucan  endo‐

transglycosylase/hydrolase  (XTH)2  genes  encode  proteins  that  can  potentially  have  two  distinct 

catalytic activities, with  radically different effects on xyloglucan:   Xyloglucan endo‐transglycosylase 

(XET)  activity  (formally,  xyloglucan:xyloglucosyl  transferase;  EC  2.4.1.207)  results  in  the  (non‐

hydrolytic)  cleavage  and  ligation  of  xyloglucan  chains,  whereas  xyloglucan  endo‐hydrolase  (XEH) 

activity  (formally,  xyloglucan‐specific  endo‐β‐1,4‐glucanase;  EC  3.2.151)  yields  irreversible  chain 

shortening.   Since their  initial discovery  in the early 1990’s, XETs have  figured prominently  in plant 

cell wall models, due to the believed potential of these enzymes to cause transient matrix cleavage 

without hydrolysis, thus providing a potential molecular mechanism for controlled, turgor‐driven wall 

expansion (Rose et al., 2002). 

Indeed,  XETs  have  been  implicated  in  both  wall‐loosening  and  wall‐strengthening,  gravitropic 

responses, as well as  in  incorporating nascent xyloglucan  into the wall during biosynthesis  (Rose et 

al.,  2002;  Cosgrove,  2005).    And,  while  the  biomechanical  roles  of  XETs  are  still  being  debated 

(Cosgrove,  2005;  Van  Sandt  et  al.,  2007),  it  is  doubtless  that  XTH  gene  products  are  important:  

higher plants maintain large XTH gene families (comprised of 20‐60 genes, Fig. 8B), whose members 

are  actively  transcribed  in  tissue‐,  time‐,  and  stimulus‐dependent  contexts  (Rose  et  al.,  2002; 

Yokoyama et al., 2004; Becnel et al., 2006; Mellerowicz and Sundberg, 2008; Miedes and Lorences, 

2009). 

To understand the physiological effects of individual XTH gene products in diverse processes such as 

seed germination, organogenesis, cell expansion, and fruit ripening, it is essential to understand their 

                                                             

 

1 This section is a modified version of a review article, where the author of this thesis is the primary author, published in a Focus issue of Plant Physiology (www.plantphysiol.org; Copyright American Society of Plant Biologists). Eklöf JM, Brumer H (2010) The XTH Gene Family: An Update on Enzyme Structure, Function, and Phylogeny in Xyloglucan Remodeling. Plant Physiol. 153: 456‐466   2XTH has alternately been defined as xyloglucan endo‐transglucosylase/hydrolase (Rose et al., 2002), although this is formally incorrect: an entire glycan chain is transferred, not a single glucosyl residue; compare cyclomaltodextrin glucanotransferase, EC 2.4.1.19; 4‐α‐glucanotransferase, EC 2.4.1.25; 1,4‐α‐glucan 6‐α‐glucosyltransferase, EC 2.4.1.24; etc. 

Page 29: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

21  

biochemistry.  I.e., it is necessary to know whether a regulated transcript encodes a strict XET devoid 

of kinetically  relevant hydrolytic activity, a  strict XEH with no capacity  to  rearrange  the xyloglucan 

network except through irreversible degradation, or an enzyme with mixed function. 

In  the  last decade  there have been  significant advances  in  the understanding of protein  structure‐

function  relationships  encoded  by  the  XTH  gene  family,  including  the  first  three‐dimensional 

structures  of  a  plant  XET  (Johansson  et  al.,  2004)  and  a  plant  XEH  (paper  II  here  referred  to  as 

(Baumann et al., 2007)). 

Molecular phylogeny of XTH gene products 

An evolving view of families, subfamilies, clades, and clans 

The proteins encoded by XTH genes comprise a subfamily of Glycoside Hydrolase family 16 (GH16) in 

the Carbohydrate‐Active enZYmes (CAZy) classification (Cantarel et al., 2009), which groups enzymes 

on the basis of structural and mechanistic similarity (Davies and Henrissat, 1995; Davies et al., 2005).  

GH16 enzymes display a diversity of substrate specificities, with family members cleaving β‐1,3 or β‐

1,4 bonds  in  various  glucans  and  galactans.   GH16 enzymes  are  also distantly  related  to  the GH7 

cellulases within Clan GH‐B3 (Michel et al., 2001; Eklöf, 2010).  Within GH16, the XTH gene products 

are most closely related to bacterial β‐1,3;1,4‐glucan hydrolases and fungal Crh proteins  implicated 

in cross linking chitin to β‐1,6 and β‐1,3 glucans (Cabib et al., 2008) (Fig. 8a). 

The molecular phylogeny of XTH genes and gene products, which was originally divided  into  three 

major  Groups  (I,  II,  and  III)  (Campbell  and  Braam,  1999),  has  undergone  continual  revision  as  a 

consequence of an ever‐increasing body of sequence  information.    Indeed,  just over ten years ago, 

there  were  ca.  50  XTH  gene  product  sequences  (Campbell  and  Braam,  1999).    As  a  result  of 

numerous  plant  genome  sequencing  projects  (http://www.phytozome.org/),  this  number  has 

increased to several hundred, with the result that original phylogenetic differences are beginning to 

become blurred.  Indeed, already in 2004 a comparison of the first two public plant genomes, rice (a 

monocot)  and  Arabidopsis  (a  dicot),  indicated  that Groups  I  and  II  had  become  indistinguishable 

(Yokoyama et al., 2004).  This observation has been mirrored by the analysis of other large data sets 

(Baumann et al., 2007; Michailidis et al., 2009). 

                                                             

 

3 Clans are groups of GH families with a conserved three‐dimensional structure and catalytic machinery despite low amino acid sequence similarity and differing substrate specificity; see http://www.cazy.org/   

Page 30: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

22  

 

Figure 8. The evolution and distribution of XTH and EG16 genes in publicly available genomes.  a,  the  proposed  evolution  of  Clan  B  containing GH7  and  GH16  (updated  from  (Michel  et  al., 2001)).  b, a simplified tree showing the representatives of the Viridiplantae (top) and a diagram showing the distribution of XTH and EG16 genes into groups (bottom).  The number of genes from each organism  is  shown on  top of each  column.   The groups are  coloured as  follows: Group  I, black;  Group  II,  light  gray;  Group  III‐A, white;  Group  III‐B,  darkgrey;  EG16,  tilted  stripes.  The presence of an EG16 in Charophyta was shown in Paper VI.  Genomes accessed in February 2011 from http://www.phytozome.org. 

Page 31: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

23  

The validation of a subfamily rests in statistical robustness, as well as the ability of such groupings to 

predict enzyme characteristics and/or in vivo functional differences.  Within the composite Group I/II 

there are a number of statistically robust clades, although there  is no evidence (thus far) that these 

clades harbour  significantly different activities.    Indeed, heterologously expressed XTH genes  from 

this group have all exhibited exclusively XET activity (Supplementary Table S1, available online from 

(Eklöf and Brumer, 2010)), although in most cases donor and acceptor substrate specificities have not 

been extensively analysed.   For XTH phylogenies to have a predictive power, an emerging picture  is 

that finer‐grain considerations of clade and sub‐clade groupings should be made, based both on high‐

level sequence clustering algorithms and rigorous biochemical data (Baumann et al., 2007; Atkinson 

et al., 2009; Del Bem and Vincentz, 2010). 

As a case in point, historical Group III (Campbell and Braam, 1999) can be divided in two, supported 

by  both  sequence  analysis  and  catalytic  measurements.    The  archetypal  XEH,  Tm‐NXG1  from 

nasturtium (Tropaeolum majus), and VaXGH from azuki bean (Vigna angularis) of Group III‐A (Group 

nomenclature according  to Baumann  et al.,  (2007)) are  thus  far  the only XTH gene products with 

demonstrable hydrolytic (XEH) activity (Edwards et al., 1986; Fanutti et al., 1993, 1996; Tabuchi et al., 

2001;  Baumann  et  al.,  2007).    In  contrast,  heterologously  expressed  XTH  genes  in  Group  III‐B, 

AtXTH27  (Campbell and Braam, 1999), SlXTH5  (Saladie et al., 2006), and HvXTH8  (Kaewthai et al., 

2010)  show  predominantly  or  exclusively  XET  activity,  thus  validating  a  functional  distinction 

between the A and B clades. 

Recently, a new clade of plant GH16 enzymes has been described (Fig. 8b, Paper VI).   These genes, 

called GH16  endo  glucanases  (EG16s)  seem  to  predate  the  XTH  gene  product  present  already  in 

charophycean  green  algae.    The  product  of  an  EG16  gene  from  black  cottonwood,  Populus 

trichocarpa  showed  activity  on  both  β‐1,3;1,4  glucan  and  xyloglucan,  and was  suggested  to  have 

shared a  last common ancestor with XTH gene products, giving clues to the evolution of XTH gene 

products from bacterial lichenases (Paper VI). 

Insight from plant genome sequencing 

As  a  result  of  the  23  publicly  available  land  plant  genomes  (http://www.phytozome.org/),  the 

outlines of  the XTH gene product  family evolution can be visualised  (Fig. 8b).   Xyloglucan and XTH 

genes are not present  in all plants.   The unicellular green algae of the division Chlorophyta are not 

likely to contain xyloglucan  (Frei and Preston, 1961), and three available genome sequences reveal 

that  these organisms do not possess XTH genes  (Fig. 8b).    In  the  charophycean green algae more 

closely related to land plants, both XET activity, GH16 enzymes and small amounts of xyloglucan have 

been  found  (Popper and  Fry, 2003;  Ikegaya et al., 2008; Domozych et al., 2009; Domozych et al., 

Page 32: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

24  

2010).   For example,  in Chara vulgaris, one of the closest  living relatives to the early  land plants, a 

transcript with high sequence similarity to GH16 β‐1,3;1,4‐glucanases has been found (Van Sandt et 

al., 2007).    It  is tempting  to speculate that such a sequence might be the ancestor of an early XTH 

gene, due to the similarities between GH16 β‐1,3;1,4 glucanases and XTH gene products (Fig. 8a and 

Paper VI). 

The oldest plants currently known to have both xyloglucan (Popper and Fry, 2003; Popper, 2008) and 

XTH  genes  are  the  bryophyte  Physcomitrella  patens  and  the  early  vascular  plants  (lycophytes) 

Selaginella kraussiana (Van Sandt et al., 2006) and Selaginella moellendorffii.  The relative abundance 

of XTH gene products in the genomes of P. patens and S. moellendorffii (Fig. 8b) indicate that Group I 

is likely to be the original XTH gene product subfamily and that Group II and III‐B arose subsequently 

in  separate events.   Particularly notable  in  these early plants  is  the  lack of  the Group  III‐A, which 

harbours the predominant XEH enzymes Tm‐NXG1  (Paper  III), AtXTH31  (Paper  IV) and VaXGH  (Fig. 

8b).   These observations are  in  accordance with Baumann  et al.,  (2007), who  suggested  that XEH 

activity may have developed as a gain of  function  in an ancestral XET, and also  that an  “ancestral 

group” of sequences (part of Group I) clustered closest to a bacterial β‐1,3;1,4 glucanase. 

The structural basis of XET versus XEH activity 

A key outstanding question in the functional genomics of XTH genes  is, what determines whether a 

protein  will  have  XET  or  XEH  activity,  or  some  combination  of  the  two?    In  2004,  the  first 

experimentally‐determined  three‐dimensional  structure  of  a  XET was  reported  (Johansson  et  al., 

2004),  that  of  the  Populus  tremula  x  tremuloides  (hydrid  aspen)  XET16‐34  (PDB  ID  1un1), which 

opened the door to addressing this question through “structural biology.”  PttXET16‐34, a member of 

Group  I/II  that  is  highly  up‐regulated  in  wood‐forming  tissues,  is  notably  devoid  of measurable 

hydrolytic activity across a  range of xyloglucan concentrations  (Kallas et al., 2005; Baumann et al., 

2007).  Shortly thereafter, this first XET structure was followed by the structure of the archetypal XEH 

from nasturtium, Tm‐NXG1 of Group III‐A (PDB ID 2uwa) (Baumann et al., 2007).  Together, these two 

structures were instrumental in providing first atomic‐level insight into the molecular mechanisms of 

cell wall remodelling and degradation by XTH gene products. 

Page 33: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

25  

 

Figure 9.  Structures of XTH gene products and a closely related GH16 β‐1,3;1,4 glucanase.  a, surface representation of  Ptt‐XET16‐34  (PDB  ID 1un1,  1umz)  in  silver  (C‐terminal  extension  in  copper) with a xylogluco‐oligosaccharide, XLLGXLLG bound (glucosyl backbone in blue and xylosyl and galactosyl units in gold).   b, surface representation of a β‐1,3;1,4 glucanase (PDB ID 1u0a) in silver with a  loop narrowing the  negative  subsites  in  copper  with  a  β‐1,3;1,4  gluco‐tetrasaccharide  (G4G4G3G).    c,  a  cartoon representation  of  Ptt‐XET16‐34  showing  the  C  terminal  extension  (copper)  and  catalytic  amino  acids (green) with XLLGXLLG  bound.  d, overlay of a XET, Ptt‐XET16‐34 (silver with red loops) and a XEH, Tm‐NXG1 (gold with blue loops; PDB ID 2uwa, 2vh9). 

Global features of enzyme structures revealed by X‐ray crystallography 

Both the PttXET16‐34 and Tm‐NXG1 structures display the β‐jellyroll fold common to all members of 

GH16,  but with  notable  differences  that  reflect  the  specialisation  of  these  enzymes  toward  their 

Page 34: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

26  

highly  branched  substrate.    Compared  to  the  GH16  β‐1,3;1,4‐glucanases,  which  hydrolyse 

unsubstituted polyglucose  chains  (Planas, 2000),  the XETs  and XEHs have  a much wider  substrate 

binding cleft due to a major loop deletion in the negative subsites4 of the active‐site cleft (Fig. 9a cf. 

Fig.  9b).    In  the  positive  subsites,  a  C‐terminal  extension,  which  has  been  long  recognised  as  a 

distinguishing  feature  of  XET  sequences  in  GH16  ((Campbell  and  Braam,  1999),  InterPro  entry 

IPR010713), elongates the substrate binding cleft by providing an extra β‐strand at the end of an α‐

helix (Fig. 9c) (Johansson et al., 2004).   Strikingly, this motif follows a disorganised  leader sequence 

extending  across  the  underside  of  the  tertiary  structure  (Fig.  9c), which may  present  a  hurdle  in 

protein  folding  that  contributes  to  the  difficulties  encountered  in  the  recombinant  production  of 

these enzymes in prokaryotic and eukaryotic hosts (Kaewthai et al., 2010). 

The experimentally determined PttXET16‐34 (Johansson et al., 2004) and Tm‐NXG1 (Baumann et al., 

2007) tertiary structures also reveal the structural importance of highly conserved cysteine residues 

(Campbell and Braam, 1999), which help  to stabilise  the C‐terminal extension by  formation of  two 

disulfide  bonds.    Finally,  the  PttXET16‐34  structure  highlight  the  structural  importance  of  the N‐

glycan,  the  core  of  which  interacts  tightly  with  the  polypeptide  chain  (Johansson  et  al.,  2004).  

Removal of this N‐glycan, either through site‐directed mutagenesis or enzymatic treatment, greatly 

reduces proper protein folding and stability  in a number of XETs (Campbell and Braam, 1999; Kallas 

et al., 2005).  This N‐glycosylation site is conserved in all Group I/II sequences, but is notably absent 

in nearly all Group  III‐A enzymes such as Tm‐NXG1 (Baumann et al., 2007).   In Group  III‐B enzymes, 

the N‐glycosylation  site  is  shifted  toward  the C‐terminus,  thus placing  it on  the other  side of  the 

active site cleft (Kallas et al., 2005). 

The catalytic amino acids:  identification and roles 

Although  the  inclusion  of  XETs,  xyloglucan:xyloglucosyl  transferases  (EC  2.4.1.207)  in  a  Glycoside 

Hydrolase  family may seem  incongruous, the ability of XETs to catalyse glycosyl transfer  is a  logical 

consequence of  the  canonical  “retaining”  catalytic mechanism employed by  all members of GH16 

(Planas, 2000).   A key  feature of  the  retaining mechanism  (Fig. 10)  is  the  formation of a  covalent 

glycosyl‐enzyme  intermediate,  which  can  be  broken‐down  by  water,  yielding  hydrolysis  (XEH 

activity),  or  an  incoming  saccharide  substrate,  yielding  transglycosylation  (XET  activity;  (Sinnott, 

1990; Baumann et al., 2007)).   Definitive proof of  the  covalent nature of  the glycosyl‐enzyme has 

                                                             

 

4 The negative subsites are those which bind the polysaccharide from the point of cleavage toward the non‐reducing end of the polysaccharide, according to the nomenclature of (Davies et al., 1997); see Fig. 10. 

Page 35: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

27  

been obtained through kinetic trapping and direct observation of this intermediate in PttXET16‐34 by 

mass spectrometry (Piens et al., 2008). 

 

Figure  10.    A  schematic  representation  of  the  mechanism  used  by  XETs  and  XEHs.  Left, xyloglucan  binds  to  XETs  and  XEHs  in  both  negative  and  positive  subsites  (glucosyl  units  of xyloglucan in blue and xylosyl units in orange).  After binding, the substrate is cleaved resulting in an  enzyme‐glycosyl  intermediate.    In  the  last  step  the  glycosyl‐enzyme  is  broken  down  by  an incoming  acceptor,  either  by water  (XEH  activity)  or  by  the  non‐reducing  end  of  a  xyloglucan molecule (XET activity). 

The  catalytic  motif  in  all  XTH  gene  products  is  83(H/W/R)-(D/N)-E-(I/L/F/V)-D-

(F/I/L/M)-E-(F/L)-(L/M)-G92  (catalytic  residues  in  bold,  most  frequent  amino  acids 

underlined;  PttXET16‐34  numbering).    The  first  glutamate  (E85  in  PttXET16‐34)  is  known  as  the 

“catalytic nucleophile,” which attacks the anomeric carbon of the glucose ring  in subsite  ‐1 to yield 

the glycosyl‐enzyme in the first step of the catalytic reaction.  E89 functions alternately as a catalytic 

general acid  to protonate  the  xyloglucan  chain  fragment departing  the positive  subsites, and  as  a 

catalytic general base to activate the incoming acceptor substrate (water, XG, or XG oligosaccharide).  

The  specific  role of D87, which  lies on  the  same  face of  the beta‐strand  as  E85  and  E89  (Fig.  9c, 

highlighted  in green),  is currently unknown, although hydrogen bonding patterns  (Johansson et al., 

2004; Mark et al., 2009) suggest that this residue might modulate the pKa of the catalytic nucleophile, 

as has been previously suggested for other GH16 enzymes (Planas, 2000). 

The  identities of  these catalytic  residues, conserved  in all GH16 enzymes, are known  from elegant 

mutagenesis, kinetic, and structural studies on bacterial endo‐glucanases (reviewed in (Planas, 2000; 

Eklöf, 2010)).   Indeed, the catalytic residues in the ExDxE motif of Bacillus sp. endo‐glucanases are 

exactly  superimposable  onto  those  of  both  PttXET16‐34  and  Tm‐NXG1  (Johansson  et  al.,  2004; 

Baumann et al., 2007).   Confirmation of  the  identity of  the catalytic nucleophile  in GH16 XETs and 

XEHs comes from the observation that mutation of the corresponding glutamate in both PttXET16‐34 

and Tm‐NXG1  results  in  the complete  loss of  the wild‐type activity;  these nucleophile variants are 

nonetheless  able  to  perform  “glycosynthase”  reactions,  i.e.  the  re‐synthesis  of  xyloglucans  from 

artificial donor substrates  (α‐fluoroglycosides of XG oligosaccharides;  (Piens et al., 2007; Gullfot et 

Page 36: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

28  

al.,  2009)).    Furthermore, mutation  of  E85  in  PttXET16‐34  to  alanine  prevents  formation  of  the 

covalent  glycosyl‐enzyme  (Piens  et  al.,  2008).    The  hydrophobic  sidechains  of  the  intervening 

residues in the catalytic motif do not play a direct role in catalysis, as these point into the interior of 

the β‐jellyroll structure, where they fulfil a structural function. 

Differences in loop structures lining the active‐site cleft affect XET versus XEH activity. 

Initial  comparisons  of  the  PttXET16‐34  structure with  the  Bacillus  sp.  β‐1,3;1,4‐glucanase  in  fact 

revealed  very  little  about  the  determinants  of  transglycosylation  versus  hydrolysis  in  XTH  gene 

products, due  to  the exact superposition of many key active‐site  residues  (Johansson et al., 2004).  

The stability of the PttXET16‐34 glycosyl‐enzyme to hydrolysis in dilute aqueous solution (56 M H2O) 

is  indeed remarkable:   kinetic trapping studies placed the hydrolytic half‐life of this  intermediate at 

ca. 3 hours (khydr = 0.005 min‐1) in the complete absence of an XG acceptor substrate (which could not 

occur in vivo), while the addition of XG oligosaccharides rapidly turned‐over the glycosyl enzyme (in < 

2 min) (Piens et al., 2008).  This behaviour stands in stark contrast to the measured hydrolytic rate of 

Tm‐NXG1  on  tamarind  xyloglucan  (apparent  kcat  5.5 min‐1), whose  glycosyl‐enzyme  is  thus  rapidly 

broken‐down  by  water  (Baumann  et  al.,  2007).    The  three‐dimensional  structures  of  these  two 

enzymes revealed that much of this difference in catalytic properties is the result of subtle variations 

in active‐site loop structures, as follows. 

Overall,  the  structures  of  PttXET16‐34  and  the  archetypal  XEH  Tm‐NXG1,  as  indicated  by 

superposition of their backbone Cα traces, are very similar.  The obvious differences between these 

enzymes  lay  in  two  loops  lining one  side of  the  substrate binding cleft; Loop 1  lines  the  ‐1 and  ‐2 

subsites while Loop 2 lines the +1 and +2 subsites (Fig. 9d).  A three amino acid insertion in Loop 1 is 

common to members of both Groups III‐A and III‐B, relative to Group I/II members, while the length 

of the  insertion  in Loop 2 varies between Groups  III‐A and  III‐B:   Group  III‐B possesses a two amino 

acids  insert (Xaa-Gly)  in  Loop 2  compared  to Group  I/II, while  this  insert  in Group  III‐A  is  five 

amino acids long, with the consensus sequence (Gly-Arg)-Asn-Ile-Ile-Gly. 

The  importance of  the  length of  Loop 2  in  tuning  the balance between XET  and XEH  activity was 

demonstrated  through  the  generation  of  a  chimeric  enzyme,  Tm‐NXG1‐ΔYNIIG  (Baumann  et  al., 

2007).  This chimera, in which the shorter Loop 2 of the PttXET16‐34 was presented on the Tm‐NXG1 

scaffold (PDB ID 2uwb), showed intermediate kinetics:  With respect to the Tm‐NXG1 wild‐type, XEH 

activity was  reduced  two‐fold, while XET activity was doubled  to  reach half  that of PttXET16‐34 at 

saturating substrate conditions  (Baumann et al., 2007).   Thus, while  loop 2  is one of the  important 

determinants for hydrolysis versus transglycosylation, there are clearly other yet unidentified factors 

governing  the  fate of  the glycosyl‐enzyme  intermediate.    In particular,  further protein engineering 

Page 37: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

29  

studies are needed to completely remove the hydrolytic capacity of the Tm‐NXG1 protein scaffold, 

thereby converting it into a strict (or overwhelmingly predominant) XET. 

Molecular dynamics simulations based on crystallographic complexes of PttXET16‐34 and Tm‐NXG1 

with  XG  oligosaccharides  (Mark  et  al.,  2009)  and  kinetic measurements  (Saura‐Valls  et  al.,  2008) 

indicate  that PttXET16‐34 may bind XG  substrates more  tightly  in  the positive  subsites, while Tm‐

NXG1  binds  these  substrates more  strongly  in  the  negative  subsites.    Small  changes  in  protein‐

substrate  interactions,  together  with  subtle  changes  in  protein  dynamics,  are  thus  likely  to  be 

additional contributors affecting XET versus XEH activity.    Indeed,  there are  certain parallels  to be 

explored  between  xyloglucan  activity  in  GH16  and  the  diverse  starch  hydrolases  and 

transglycosylases  (van  der  Maarel  et  al.,  2002).    These  include  the  potential  of  induced‐fit 

mechanisms to properly orient the active‐site residues and conformational changes to effect leaving 

group departure and acceptor substrate binding (Uitdehaag et al., 2000). 

How XETs and XEHs recognise their natural substrates 

Length of the active site 

In  addition  to  possessing  a wide  active‐site  cleft, which  is  capable  of  accommodating  brush‐like 

xyloglucan  chains  (Fig.  9a), GH16  XETs  and  XEHs  have  a  number  of  structural  features  that  form 

specific  interactions with  the  polysaccharide  to  bring  it  “in  register”  for  cleavage  by  the  catalytic 

amino acids.  Ligand structures of PttXET16‐34 with substrate bound in the positive subsites (PDB ID 

1umz)  and  Tm‐NXG1 with  substrate  bound  in  the  negative  subsites  (PDB  ID  2vh9)  provide  visual 

evidence that XTH gene products have a 35 Å long active site cleft, comprised of primary subsites for 

seven backbone glucosyl units (‐4 to +3, Fig. 9a & 9c) (Mark et al., 2009).  The glucan backbone binds 

tightly  in  the  cleft,  primarily  through  hydrophobic  stacking  interactions  mediated  by  three 

tryptophans  and  a  tyrosine  in  the  ‐3  to  +2  subsites  (Trp  19,  174,  179  and  Tyr75,  PttXET16‐34 

numbering).   Composite models from molecular dynamics simulations suggest that the unbranched 

glucosyl  unit  in  the  ‐1  subsite  is  forced  into  a  strained  skew‐boat  conformation  in  the  enzyme‐

substrate complex (Mark et al., 2009) as a prerequisite for catalysis (Davies et al., 1998). 

While structural and modelling data only  show  that XETs and XEHs have 7 primary subsites,  it has 

been shown that longer substrates give a slight increase in transglycosylation rate (Purugganan et al., 

1997; Saura‐Valls et al., 2008)(corresponding to a transition state binding energy of only 0.5 kcal/mol 

for e.g., XXXG3 vs. XXXG2 (Saura‐Valls et al., 2008)).  This increase cannot be accounted for by direct 

enzyme‐substrate  interactions  and may  be  due  to  entropic  reasons,  i.e.,  better  ordering  of  sugar 

residues near the ends of the active‐site cleft in longer substrates.  Nonetheless, it should be clarified 

that,  contrary  to earlier  suggestions  (Rose et  al., 2002),  there  is no  firm evidence  to  suggest  that 

Page 38: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

30  

GH16 XETs and XEHs generally require substrates longer than the minimal donor XXXGXXXG (Tabuchi 

et al., 1997; Baumann et al., 2007; Ibatullin et al., 2008). 

Contributions of branching glycosyl units to substrate recognition and catalysis. 

The effect of branching substitutions on the xyloglucan backbone on the  interaction of PttXET16‐34 

with its substrate has been assessed using a library of 18 synthetic xylogluco‐oligosaccharides (Saura‐

Valls et al., 2008).  The design and generation of this library alone was a tour de force in carbohydrate 

synthesis (Faure et al., 2006), as was the determination of full kinetic parameters (kcat and Km values) 

for nearly all substrates under initial‐rate conditions (Saura‐Valls et al., 2006; Saura‐Valls et al., 2008).  

The assay employed a highly sensitive capillary electrophoresis method to analyse the products from 

the XET catalysed glycosyl  transfer  from donor substrates onto a  fluorescent 8‐aminonaphthalene‐

1,3,6‐trisulfonate  (ANTS)‐labelled  acceptor  substrate,  e.g.:    XXXGXXXG  (donor)  +  XXXG‐ANTS 

(acceptor) → XXXGXXXG‐ANTS + XXXG.  Variation of the donor backbone length and the pattern of α‐

1,6‐xylose substitution allowed elucidation of the specific contribution of  individual glycosyl units to 

transition state stabilisation (ΔΔG≠) in the substrate binding cleft of PttXET16‐34. 

Interestingly,  the singular  influence of many α‐1,6‐xylosyl units  is small:   xylose substitution of  the 

glucosyl units in subsites ‐4, ‐3, ‐2, +1, and +3 (Fig. 9a & 9c) affected the specificity parameter kcat/Km 

by a factor of 2 or less, which equates to <0.5 kcal/mol of transition‐state stabilisation (see Schemes 

4‐6  in  (Saura‐Valls  et  al.,  2008)).    The  xylosyl  unit  in  the  +2’  subsite  (i.e.,  attached  to Glc(+2))  is 

however crucial to activity, contributing ca. 4 kcal/mol to catalysis, which equates to an  increase  in 

the  kcat/Km  (rate)  value more  than 500‐fold over  substrates  lacking  this  residue  (Saura‐Valls et al., 

2008).    The  obvious  importance  of  Xyl(+2’)  reflects  earlier  studies  on  Tm‐NXG1  from  Group  III‐A 

(Fanutti  et  al.,  1996)  and  XET  preparations  extracted  from  pea  (Pisum  sativum)  (Fry  et  al.,  1992; 

Lorences and Fry, 1993), thus highlighting that Xyl(+2’) recognition is a major specificity determinant 

common  to  both  XETs  and  XEHs  of  GH16.    Interestingly,  despite  species‐  and  tissue‐  dependent 

heterogeneities in xyloglucan sidechain decorations, a xylosyl unit is always present two glycosyl unit 

after an unsubstituted glucosyl unit (Hoffman et al., 2005; Peña et al., 2008; Hsieh and Harris, 2009).  

And while Xyl(+2’) clearly dominates  in the XG‐XET  interaction,  it should be borne  in mind that the 

additive  effects of  several  xylosyl units on  the  glucan backbone  are ultimately  responsible  for XG 

specificity in both the positive and negative subsites of XTH gene products.   

Due  to  the  complexities  of  obtaining  pure  donor  substrates  with  further  specific  sidechain 

elaboration,  the  contributions  of  pendant  galactosyl,  fucosyl,  and  arabinosyl  units  has  not  been 

examined  to  the  same  extent  as  xylosylation.    In  a  few  cases,  galactosylation  and 

(fuco)galactosylation have also been shown to  influence XET activity, but to a  limited extent (Fry et 

Page 39: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

31  

al., 1992;  Lorences  and  Fry, 1993; Maris et  al., 2009; Maris et  al., 2011).    For example,  substrate 

competition  assays  of  a  pea  XET preparation  indicated  an  acceptor preference of XLLG  >  XXXG  > 

XXLG, although the difference  in catalytic rates between the best and  least good substrates was ca. 

2‐fold  (Fry  et  al.,  1992),  again  reflecting  a  minimal  contribution  to  transition  state  binding.  

Interestingly,  a  very  crude  protein  preparation  from Arabidopsis  showed  reduced  XET  activity  on 

xyloglucan  extracted  from mur3  plants,  which  contain  only  XXXG  repeats  lacking  galactosyl  and 

(fuco)galactosyl sidechains (Peña et al., 2004).   As with the pea XET study, however, the analysis of 

unpurified enzyme mixtures  requires  that  these  results be  interpreted with  some  caution.    In  the 

archetypal  XEH,  Tm‐NXG1,  the  presence  of  galactosylation  had  little  to  no  effect  on  the  rate  of 

hydrolysis  when  comparing  XXXG‐  versus  XLLG‐based  substrates.    In  contrast,  xylosylation 

(comparing  GGGG  and  XXXG  substrates)  boosted  specificity,  kcat/Km,  over  2  orders  of magnitude 

(Ibatullin et al., 2008).  

These specificity data can be nicely mapped onto the experimental three‐dimensional structures of 

XET and XEH active sites  (Mark et al., 2009).   As a specific example,  the +2’ xylose‐binding subsite 

discussed  above  is  a  hydrophobic  pocket  comprised  of  a  tyrosine  and  two  arginine  sidechains 

(Arg116,  Tyr250  and Arg258  in  PttXET16‐34).    The  C‐terminal  extension,  unique  to  the  XTH  gene 

products, comprises two thirds of this hydrophobic pocket by contributing with the strictly conserved 

Tyr250 and Arg258 (Fig. 9a & 9c, see (Mark et al., 2009) for full structural details and (Baumann et al., 

2007)  for  sequence  alignments).    The  third  amino  acid  in  the  hydrophobic  pocket,  Arg116,  is 

conserved within  Groups  I  and  III, whereas  in  Group  II,  Arg116  is  replaced  by  a  glutamine;  the 

functional  significance of  this  change,  if any,  is  currently unknown.   As  is  typical  for  carbohydrate 

active‐enzymes  (CAZymes) and binding modules  (CBMs), XTH gene products employ a multitude of 

hydrophobic ring‐stacking interactions and hydrogen bonds with sugar hydroxyl groups to recognise 

and  bind  their  substrates.    A  complete  survey  of  all  active‐site  interactions  is,  however  both 

challenging and  tedious  (Mark et al., 2009):    the minimal substrate XXXGXXXG spanning  the active 

site  is comprised of 14 monosaccharide units, presenting a  remarkable 38 hydroxyl groups and 28 

glycosidic and ring‐oxygens, each with 2‐3 hydrogen‐bond donor/acceptor sites each! 

Alternate substrates, and activities, for XTH gene products 

Hetero‐transglycosylation gives linear conjugates of unsubstituted β‐glucans and xyloglucan 

The  grassy  species  of  the  order  Poales  have  cell walls with  relatively  low  amounts  of  xyloglucan 

compared  to  the dicotyledons  (Fincher, 2009; Hsieh and Harris, 2009).   Despite  this,  the XTH gene 

family of all angiosperms are of similar sizes (Fig. 8b) and XTH gene transcripts in the Poales species 

Hordeum vulgare  (barley) are abundant  in  cell wall  remodelling  libraries  (Strohmeier et al., 2004).  

Page 40: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

32  

Work by Hrmova,  Fincher, and  co‐workers has  shown  that a pure barley XET has  the quantifiable 

ability to conjugate xyloglucan with other β‐glucans (Hrmova et al., 2007).  Thus, HvXET6 was able to 

use  the  substrate  donor/acceptor  pairs  xyloglucan/cello‐oligosaccharides  and  β‐1,3:1,4‐

glucan/xyloglucan‐oligosaccharides  at  rates  of  0.1%  and  0.2%  of  the  wild‐type 

(xyloglucan/xyloglucan‐oligosaccharides)  activity,  respectively.    The  enzyme  was  also  able  to  use 

hydroxyethylcellulose  and  sulphuric  acid‐swollen  cellulose  as  glycosyl  donors  with  xyloglucan‐

oligosaccharide  acceptors  at  44%  and  5% of  the wild‐type  rate,  respectively.    These  observations 

prompted the proposition that XTH isoforms may build xyloglucan‐(β‐1,3:1,4‐glucan) links that fortify 

the cell wall  in grass species (Hrmova et al., 2007).  Given the comparatively  low activities observed 

for hetero‐transglycosylation, supporting this hypothesis with  in vivo data may present a significant 

experimental challenge. 

Low‐level hetero‐transglycosylation activities may, in fact, be a general feature of XTH gene products, 

due  to  inherent  active‐site  promiscuity.   Work  preceeding  the  study  described  above  detected 

xyloglucan/β‐glucan  conjugation  activity  in  crude  extracts  from  germinating  nasturtium  seeds 

(Mohand and Farkas, 2006).   Although  the enzyme  responsible  for  this activity was not  identified, 

later studies  indicated  that pure nasturtium Tm‐NXG1 could use cello‐oligosaccharide acceptors  to 

generate preparative amounts of xyloglucan conjugates (Baumann et al., 2007).  Likewise, the subsite 

mapping  studies  described  above  showed  that  PttXET16‐34  could  use  both  GGGG•XXXG  and 

XXXG•GGGG  (and shorter congeners) as glycosyl donors  (“•”  indicates  the point of cleavage),  thus 

indicating  that  xylosylation  is  not  an  absolute  requirement  for  activity  (Saura‐Valls  et  al.,  2008).  

Indeed,  the selectivity  (kcat/Km value)  for XXXG•GGGG was ca. 0.1% of  the value of  the “wild‐type” 

substrate  XXXG•XXXG,  which  mirrors  the  results  described  above  for  HvXET6,  while  that  for 

GGGG•XXXG was 65% of the XXXG•XXXG value.  Futhermore, on the basis of experimental structural 

data (Johansson et al., 2004; Baumann et al., 2007; Mark et al., 2009), there is no steric reason why 

XETs and XEHs would exclude skinnier substrates from their active‐site clefts, although the loss of Xyl 

sidechain binding, especially Xyl(+2’), would be expected to penalise catalysis, as described above. 

Notably, C‐6 oxidation of xyloglucan backbone Glc residues to glucuronyl residues using the reagent 

TEMPO destroys the ability of the polysaccharide to act as a donor substrate  in the first step of the 

XET reaction (Fig. 10) (Takeda et al., 2008).  Structural analysis indicates that the presence of a uronic 

acid may disrupt hydrogen bonding patterns  implicit  in binding  the donor  substrate and  forcing  it 

into a skew‐boat conformation  in the Michealis (E•S) complex (Mark et al., 2009).   The observation 

that TEMPO‐oxidised xyloglucans retain the ability to act as glycosyl acceptors  is rationalised by the 

observation that Glc(+4) extends beyond the end of the active‐site cleft (Johansson et al., 2004). 

Page 41: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

33  

The case for a specific “mixed‐linkage β‐glucan:xyloglucan endotransglucosylase (MXE)” 

An  enzyme  activity  equivalent  to  one  proposed  for  barley  HvXET6,  i.e  mixed‐linkage  β‐

glucan:xyloglucan endotransglucosylase  (MXE), has been  found  in Equisetum species  (horsetails) as 

well as in the closest living ancestors of land plants, the Charophyta (Fry et al., 2008).  MXG activity in 

the  species  tested  was  indeed  significant,  in  some  cases  reaching  equivalent  values  for 

xyloglucan:xyloglucosyl  transferase  (XET, EC 2.4.1.207) activity  in  crude extracts.    In  contrast, MXE 

activity was deemed negligible  in a range of  land plants tested,  including a selection of bryophytes, 

pteridophytes,  angiosperms  and  a  lycopodiophyte.    For example,  an extract of  local Yorkshire  fog 

grass (Holcus lanatus) exhibited a relative MXG/XET activity ratio of 0.17% (Fry et al., 2008), similar to 

HvXET6 from barley (Hrmova et al., 2009) – also a member of the order Poales. 

A series of biochemical arguments have been put forth to suggest that the observed MXE activity is 

not due to an XTH gene product.  However, definitive proof, as well as the possibility to engineer this 

activity  into  cereal  crops  to  improve  cell wall  properties  (Fry  et  al.,  2008), will  have  to  await  the 

cloning  and  heterologous  expression  of  the  gene  encoding  this  activity,  as  well  as  full  kinetic 

characterisation of the recombinant enzyme.  Cautious optimism is warranted, since similar enzyme 

discovery  experiments  using  specific  transglycosylation  assays  have  identified  “microbial  XETs,” 

which  have  later  turned  out  to  be  predominant  (xylo)glucan  endo‐hydrolases  (Nielsen,  2000).  

Indeed,  any  number  of  endo‐β‐glucanases  employing  the  canonical  retaining  mechanism  could 

possess MXE  side  activity,  although  the  low  apparent  Km  value  (4  μM)  for  the  alditol  acceptor 

substrate XXXGol certainly speaks for the existence of a specific enzyme (Fry et al., 2008).   If not an 

XTH gene product,  it will be  interesting to see if this enzyme belongs to Glycoside Hydrolase Family 

17 (which  includes β‐1,3(4)‐endo‐glucanases (Varghese et al., 1994)), another endoglucanase family 

(Gilbert et al., 2008), or eventually defines a new CAZy family (Cantarel et al., 2009). 

Other transglycosylases in plants 

The  idea  that  transglycosylases  could  play  a  key  role  in  primary  cell  wall  extension  was  first 

articulated  in the mid‐1970’s  (Albersheim, 1976).   Since that  time, XETs  i.e. xyloglucan:xyloglucosyl 

transferases, have received by far the most attention in this respect, although as highlighted above, 

other activities are beginning to be explored.    In particular, the potential  for transglycosylation has 

been  revealed  in  a  tomato  endo‐β‐mannanase  (Schröder  et  al.,  2009)  from  Glycoside  Hydrolase 

Family 5, members of which use the canonical retaining mechanism (Gilbert et al., 2008).  Indeed, the 

transglycosylation potential of GH5 enzymes has been long known (Harjunpää et al., 1999), although 

a full 3‐D structure/kinetic analysis is sorely needed to highlight key active‐site features (Bourgault et 

al., 2005) that might allow functional prediction based on sequence phylogeny. 

Page 42: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

34  

It  is noteworthy that surveys of available plant genomes reveal many families of retaining glycoside 

hydrolases (Henrissat et al., 2001; Geisler‐Lee et al., 2006), the numerous members of which all have 

the  implicit potential to catalyse transglycosylation reactions (Sinnott, 1990).   Taking Arabidopsis as 

an example, 23 GH families use the retaining mechanism (see http://www.cazy.org/Genomes.html).  

Of these, 15 GH families are  likely to be exo‐enzymes, which act on terminal monosaccharide units.  

Discounting predicted starch‐ and chitin‐cleaving enzymes, four known retaining GH families contain 

demonstrated  endo‐polysaccharidases:  GH5  (mannanases,  glucanases,  galactanases),  GH10 

(xylanases), GH16  (xyloglucanases), and GH17  (β‐1,3 glucanases).    In contrast,  for example,  the 25 

GH9  members  (predicted  endo‐glucanases  (Urbanowicz  et  al.,  2007))  and  67  GH28  members 

(predicted  galacturonidases)  from  Arabidopsis  utilise  the  inverting  glycosidase mechanism, which 

only allows polysaccharide hydrolysis (Sinnott, 1990).  It will be interesting to see if future functional 

studies uncover new CAZy families in plants with polysaccharide re‐arrangement activities. 

A future for “old­fashioned” enzymology in these modern times of high­volume functional 

genomics? 

The relation of in vitro enzyme kinetics and structure‐function studies to effects in vivo can prove to 

be  a  powerful  tool  in  functional  genomics  studies,  although  such  extrapolations  are  sometimes 

viewed with scepticism.    It  is arguably better to know as many details of catalysis as possible when 

postulating the effect of an enzyme on plant physiology, and this  is certainly true  in the case of the 

disparate activities of polysaccharide hydrolysis and  transglycosylation.   For example, a XET which 

does not measurably hydrolyse  xyloglucan  in  in  vitro assays  containing 56 M H2O  (Supplementary 

Table S1 (Eklöf and Brumer, 2010)) is unlikely to do so in the hydrogel matrix of the cell wall, where 

the water activity may be even  lower.    Likewise,  the observation  that nasturtium  xyloglucanase 1 

(Tm‐NXG1)  is hydrolytically  inefficient (Ibatullin et al., 2008) and only transglycosylates at very high 

XG oligosaccharide concentrations (Baumann et al., 2007) might imply a product inhibition/feedback 

mechanism during seed germination. 

Such relationships, however, require careful quantitation of kinetic rates across a range of substrate 

concentrations.   Where  possible,  competing  reactions,  such  as  hydrolysis  and  transglycosylation 

should be measured directly  in a single assay mixture (e.g., (Harjunpää et al., 1999; Baumann et al., 

2007)).  Comparatively  insensitive and semi‐quantitative assays, such as those based on viscometry, 

should be avoided in favour of strictly quantitative assays that yield true catalytic turnover numbers, 

e.g.,  radiometric  and  fluorometric  assays of  transglycosylation  (Fry  et  al.,  1992;  Saura‐Valls  et  al., 

2006; Hrmova et al., 2007) and reducing sugar assays of hydrolysis (Kallas et al., 2005; Hrmova et al., 

2009).    “Chemical  biology”  can  also  play  a  key  role  in  coupling  fundamental  enzymology  with 

phenotypic and  functional genomics studies:    in situ  fluorescence assays are currently available  for 

Page 43: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

35  

both XET (Vissenberg et al., 2000) and XEH  (Ibatullin et al., 2009) activity, and similar methodology 

has  recently  been  used  to  examine  plant  GH9  endo‐glucanase  (KORRIGAN1  homolog)  over‐

expression in vivo (Takahashi et al., 2009). 

   

Page 44: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

36  

 

   

Page 45: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

37  

  

  

 

Results       

 

 

“The temptation to form premature theories is the bane of our profession” 

Sherlock Holmes, The Valley of Fear 

   

Page 46: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

38  

Microbial Xyloglucan Degrading Enzymes 

Aim of investigation 

The  saccharification  of  non‐starch  cellulose‐based  plant  substrates  for  biofuels  suffers  from  the 

recalcitrance of the cell wall  (Gilbert et al., 2008; Gilbert, 2010).   Cellulose microfibrils  in plant cell 

walls are coated by hemicelluloses which encumber access of cellulases to their substrate (Vincken et 

al., 1994).   Xyloglucanases represent one class of “hemicellulases” that could be used as accessory 

enzymes in the saccharification processes to facilitate access to cellulose.  A better understanding of 

the biochemical properties of these enzymes and how they recognise their substrates are important 

for  an  improved  theoretical  knowledge of biosaccharification.    Finding new enzymes with desired 

properties allow making tailor made xyloglucans  for various biotechnological  industrial applications 

such  as  artificial  blood  vessels  (Bodin  et  al.,  2007),  adhesives  or  barrier  coatings  (Mishra  and 

Malhotra, 2009; Kochumalayil et al., 2010). 

Structural convergent evolution of xyloglucanases 

Xyloglucanases are  found  in several GH  families  including GH5, 7, 12, 16, 44 and 74  (Gilbert et al., 

2008; Vlasenko et al., 2010). In Paper I, ligand structures of a GH44 endo‐xyloglucanase, PpXG44 are 

presented together with biochemical characterisation.  In Paper II, the first structural representatives 

of GH5  and GH12  endo‐xyloglucanases  are  presented  together with  biochemical  characterisation.  

These two papers together with Papers III & VI represent structurally unrelated xyloglucanases from 

different GH  families  that have evolved  specificity  towards  xyloglucan.    This  convergent evolution 

highlights the importance of harnessing this polysaccharide in Nature (Fig. 11). 

 

Figure 11.   Ligand structures of  three bacterial xyloglucanases. 

On top, overlay of  ligand structures of PpXG44  in  complex with  the  inhibitor Glc‐Glc‐Oxazine  (‐3  to  ‐1)  and  a GXGGG  xylogluco‐oligosaccharide  (+1 to +5). 

Bottom  from  left,  PpXG5  in  complex with GXXG  in  the  ‐4  to  ‐1subsites and BlXG12 in complex with GXXG XX from ‐4 to +2. 

Page 47: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

39  

Probing substrate specificity in xyloglucanases 

While  polysaccharide  specificity  is  useful  to  determine  what  an  enzyme  is  active  on  the  use  of 

specific  aryl  β‐glycosides  can  elucidate  what  determines  that  specificity.    In  Papers  I  &  II,  the 

comparison  of GGGG,  XXXG  and  XLLG‐CNP  (2‐chloro‐4‐nitrophenol)  showed  to what  extent  these 

different xyloglucanases can harness xyloside and galactoside substituents of xyloglucan for catalysis.  

Of  the  three  enzymes,  only  PpXG5  utilised  the  side  chain  decorations  for  catalysis  by  increasing 

kcat/Km 85‐fold due to xylosylation. In BlXG12 and PpXG44, xylosylation decreased kcat/Km ca. 5‐6‐fold.  

PpXG5 also benefited from galactosylation but to a minor extent (Table 1). 

Table 1.  Substrate specificity of PpXG5, BlXG12 and PpXG44 on various aryl β glycosides. 

 

 

While both PpXG5 and BlXG12 cleave xyloglucan after unsubstituted glucosyl units, PpXG44 displayed 

an unusual cleavage pattern on XXXGXXXG.  The main products were XXX and GXXXG and this is the 

first xyloglucanase shown to preferentially cut xyloglucan with an X motif in the ‐1 subsite and a G in 

+1.   When  the  xylose on  the non‐reducing  end of XXXG2 was  cleaved off by  an α‐xylosidase,  the 

cleavage pattern changed and PpXG44 cleaved GXXGXXXG at  roughly equal  rates at GXXG as after 

GXX,  reflecting  the  affinity  for  an  unsubstituted  glucosyl  unit  in  the  ‐4  subsite  as  well  as  the 

importance of a +5 stacking interaction seen in the crystal structure (Fig. 11).  By cleaving xyloglucan 

with a G  in the +1 subsite, G motifs would be present  in the  ‐4 and +5 subsites due to the regular 

spacing of this motif in xyloglucan.  Harnessing the ‐4 and +5 subsites optimally probably makes this 

cleavage mode  even more pronounced on polymeric  xyloglucan.    In  light of  this data,  the  kinetic 

parameters  for  the XGO‐CNPs of PpXG44  should be  seen as  the data  for a  less  favoured  cleavage 

mode since a xyloside substituent is present in the ‐4 subsite that would clash with the protein if the 

glucan chain would take the preferred trajectory. 

What makes a xyloglucanase? 

A  xyloglucanase  could  either  be  defined  as  an  enzyme  that  have  a  higher  catalytic  efficiency  on 

xyloglucan  compared  to  other  polysaccharides  or  an  enzyme  that  can  utilise  the  sidechain 

decorations to improve catalysis as seen for PpXG5.  The problem with using polysaccharides for this 

Page 48: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

40  

distinction  is  that  the  solubility  of  unsubstituted  β‐1,4  glucan  is  poor.    Indeed,  already  for 

cellohexaose,  the solubility  is  in the µM range and comparing  rates of hydrolysis on solid cellulose 

and water soluble xyloglucan to determine specificity  is not feasible.    Instead natural water soluble 

glucans such as MLG and glucomannans or artificial polysaccharides such as hydroxyethyl cellulose 

(HEC)  or  carboxymethyl  cellulose  (CMC)  are  used.    Even  though  they  are  water  soluble,  they 

represent a version of xyloglucan that can be seen as Nature’s water soluble cellulose. 

For all three enzymes, xyloglucan is the best substrate under the conditions tested and the enzymes 

can therefore be called xyloglucanases.   These three enzymes span a wide  range of xyloglucanases 

with PpXG5  representing a  specific and  fast xyloglucanase.   BlXG12  is a  rather  slow xyloglucanase 

that can hydrolyse several polysaccharides at comparable rates.  PpXG44 is intermediate and can, as 

BlXG12 be seen as “xyloglucan tolerant”. 

Page 49: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

41  

Plant GH16 Enzymes 

Aim of study 

One of the  long term goals  in the Carbohydrate Enzymology group at KTH has been to decipher the 

underlying mechanisms for transglycosylation (XET activty) versus hydrolysis (XEH activity)  in closely 

related XTH gene products.    In  line with the previous objective was an  intent to map XET and XEH 

activity on a phylogenetic tree to improve functional annotation of XTH gene products. 

Understanding the mechanism of transglycosylation versus hydrolysis  is not merely of an academic 

interest  into  the  enzymology  of  transglycosylation.    Since  these  two  different  activities  have 

drastically  different  effects  on  xyloglucan  they  also  differentially  influence  plant  cell  wall 

characteristics and ultimately, plant growth. 

Alongside  the  above mentioned  goals was  a  personal  interest  in  the  evolution  of  the  XTH  gene 

products which led to the discovery of the EG16s (vide infra). 

Activity of plant GH16 enzymes 

A transglycosylating activity similar to the XETs of the XTH gene products was for a long time only the 

brainchild of Peter Albersheim  (Albersheim,  1976), proposed  as  a possible  actor  in plant  cell wall 

modification.    In  the early 1990’s, XET activity was  independently demonstrated experimentally by 

three groups (Farkas et al., 1992; Fry et al., 1992; Nishitani and Tominaga, 1992).  Another XTH gene 

product,  Tm‐NXG1  displayed  mainly  hydrolytic  activity  on  xyloglucan  but  with  some 

transglycosylating activity (Edwards et al., 1986; Fanutti et al., 1996). 

Since XTH gene products had been shown to exhibit XET, XEH or a mixed type of activity a method to 

measure both XET and XEH activity at the same time for a quantitative comparison was needed for 

the investigation of transglycosylation versus hydrolysis.  Available methods could only measure XET 

or XEH activity (Fry et al., 1992; Kallas et al., 2005; Saura‐Valls et al., 2006; Hrmova et al., 2007) and 

no assay could measure  these  two activities  simultaneously.   For  this purpose a high‐performance 

anion‐exchange  chromatography with pulsed amperometric detection  (HPAEC‐PAD) based method 

using a minimal  substrate, a Glc8‐based XGO2, was developed  in Paper  III.    In a  transglycosylating 

event, an XGO2 is cleaved to give an XGO1 and a glycosyl‐enzyme  intermediate as the first step (Fig. 

12).  In the final step, a second XGO2 breaks the glycosyl‐enzyme intermediate making an XGO3.  The 

products of a transglycosylation event are therefore one XGO1 and one XGO3  from two XGO2.    In a 

hydrolytic  event,  an  XGO2  is  hydrolysed  to  two  XGO1  (Fig.  12).   Hence,  the method  relies  on  the 

simultaneous quantification of XGO1  and XGO3  separated by HPAEC‐PAD.    Transglycosylation  (XET 

activity) is quantified by the amount of XGO3 built up.  Hydrolysis (XEH activity) is calculated from the 

Page 50: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

42  

total amount of XGO1 subtracted by the amount of XGO3 and divided by 2 since two XGO1 are made 

in each XEH reaction (Figure 12). 

 

Figure 12.   Outline of  the HPAEC‐PAD assay  for  simultaneous measurement of XET and XEH activity.   A XET  reaction  results  in an XGO3 and an XGO1  from  two XGO2, while a XEH  reaction hydrolyses an XGO2 into two XGO1. 

This assay was used  in Papers III‐V to determine the kinetic parameters for XET and XEH activity of 

four different XTH gene products (Table 2).   A few things should be kept  in mind when  interpreting 

data  from  the  XGO2‐based  assay.    The  assay  might  give  the  impression  that  the  rate  of 

transglycosylation  is  higher  than  it  actually would  be  in  polymeric  xyloglucan.    In  XGO2  the  ratio 

between cleavable bonds and non‐reducing ends is 1:1.  In tamarind xyloglucan (Mw ca. 1 MDa) the 

ration is close to 800:1.  This means that the concentration of non‐reducing ends in a typical assay is 

1 µM  (tamarind  xyloglucan  1  g/L)  and makes  transglycosylation  events  rare  in  the hydrolytic  Tm‐

NXG1  and  AtXTH31  with  the  apparent  Km  being  500  and  4500  times  above  that  concentration 

respectively (Table 2).  Comparing the kinetic constant between the characterised XETs and XEHs the 

results are fairly similar.  Notably, the differences in the XETs are mainly reflected in the apparent Km, 

while  the XEHs vary mainly  in apparent kcat.   However, with a sample size of  two enzymes  in each 

group it is not necessarily a general trend. 

Table 2.  Apparent kinetic constants of XTH gene products on XGO2. 

 

 

The  substrate  specificity  of  the  XTH  gene  products,  Tm‐NXG1  (Paper  III),  AtXTH31  (Paper  IV), 

AtXTH12‐13 and AtXTH17‐19 (Paper V) were tested on several polysaccharide substrates.  They were 

Page 51: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

43  

all shown to be very specific to xyloglucan.  While the hydrolytic enzymes Tm‐NXG1 and AtXTH31 had 

no measurable activity on other polysaccharides under the conditions tested, the AtXTHs in Paper V 

all showed some activity with different cellulose derivatives as donor substrates and with XGOs as 

acceptors, but virtually no activity at all on MLG.  Interpreting the ability of the AtXTHs to use various 

artificial water soluble cellulose derivatives as donor substrates into an in vivo function of XTH gene 

products is difficult.  Xyloglucan can be seen as Nature’s water soluble cellulose derivative and made 

soluble  by  the  addition  of  short  oligosaccharide‐branches  instead  of  the  chemical  groups  in 

hydroxyethyl  cellulose  (HEC),  carboxymethyl  cellulose  (CMC)  and water  soluble  cellulose  acetate 

(WSCA). 

The donor specificities of the AtXTHs in Paper V was also probed with a variety of different [3H]XGO 

derivatives  and  with  [3H]cellohexaitol.    The  various  donor  substrates  showed  that  further 

substitutions on a minimal XGO, XXXG, has minor effects to the rate of transglycosylation while the 

non‐xylosylated cellohexaitol, was a poor substrates with severely reduced activity.  These results are 

in  line with a previous study on Ptt‐XET16‐34 (Saura‐Valls et al., 2008), where a  library of XGOs was 

probed  to  determine  the  contribution  to  catalysis  of  individual  monosaccharide  substituents.  

Despite  the  relatively  low  activity  with  cello‐oligosaccharides  as  acceptors,  XGO1‐cello‐

oligosaccharide  products  could  be  prepared  using  xyloglucan  as  the  acceptor  with  the  mainly 

hydrolytic Tm‐NXG1 (cello‐oligosaccharide [S] 8 mM; Paper III).  The effect in the negative subsites of 

xyloside and galactoside substituents have been assessed with chromogenic substrates on Tm‐NXG1 

(Ibatullin et al., 2008). The galactosylated XLLG‐CNP showed that double galactosylation had a slight 

detrimental effect  to hydrolysis compared  to XXXG‐CNP  (kcat/Km  reduced by a  factor of 2).   GGGG‐

CNP  showed more  than  a  100‐fold  reduction  in  kcat/Km,  again  indicating  that  the  specificity  for 

xyloglucan  over  cellulose  in  both  the  negative  and  the  positive  subsites  in  XTH  gene  products  is 

mainly an effect of xylosylation (Ibatullin et al., 2008; Saura‐Valls et al., 2008). 

In vivo localisation of XEH activity in Group III­A knockouts in Arabidopsis 

In Paper  IV,  two orthologs  in Group  III‐A of  the hydrolytic Tm‐NXG1, AtXTH31 and AtXTH32 were 

identified  in Arabidopsis.   To  investigate  the  impact of  the hydrolytic Group  III‐A members on  the 

phenotype  of  Arabidopsis,  a  T‐DNA  double  knockout  line  of  AtXTH31  and  AtXTH32 was  created.  

Somewhat  disappointing,  but  not  necessarily  surprising,  these  plant  lines  showed  no  obvious 

phenotype.  To investigate these plants in more depth, XET and XEH activity was compared between 

the wild‐type and  the double knockout plants  in an  in situ assay using  fluorescent and  fluorogenic 

probes.    The  incorporation  of  XXXG‐sulforhodamine  (XET  activity)  into  the  cell walls was  almost 

identical  in  roots  and  etiolated  hypocotyls  of  the  double  knockout  and wild‐type  lines.    The  only 

observed  differences  were  found  just  below  the  cotyledons  where  the  XET  activity  signal  was 

Page 52: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

44  

stronger  in wild‐type  plants.    The  XEH  activity,  visualised  for  the  first  time  in  situ  in  Arabidopsis 

(Paper  IV) by  the cleavage of XXXG‐resorufin  in  roots and etiolated hypocotyls, showed significant 

differences between the wild type and double knockout plants.  In general, XEH activity was severely 

reduced in the roots of knockout plants with the largest signal loss observed in root hairs, where the 

strong signal of the wild  type plant was almost completely abolished  in  the double knockout plant 

(Fig. 13).  The strongest XEH signal in the root however, came from the root tip and was unchanged 

between wild type and knockout plants.  It should be noted that this activity could come from other 

yet  undisclosed  plant  xyloglucanases  or  created  by  the  sequential  action  of α‐xylosidases  and  β‐

glucosidases  (Fig.  13).    Interestingly,  the  pH  in  the  apoplast  drops  during  root  hair  initiation  and 

growth  (Bibikova et al., 1998).   At  these  lower pH values,  just below pH 5  is where AtXTH31, Tm‐

NXG1 and expansins are most active (Papers III & IV; (Cosgrove, 2005)). 

 

Figure 13.  In situ XEH activity in wild‐type and double knockout lines.  a, XEH activity in wild‐type; b, XEH activity in the double knockout line. 

In the etiolated hypocotyls, XEH activity was mainly seen  in a region  just below the cotyledons and 

even though  it seemed that XEH activity was reduced in the double knockout plants, large variation 

in signal makes accurate conclusions hard to draw. 

Structure function relationships in XTH gene products 

The first structure of a predominantly hydrolytic XEH, Tm‐NXG1, was solved and presented in Paper 

III.    This  structure  together with  the  previously  solved  3D‐structure  of  a  strict  XET,  Ptt‐XET16‐34 

(Johansson  et  al.,  2004)  allowed,  for  the  first  time,  molecular  insights  into  the  details  of 

transglycosylation versus hydrolysis in XTH gene products.  The structures were similar but two loops 

lining the active site cleft were longer in the hydrolytic Tm‐NXG1 (Fig. 9d).  Grafting the shorter loops 

of Ptt‐XET16‐34 onto the scaffold of Tm‐NXG1 yielded two  loop mutants.   Disappointingly, only the 

Page 53: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

45  

mutant with the XET loop lining the positive subsites expressed and could be analysed.  This chimera, 

Tm‐NXG1‐ΔYNIIG,  intriguingly  showed  intermediate  characteristics with  a  6‐fold  reduction  in  the 

hydrolytic  rate  of  the  scaffold  Tm‐NXG1  and  a  doubling  of  the  transglycosylating  rate  under 

saturating  substrate  conditions  (Table  2).    This  loop  was  therefore  concluded  to  be  a  major 

determinant  of  transglycosylation  versus  hydrolysis  in  XTH  gene  products,  but  not  the  only 

determinant.   The 3D‐structure of  the  loop  in  the  chimera was also determined  to verify  that  the 

loop resembled the parental loop of Ptt‐XET16‐34 (Paper III). 

Activity of plant endo β­1,4 glucanases, EG16s 

The endo β‐1,4 glucanases, EG16s, represent a new clade of plant GH16 enzymes.  The first and only 

characterised member of this clade  is PtEG16‐1 from black cottonwood, Populus trichocarpa (Paper 

VI).   The  sequence  similarities of PtEG16‐1  to both bacterial GH16  lichenases and plant XTH gene 

products made  it  likely that PtEG16‐1 would act on at  least one of these polysaccharides.   Despite 

being assayed against a range of β‐1,3 and β‐1,4 glucans and galactans, the only polysaccharides on 

which PtEG16‐1 showed activity was the two β‐1,3;1,4 glucans, barley β glucan (MLG) and lichenan, 

and the β‐1,4 glucans, xyloglucan, HEC and CMC (Paper VI). 

A  homology model  of  PtEG16‐1  revealed  that  as many  as  6  cysteines might  be  surface  exposed.  

Evidence that some of these cysteines are surface exposed comes from the heterologously expressed 

and purified PtEG16‐1.  In the absence of reducing agents such as TCEP, DTT, β‐mercaptoethanol or 

GSH, no activity could be detected suggesting that free cysteines are important for PtEG16‐1 activity.  

The production and purification of an EG16 protein from the moss P. patens was published  in 2010 

(PpXTH32 (Yokoyama et al., 2010); PpEG16‐3 in Fig. 14).  No activity could however be demonstrated 

for this protein. 

The phylogeny of plant GH16 enzymes 

The XTH gene products have  traditionally been divided  into 3‐4 different Groups  (Nishitani, 1995; 

Campbell and Braam, 1999; Yokoyama et al., 2004).  In Paper III, a phylogenetic tree was constructed 

that together with structure  function studies could pinpoint the XET and XEH activities to different 

groups or subgroups of previous trees (Fig. 14; Paper VI).  A longer loop in Tm‐NXG1 (an XEH), shown 

to  be  important  for  the  partition  of  the  glycosyl‐enzyme  intermediate  towards  hydrolysis  was 

restricted to a subset of Group III. This subset was renamed Group III‐A and hypothesised to be XEHs 

(Paper  III).    The  hypothesis  that  Group  III‐A  members  were  hydrolytic,  based  on  a  single 

characterised enzyme has since been  further supported by AtXTH31  (Paper  IV) a second hydrolytic 

Group III‐A member.   A third hydrolytic XTH gene product, VaXGH from Vigna angularis (Tabuchi et 

al., 2001) was also placed in Group III‐A based on a short peptide sequence (Eklöf and Brumer, 2010), 

Page 54: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

46  

lending strong support to the notion that Group  III‐A XTH gene products  indeed display mainly XEH 

activity.   Over 20 members of Groups  I/II and  III‐B have been characterised an all have shown only 

XET  activity,  devoid  of  hydrolytic  activity  on  xyloglucan  (reviewed  in  (Eklöf  and  Brumer,  2010)).  

Group III‐A XEHs were also hypothesised to have arisen as a gain of function from a Group III‐B XET 

(Paper  III).    In 2010, Group  III‐A was  first  thought  to have appeared  in  the angiosperms  (Eklöf and 

Brumer, 2010) making them ca. 140 million years old, but later the same year their appearance was 

moved back to ca. 360 MYA due to findings of gymnosperm Group III‐A mRNAs (Paper VI; (Del Bem 

and Vincentz, 2010). 

   

Page 55: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

47  

 

Figure 14.   A  rooted  tree of a plant GH16 enzymes.   A  rooted phylogenetic  tree  showing  the relationship between bacterial  lichenases, EG16s and  the XTH gene products.   Node confidence values are given by posterior probabilities multiplied by 100, supplemented with bootstrap values from maximum  likelihood  calculations  at  selected  nodes  (Paper VI).   Gymnosperm Group  III‐A members are represented with their TIGR TA identifiers. 

Evolution of XTH gene products and the shift in substrate specificity 

The discovery of  the  EG16s who  share  sequence  features with both bacterial  lichenases  and XTH 

gene  products  shed  light  on  the  evolution  of  the  XTH  gene  products  (Fig.  15).    In  Paper  III,  an 

ancestral  clade  of  XTH  genes  products  from  Group  I  clustered  closer  to  a  lichenases.   With  the 

inclusion of  EG16s  in  the  analysis,  the  ancestral XTH  gene product  group was  less  conclusive  and 

could be either Group I or Group III‐B (Fig. 14; Paper VI). 

Page 56: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

48  

 

Figure  15.    Proposed  evolution  of  plant  GH16  enzymes.    A  bacterial  lichenase  gene  was transferred to an early plant genome through lateral gene transfer.  More than 480 MYA, a loop narrowing  the negative  subsites  in bacterial  lichenases was  lost  in  the plant enzyme, enabling binding of branched xyloglucan.  The XTH gene product C‐terminus  is believed to have appeared before the first of land plants 480 MYA.  While land plants maintain large XTH gene families, they only have a  few, most often one EG16 gene,  indicating  several gene duplication events of XTH genes but not of EG16 genes (Paper VI).  Also note how the glucan backbone (blue) has changed trajectory from lichenases to XTH gene products. 

Combining  the phylogenetic analysis with available 3D‐structures of  lichenases, XTH gene products 

and  a  homology model  of  PtEG16‐1  allowed  us  to  postulate  a  hypothesis  of  the  evolution  from 

lichenase to the XTH gene products and how the substrate specificity changed (Fig. 15).  A bacterial 

lichenase gene probably transferred into the nucleus of an early plant through lateral gene transfer.  

Before plants colonised land, the last common ancestor of XTH gene products and EG16s had a loop 

truncation event, which rendered a wider negative subsite cleft.  This loop truncation was most likely 

instrumental in the evolution towards accepting the branched polysaccharide xyloglucan, which does 

not easily fit  in the narrow negative subsites of  lichenases.   This  loop  in  lichenases contributes with 

many  substrate  interactions  on MLG.  These were  lost  in  the  last  common  ancestor  of  XTH  gene 

products and EG16s, with detrimental effects on MLG hydrolysis.  The new protein surface unveiled 

Page 57: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

49  

by the  loop truncation was most  likely not very specific towards xyloglucan, and  interactions  in the 

negative subsites with xyloglucan were probably minor. 

The positive subsite  interactions were not affected by the  loop truncation and both xyloglucan and 

MLG would  have  a  cellobiose‐based moiety  in  the  +1  and  +2  subsites,  conferring  at  least  some 

substrate  interactions with xyloglucan.    In  the XTH gene products,  the C‐terminal extension with a 

conserved Xyl+2’ subsite that increases the rate of transglycosylation more than 500‐fold in the XET, 

Ptt‐XET16‐34 (Saura‐Valls et al., 2008) appeared.  Weak substrate interactions in the negative subsite 

in  combination with  strong positive  subsite  interactions were probably  the  reason  for  the  specific 

transglycosylation activity of XTH gene products.  Support of the importance of the positive subsites 

in both  the  formation of  the glycosyl‐enzyme  intermediate and  in consequent  transglycosylation  is 

Ptt‐XET16‐34’s inability to cleave XGO‐CNP substrates (Johansson et al., 2004). 

As the negative subsites evolved towards xyloglucan specificity in certain Group III XTH gene products 

and due to a loop insertion in the positive subsites, the members of Group III‐A gained the ability to 

cleave xyloglucan  (and XGO‐CNP).   Compared  to  the EG16s,  these Group  III‐A xyloglucanases were 

highly specific (Papers III, IV & VI).  In conclusion, the unusual strict transglycosylation activity of XETs 

evolved  from  a  hydrolytic  EG16‐like  enzyme.  The  EG16‐like  enzyme  had  gained  the  possibility  to 

hydrolyse xyloglucan via a  loop truncation  in the negative subsites.   Group  III‐A members  regained 

the ability to hydrolyse xyloglucan by stronger substrate  interactions  in the negative subsites (Mark 

et al., 2009) and by a loop insertion in the positive subsites. 

This  hypothesis  of  the  change  in  substrate  specificity  from MLG  to  xyloglucan  has  not  yet  been 

experimentally proven.    Still,  the hypothesis of how  the  change of  the  activity  from  lichenases  to 

EG16s, XETs and XEHs finds support in the papers presented or cited in this thesis. 

   

Page 58: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

50  

Conclusions In this thesis two types of xyloglucanases have been described.  The first type, represented by PpXG5 

and the Group  III‐A XTH gene products  (Tm‐NXG1 and AtXTH31), are highly specific xyloglucanases 

that  can  harness  the  xyloside  substituent  of  xyloglucan  to  improve  catalysis.    The  second  type, 

represented by PpXG44 and BlXG12, can be seen as xyloglucan tolerant where the xylosyl units, at 

least in the negative subsites, are detrimental to catalysis.  The specificity is higher for unsubstituted 

glucans  that  due  to  solubility  issues  cannot  be  assayed.    Since  polymeric  xyloglucan  is  the  best 

substrate under the conditions tested, they are included under the umbrella of xyloglucanases. 

A  proposed  route  for  the  structural  and  functional  evolution  of  the  strict  plant  xyloglucan  endo‐

transglycosylases  from  bacterial  lichenases  via  the  GH16  endo‐glucanases  (EG16s)  has  also  been 

described.   The  first  structure of  a GH16 XEH, Tm‐NXG1,  allowed  first  glimpse  into  the molecular 

mechanism  of  transglycosylation  versus  hydrolysis  within  XTH  gene  products.    Through  rational 

design,  the  XEH  activity  could  be  pinpointed  to  a  small  subclade  of  XTH  gene  products  and  the 

hypothesised XEH activity of Group III‐A was confirmed by the characterisation AtXTH31.  While XETs 

evolved from a hydrolytic EG16 by the addition of a long C‐terminal insertion, extending the positive 

subsites, XEHs in Group III‐A evolved from a XET by a loop insertion in the positive subsites. 

Localisation of the XEH activity in situ in Arabidopsis, and the comparison of wild‐type and plant lines 

lacking  Group  III‐A  XTH  gene  products  (AtXTH31  and  AtXTH32  genes),  revealed  that  Group  III‐A 

enzymes are the major contributors to XEH activity in several Arabidopsis tissues. 

   

Page 59: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

51  

Acknowledgements After 10 years, I’m finally getting ready to graduate from KTH.  It is not only with joy that I conclude 

my time here with my doctoral thesis.  After this long time, the school has almost become a part of 

me, although that does not mean that I’m longing for KTH‐jumpsuit parties... 

Of  these  10  years  roughly  5  have been  spent  at  the Division  of Glycoscience,  formerly  known  as 

Wood biotechnology.  When I first arrived as a diploma student I was greeted by Prof. Tuula Teeri but 

I started my work with Prof. Harry Brumer and under supervision of Dr. Martin Baumann.  Somewhat 

later,  I got accepted as a PhD student with Harry and had the wealth of working with Martin  for a 

little while longer.  Harry, I’m truly grateful for my time here and having had the fortune of working 

with you.  Martin, I think I owe you a great deal and I am happy to call you my friend. 

However, I didn’t just hung around Harry and Martin during my time here.  Many are those, whom I 

would  like  to  thank  for  making  my  time  here  at  KTH  a  pleasant  one.    Firstly,  I  would  like  to 

acknowledge past and present members in Harry’s group:  Fredrika, a scientist of great potential who 

decided to focus here enormous energy on things that actually contribute to society by starting up 

Simris Alg AB;  Johan, a great travel companion in tropical heat in both Japan and Oslo ; Nomchit, we 

were a dynamic duo on the AtXTH31 project!;  Farid, a great chemist who have a large part in most 

publications coming from our group (See you in St Petersburg soon);  Oliver, a very efficient postdoc 

who  I really enjoyed working and testing the  local pubs with;   Niklas, stop  fiddling with your  fancy 

equipment and do some real research with us instead;  and all the rest of you, Lage, Gustav, Maria, 

Sassa, Ana Catarina, Chunlin, the Stefans, Yang and Magnus. 

I’ve also had a great  time with  the people  sitting  in my  room.   Cortwa, Erik,  Felicia,  Johanna  and 

Gustav, you’re most likely what I’ll miss most when I leave KTH.  Hopefully, I’ll still get invited to after 

work beer whenever Ela or Nuria decides to organise it.  Mohammad and Marcus, thanks for all the 

ice‐cold fishing/hunting trips we made and I hope the anchor has come to good use.  For those who 

I’ve worked and published withm, whose papers did not make it in to this thesis, Thank you! 

There are also  less obvious acknowledgements to be made.  For a couple of years now I’ve gone to 

Munich with  some  friends around  the end of September.    I especially  remember  the weekend we 

spent there when  I had  just broken my  leg.   So thank you Gustav, Niklas, Ted, Johan, Olle and  let’s 

not forget our host Alex for truly memorable days. 

Finally  I would  like to thank you Lydia  for taking care of our home  for these  last couple of  intense 

months. I fear though, that I will have ample opportunities to repay you in the near future. 

Page 60: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

52  

References Albersheim P (1976) The primary cell wall. In J Bonner, JE Varner, eds, Plant Biochemistry. Academic 

Press, pp 225‐274 Anderson  CT,  Carroll  A,  Akhmetova  L,  Somerville  C  (2010)  Real‐time  imaging  of  cellulose 

reorientation during cell wall expansion in Arabidopsis roots. Plant Physiol. 152: 787‐796 Atkinson  RG,  Johnston  SL,  Yauk  Y‐K,  Sharma  NN,  Schröder  R  (2009)  Analysis  of  xyloglucan 

endotransglucosylase/hydrolase (XTH) gene families  in kiwifruit and apple. Postharvest Biol. Tec. 51: 149‐157 

Baba K, Park YW, Kaku T, Kaida R, Takeuchi M, Yoshida M, Hosoo Y, Ojio Y, Okuyama T, Taniguchi T, Ohmiya  Y,  Kondo  T,  Shani  Z,  Shoseyov O, Awano  T,  Serada  S, Norioka N, Norioka  S, Hayashi T  (2009) Xyloglucan  for generating  tensile  stress  to bend  tree  stem. Mol. Plant 2: 893‐903 

Bauer  S,  Vasu  P, Mort  AJ,  Somerville  CR  (2005)  Cloning,  expression,  and  characterization  of  an oligoxyloglucan  reducing  end‐specific  xyloglucanobiohydrolase  from  Aspergillus  nidulans. Carb. Res. 340: 2590‐2597 

Baumann MJ, Eklöf  JM, Michel G, Kallas AM, Teeri TT, Czjzek M, Brumer H,  III  (2007)  Structural evidence for the evolution of xyloglucanase activity from xyloglucan endo‐transglycosylases: Biological implications for cell wall metabolism. Plant Cell 19: 1947‐1963 

Becker B, Marin B  (2009) Streptophyte algae and  the origin of embryophytes. Ann. Bot. 103: 999‐1004 

Becnel  J, Natarajan M, Kipp A, Braam  J  (2006) Developmental expression patterns of Arabidopsis XTH genes reported by transgenes and Genevestigator. Plant Mol. Biol. 61: 451‐467 

Bell CD, Soltis DE, Soltis PS (2010) The age and diversification of the Angiosperms re‐visited. Am. J. Bot. 97: 1296‐1303 

Bibikova TN, Jacob T, Dahse I, Gilroy S (1998) Localized changes in apoplastic and cytoplasmic pH are associated with root hair development in Arabidopsis thaliana. Development 125: 2925‐2934 

Bodin  A,  Ahrenstedt  L,  Fink  H,  Brumer  H,  Risberg  B,  Gatenholm  P  (2007)  Modification  of nanocellulose  with  a  xyloglucan‐RGD  conjugate  enhances  adhesion  and  proliferation  of endothelial cells: Implications for tissue engineering. Biomacromolecules 8: 3697‐3704 

Bourgault R, Oakley AJ, Bewley JD, Wilce MCJ  (2005) Three‐dimensional structure of  (1,4)‐beta‐D‐mannan mannanohydrolase from tomato fruit. Protein Sci. 14: 1233‐1241 

Buckeridge  MS  (2010)  Seed  cell  wall  storage  polysaccharides:  Models  to  understand  cell  wall biosynthesis and degradation. Plant Physiol. 154: 1017‐1023 

Buckeridge MS, dos Santos HP, Tine MAS (2000) Mobilisation of storage cell wall polysaccharides in seeds. Plant Physiol. Biochem. 38: 141‐156 

Burton RA, Wilson SM, Hrmova M, Harvey AJ, Shirley NJ, Stone BA, Newbigin EJ, Bacic A, Fincher GB (2006) Cellulose synthase‐like CslF genes mediate the synthesis of cell wall (1,3;1,4)‐beta‐D‐glucans. Science 311: 1940‐1942 

Cabib E, Farkas V, Kosik O, Blanco N, Arroyo J, McPhie P (2008) Assembly of the yeast cell wall Crh1p and Crh2p act as transglycosylases in vivo and in vitro. J. Biol. Chem. 283: 29859‐29872 

Campbell  P,  Braam  J  (1999)  In  vitro  activities  of  four  xyloglucan  endotransglycosylases  from Arabidopsis. Plant J. 18: 371‐382 

Campbell  P,  Braam  J  (1999)  Xyloglucan  endotransglycosylases:  diversity  of  genes,  enzymes  and potential wall‐modifying functions. Trends Plant Sci. 4: 361‐366 

Cantarel BL, Coutinho PM, Rancurel C, Bernard T, Lombard V, Henrissat B (2009) The Carbohydrate‐Active EnZymes database  (CAZy): an expert  resource  for Glycogenomics. Nucleic Acids Res. 37: D233‐D238 

Carpita N, McCann M (2000) The Cell Wall.  In B Buchanan, W Gruissem, R Jones, eds, Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Physiologists), Rockville, pp 52‐108 

Page 61: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

53  

Carpita NC (2011) Update on mechanisms of plant cell wall biosynthesis: How plants make cellulose and other (1‐>4)‐β‐D‐Glycans. Plant Physiol. 155: 171‐184 

Carpita NC, Defernez M, Findlay K, Wells B, Shoue DA, Catchpole G, Wilson RH, McCann MC (2001) Cell wall architecture of the elongating maize coleoptile. Plant Physiol. 127: 551‐565 

Carpita  NC,  Gibeaut  DM  (1993)  Structural  models  of  primary‐cell  walls  in  flowering  plants  ‐ consistency of molecular‐structure with the physical‐properties of the cell wall during growth 

Plant J. 3: 1‐30 Cavalier DM, Lerouxel O, Neumetzler L, Yamauchi K, Reinecke A, Freshour G, Zabotina OA, Hahn 

MG, Burgert I, Pauly M, Raikhel NV, Keegstra K (2008) Disrupting two Arabidopsis thaliana xylosyltransferase genes  results  in plants deficient  in  xyloglucan, a major primary  cell wall component. Plant Cell 20: 1519‐1537 

Chevalier L, Bernard S, Ramdani Y, Lamour R, Bardor M, Lerouge P, Follet‐Gueye ML, Driouich A (2010)  Subcompartment  localization  of  the  side  chain  xyloglucan‐synthesizing  enzymes within Golgi stacks of tobacco suspension‐cultured cells. Plant J. 64: 977‐989 

Cole RA, Fowler JE  (2006) Polarized growth: maintaining  focus on the tip. Curr. Opin. Plant Biol. 9: 579‐588 

Cosgrove DJ  (1993) Water‐uptake by growing cells  ‐ An assessment of  the controlling  roles of wall relaxation, solute uptake and hydraulic conductance. Int. J. Plant Sci. 154: 10‐21 

Cosgrove DJ (2000) Loosening of plant cell walls by expansins. Nature 407: 321‐326 Cosgrove DJ (2005) Growth of the plant cell wall. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 6: 850‐861 Cottrell  MT,  Yu  LY,  Kirchman  DL  (2005)  Sequence  and  expression  analyses  of  Cytophaga‐like 

hydrolases  in  a Western  arctic metagenornic  library  and  the  Sargasso  seat. Appl.  Environ. Microbiol. 71: 8506‐8513 

Crepet  WL,  Niklas  KJ  (2009)  Darwin's  second  "Abominable  Mystery".  Why  are  there  so  many Angiosperm species? Am. J. Bot. 96: 366‐381 

Davies G, Henrissat B (1995) Structures and mechanisms of glycosyl hydrolases. Structure 3: 853‐859 Davies GJ, Gloster  TM, Henrissat B  (2005) Recent  structural  insights  into  the  expanding world of 

carbohydrate‐active enzymes. Curr. Opin. Struct. Biol. 15: 637‐645 Davies  GJ, Mackenzie  L,  Varrot  A,  Dauter M,  Brzozowski  AM,  Schulein  M, Withers  SG  (1998) 

Snapshots  along  an  enzymatic  reaction  coordinate:  Analysis  of  a  retaining  beta‐glycoside hydrolase. Biochemistry 37: 11707‐11713 

Davies GJ, Sinnott ML (2008) Sorting the diverse:the sequence‐based classification of carbohydrate‐active enzymes. Biochem J. DOI 10.1042/BJ20080382 (online only) 

Davies  GJ,  Wilson  KS,  Henrissat  B  (1997)  Nomenclature  for  sugar‐binding  subsites  in  glycosyl hydrolases. Biochem J. 321: 557‐559 

De Bodt S, Maere S, Van de Peer Y (2005) Genome duplication and the origin of angiosperms. Trends Ecol. Evol. 20: 591‐597 

Del  Bem  L,  Vincentz  M  (2010)  Evolution  of  xyloglucan‐related  genes  in  green  plants.  BMC Evolutionary Biology 10: 341 

Desmet  T,  Cantaert  T,  Gualfetti  P,  Nerinckx  W,  Gross  L,  Mitchinson  C,  Piens  K  (2007)  An investigation of the substrate specificity of the xyloglucanase Cel74A from Hypocrea jecorina. Febs J. 274: 356‐363 

Doblin MS, Pettolino FA, Wilson SM, Campbell R, Burton RA, Fincher GB, Newbigin E, Bacic A (2009) A  barley  cellulose  synthase‐like  CSLH  gene  mediates  (1,3;1,4)‐beta‐D‐glucan  synthesis  in transgenic Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106: 5996‐6001 

Domozych DS, Sorensen  I, Pettolino FA, Bacic A, Willats WGT (2010) The cell wall polymers pf the charophycean green alga Chara corallina:  Immunobinding and biochemical screening.  Int. J. Plant Sci. 171: 345‐361 

Domozych  DS,  Sorensen  I,  Willats  WGT  (2009)  The  distribution  of  cell  wall  polymers  during antheridium  development  and  spermatogenesis  in  the  Charophycean  green  alga,  Chara corallina. Ann. Bot. 104: 1045‐1056 

Page 62: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

54  

Ebringerova  A  (2006)  Structural  diversity  and  application  potential  of  hemicelluloses. Macromol. Symp. 232: 1‐12 

Edwards M, Dea ICM, Bulpin PV, Reid JSG (1986) Purification and properties of a novel xyloglucan‐specific endo‐(1‐4)‐β‐D‐glucanase from germinated nasturtium seeds (Tropaeolum majus L). J. Biol. Chem. 261: 9489‐9494 

Eklöf JM (2010) Glycoside hydrolase family 16. In CAZypedia,  Eklöf  JM,  Brumer H  (2010)  The  XTH  gene  family:  An  update  on  enzyme  structure,  function,  and 

phylogeny in xyloglucan remodeling. Plant Physiol. 153: 456‐466 Faik A, Bar‐Peled M, DeRocher AE, Zeng WQ, Perrin RM, Wilkerson C, Raikhel NV, Keegstra K (2000) 

Biochemical  characterization and molecular  cloning of an alpha‐1,2‐fucosyltransferase  that catalyzes the  last step of cell wall xyloglucan biosynthesis  in pea. J. Biol. Chem. 275: 15082‐15089 

Fanutti C, Gidley MJ, Reid  JSG  (1993) Action of a pure xyloglucan endo‐transglycosylase  (formerly called  xyloglucan‐specific  endo‐(1‐4)‐β‐D‐Glucanase)  from  the  cotyledons  of  germinated nasturtium seeds. Plant J. 3: 691‐700 

Fanutti  C,  Gidley  MJ,  Reid  JSG  (1996)  Substrate  subsite  recognition  of  the  xyloglucan  endo‐transglycosylase  or  xyloglucan‐specific  endo‐(1‐>4)‐β‐D‐glucanase  from  the  cotyledons  of germinated nasturtium (Tropaeolum majus) seeds. Planta 200: 221‐228 

Farkas V, Sulova Z, Stratilova E, Hanna R, Maclachlan G (1992) Cleavage of xyloglucan by nasturtium seed  xyloglucanase  and  transglycosylation  to  xyloglucan  subunit  oligosaccharides.  Arch. Biochem. Biophys. 298: 365‐370 

Faure R,  Saura‐Valls M, Brumer H, Planas A, Cottaz  S, Driguez H  (2006)  Synthesis of  a  library of xylogluco‐oligosaccharides  for  active‐site  mapping  of  xyloglucan  endo‐transglycosylase.  J. Org. Chem. 71: 5151‐5161 

Fincher GB (2009) Revolutionary times in our understanding of cell wall biosynthesis and remodeling in the grasses. Plant Physiol. 149: 27‐37 

Finet C, Timme RE, Delwiche CF, Marletaz F (2010) Multigene phylogeny of the green lineage reveals the origin and diversification of land plants. Curr Biol 20: 2217‐2222 

Frei EVA, Preston RD (1961) Variants in the structural polysaccharides of algal cell walls. Nature 192: 939‐943 

Fry SC, Aldington S, Hetherington PR, Aitken J (1993) Oligosaccharides as signals and substrates  in the plant‐cell wall. Plant Physiol. 103: 1‐5 

Fry SC, Miller JG, Dumville JC (2002) A proposed role for copper ions in cell wall loosening. Plant Soil 247: 57‐67 

Fry  SC, Mohler  KE,  Nesselrode  BHWA,  Frankova  L  (2008) Mixed‐linkage  beta‐glucan:  xyloglucan endotransglucosylase,  a  novel  wall‐remodelling  enzyme  from  Equisetum  (horsetails)  and charophytic algae (vol 55, pg 240, 2008). Plant J. 55: 1062‐1062 

Fry  SC,  Smith  RC,  Renwick  KF,  Martin  DJ,  Hodge  SK,  Matthews  KJ  (1992)  Xyloglucan endotransglycosylase,  a  new wall‐loosening  enzyme‐activity  from  plants.  Biochem  J.  282: 821‐828 

Fry SC, York WS, Albersheim P, Darvill A, Hayashi T, Joseleau JP, Kato Y, Lorences EP, Maclachlan GA, Mcneil M, Mort AJ, Reid JSG, Seitz HU, Selvendran RR, Voragen AGJ, White AR (1993) An unambiguous nomenclature for xyloglucan‐derived oligosaccharides. Physiol. Plant. 89: 1‐3 

Gaboriaud C, Bissery V, Benchetrit T, Mornon  JP  (1987) Hydrophobic cluster analysis: An efficient new way to compare and analyse amino acid sequences. Febs Lett. 224: 149‐155 

Geisler‐Lee J, Geisler M, Coutinho PM, Segerman B, Nishikubo N, Takahashi J, Aspeborg H, Djerbi S, Master  E,  Andersson‐Gunneras  S,  Sundberg  B,  Karpinski  S,  Teeri  TT,  Kleczkowski  LA, Henrissat B, Mellerowicz EJ (2006) Poplar carbohydrate‐active enzymes. Gene identification and expression analyses. Plant Physiol. 140: 946‐962 

Page 63: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

55  

Gerrienne P, Dilcher DL, Bergamaschi S, Milagres I, Pereira E, Rodrigues MAC (2006) An exceptional specimen of the early land plant Cooksonia paranensis, and a hypothesis on the life cycle of the earliest eutracheophytes. Rev. Palaebot. Palyno. 142: 123‐130 

Gerrienne P, Meyer‐Berthaud B, Fairon‐Demaret M, Streel M, Steemans P (2004) Runcaria, a middle Devonian seed plant precursor. Science 306: 856‐858 

Gilbert HJ  (2010)  The  biochemistry  and  structural  biology  of  plant  cell wall  deconstruction.  Plant Physiol. 153: 444‐455 

Gilbert HJ, Stalbrand H, Brumer H  (2008) How  the walls  come  crumbling down:  recent  structural biochemistry of plant polysaccharide degradation. Curr. Opin. Plant Biol. 11: 338‐348 

Graham LE, Cook ME, Busse JS (2000) The origin of plants: Body plan changes contributing to a major evolutionary radiation. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 97: 4535‐4540 

Grishutin  SG,  Gusakov  AV, Markov  AV,  Ustinov  BB,  Semenova MV,  Sinitsyn  AP  (2004)  Specific xyloglucanases as a new class of polysaccharide‐degrading enzymes. Biochim. Biophys. Acta‐Gen. Subj. 1674: 268‐281 

Guerriero G, Fugelstad  J, Bulone V  (2010) What do we really know about cellulose biosynthesis  in higher plants? J. Integr. Plant Biol. 52: 161‐175 

Gullfot  F,  Ibatullin  FM,  Sundqvist  G,  Davies  GJ,  Brumer  H  (2009)  Functional  characterization  of xyloglucan  glycosynthases  from  GH7,  GH12,  and  GH16  scaffolds.  Biomacromolecules  10: 1782‐1788 

Haldane JBS (1930) Enzymes. Longmans Green, London, UK Harjunpää  V, Helin  J,  Koivula  A,  Siika‐aho M, Drakenberg  T  (1999)  A  comparative  study  of  two 

retaining enzymes of Trichoderma reesei: transglycosylation of oligosaccharides catalysed by the cellobiohydrolase I, Cel7A, and the beta‐mannanase, Man5A. Febs Lett. 443: 149‐153 

Harris PV, Welner D, McFarland KC, Re  E, Poulsen  JCN, Brown K,  Salbo R, Ding HS, Vlasenko  E, Merino S, Xu F, Cherry J, Larsen S, Lo Leggio L (2010) Stimulation of Lignocellulosic Biomass Hydrolysis by Proteins of Glycoside Hydrolase Family 61: Structure and Function of a Large, Enigmatic Family. Biochemistry 49: 3305‐3316 

Henrissat B (1991) A classification of Glycosyl hydrolases based on amino‐acid sequence similarities. Biochem J. 280: 309‐316 

Henrissat B, Claeyssens M, Tomme P, Lemesle L, Mornon  JP  (1989) Cellulase  families  revealed by hydrophobic cluster‐analysis. Gene 81: 83‐95 

Henrissat B, Coutinho PM, Davies GJ (2001) A census of carbohydrate‐active enzymes in the genome of Arabidopsis thaliana. Plant Mol. Biol. 47: 55‐72 

Hoffman M, Jia ZH, Pena MJ, Cash M, Harper A, Blackburn AR, Darvill A, York WS (2005) Structural analysis of xyloglucans in the primary cell walls of plants in the subclass Asteridae. Carb. Res. 340: 1826‐1840 

Hrmova M, Farkas V, Harvey AJ, Lahnstein J, Wischmann B, Kaewthai N, Ezcurra I, Teeri TT, Fincher GB  (2009)  Substrate  specificity  and  catalytic  mechanism  of  a  xyloglucan  xyloglucosyl transferase HvXET6 from barley (Hordeum vulgare L.). Febs J. 276: 437‐456 

Hrmova M,  Farkas V,  Lahnstein  J,  Fincher GB  (2007) A barley  xyloglucan  xyloglucosyl  transferase covalently  links xyloglucan, cellulosic substrates, and (1,3;1,4)‐beta‐D‐glucans. J. Biol. Chem. 282: 12951‐12962 

Hsieh YSY, Harris PJ  (2009) Xyloglucans of monocotyledons have diverse  structures. Mol. Plant 2: 943‐965 

Hughes NF (1994) The enigma of angiosperm origins. In. Cambridge University Press, Cambridge, UK Ibatullin FM, Banasiak A, Baumann MJ, Greffe L, Takahashi  J, Mellerowicz EJ, Brumer H  (2009) A 

real‐time  fluorogenic  assay  for  the  visualization  of  glycoside  hydrolase  activity  in  planta. Plant Physiol. 151: 1741‐1750 

Ibatullin  FM,  Baumann  MJ,  Greffe  L,  Brumer  H  (2008)  Kinetic  analyses  of  retaining  endo‐(xylo)glucanases  from  plant  and  microbial  sources  using  new  chromogenic  xylogluco‐oligosaccharide aryl glycosides. Biochemistry 47: 7762‐7769 

Page 64: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

56  

Iglesias N, Abelenda  JA, Rodino M,  Sampedro  J, Revilla G,  Zarra  I  (2006) Apoplastic  glycosidases active against xyloglucan oligosaccharides of Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. 47: 55‐63 

Ikegaya H, Hayashi  T, Kaku  T,  Iwata K,  Sonobe  S,  Shimmen  T  (2008) Presence of  xyloglucan‐like polysaccharide in Spirogyra and possible involvement in cell‐cell attachment. Phycol. Res. 56: 216‐222 

Jarvis MC (2011) Plant cell walls: Supramolecular assemblies. Food Hydrocolloids 25: 257‐262 Johansson P, Brumer H, Baumann MJ, Kallas AM, Henriksson H, Denman  SE,  Teeri  TT,  Jones TA 

(2004)  Crystal  structures  of  a  poplar  xyloglucan  endotransglycosylase  reveal  details  of transglycosylation acceptor binding. Plant Cell 16: 874‐886 

Juhász  T,  Szengyel  Z,  Réczey  K,  Siika‐Aho M,  Viikari  L  (2005)  Characterization  of  cellulases  and hemicellulases produced by Trichoderma reesei on various carbon sources. Process Biochem. 40: 3519‐3525 

Kaewthai N, Harvey AJ, Hrmova M, Brumer H, Ezcurra I, Teeri TT, Fincher GB (2010) Heterologous expression of diverse barley XTH genes in the yeast Pichia pastoris. Plant Biotech. J. 27: 251‐258 

Kaida R, Sugawara S, Negoro K, Maki H, Hayashi T, Kaneko TS (2010) Acceleration of cell growth by xyloglucan oligosaccharides in suspension‐cultured tobacco cells. Mol. Plant 3: 549‐554 

Kallas AM,  Piens  K, Denman  SE, Henriksson H,  Faldt  J,  Johansson  P,  Brumer H,  Teeri  TT  (2005) Enzymatic  properties  of  native  and  deglycosylated  hybrid  aspen  (Populus  tremula  x tremuloides)  xyloglucan  endotransglycosylase  16A  expressed  in Pichia pastoris. Biochem  J. 390: 105‐113 

Keeling PJ (2004) Diversity and evolutionary history of plastids and their hosts. Am. J. Bot. 91: 1481‐1493 

Kenrick P, Crane PR (1997) The origin and early evolution of plants on land. Nature 389: 33‐39 Knox JP (2008) Revealing the structural and functional diversity of plant cell walls. Curr. Opin. Plant 

Biol. 11: 308‐313 Kochumalayil J, Sehaqui H, Zhou Q, Berglund LA (2010) Tamarind seed xyloglucan ‐ a thermostable 

high‐performance biopolymer from non‐food feedstock. J. Mater. Chem. 20: 4321‐4327 Kooiman P (1960) On the occurence of amyloids in plant seeds. Acta Bot. Neerl. 9: 208‐219 Koshland  JDE  (1953)  Stereochemistry  and  the mechanism  of  enzymatic  reactions.  Biol  Rev  Camb 

Philos Soc 28: 416‐436 Kurašjin M, Väljamäe P (2011) Processivity of cellobiohydrolases  is  limited by the substrate. J. Biol. 

Chem. 286: 169‐177 Lagaert S, Belien T, Volckaert G  (2009) Plant cell walls: Protecting the barrier  from degradation by 

microbial enzymes. Semin. Cell Dev. Biol. 20: 1064‐1073 Larsbrink  J,  Izumi A,  Ibatullin F, Nakhai A, Gilbert HJ, Gideon DJ, Brumer H  (2011) Structural and 

enzymatic  characterisation of  a Glycoside Hydrolase  family 31  α‐xylosidase  from Cellvibrio japonicus involved in xyloglucan saccharification. J. Biol. Chem.: Accepted 

Li XM, Cordero I, Caplan J, Molhoj M, Reiter WD (2004) Molecular analysis of 10 coding regions from arabidopsis  that  are  homologous  to  the  MUR3  xyloglucan  galactosyltransferase.  Plant Physiol. 134: 940‐950 

Lorences EP, Fry SC (1993) Xyloglucan oligosaccharides with at least 2 alpha‐D‐xylose residues act as acceptor substrates for xyloglucan endotransglycosylase and promote the depolymerization of xyloglucan. Physiol. Plant. 88: 105‐112 

Lorences EP, McDougall GJ, Fry SC  (1990) Xyloglucan‐oligosaccharides and  cello‐oligosaccharides  ‐ Antagonists of the growth‐promoting effect of H+. Physiol. Plant. 80: 109‐113 

Macauley  MS,  Whitworth  GE,  Debowski  AW,  Chin  D,  Vocadlo  DJ  (2005)  O‐GlcNAcase  uses substrate‐assisted catalysis: kinetic analysis and development of highly selective mechanism‐inspired inhibitors. J. Biol. Chem. 280: 25313‐25322 

Page 65: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

57  

Madson M, Dunand C,  Li XM, Verma R, Vanzin GF, Calplan  J,  Shoue DA, Carpita NC, Reiter WD (2003)  The MUR3  gene  of  Arabidopsis  encodes  a  xyloglucan  galactosyltransferase  that  is evolutionarily related to animal exostosins. Plant Cell 15: 1662‐1670 

Marcus SE, Verhertbruggen Y, Herve C, Ordaz‐Ortiz JJ, Farkas V, Pedersen HL, Willats WGT, Knox JP (2008)  Pectic homogalacturonan masks  abundant  sets  of  xyloglucan  epitopes  in  plant  cell walls. BMC Plant Biol. 8 

Marga F, Grandbois M, Cosgrove DJ, Baskin TI  (2005) Cell wall extension  results  in the coordinate separation of parallel microfibrils: evidence  from scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Plant J. 43: 181‐190 

Maris  A,  Kaewthai  N,  Eklöf  JM, Miller  JG,  Brumer  H,  Fry  SC,  Verbelen  JP,  Vissenberg  K  (2011) Differences  in  enzymic  properties  of  five  recombinant  xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase  (XTH) proteins of Arabidopsis thaliana.  J. Exp. Bot 62: 261‐271 

Maris  A,  Suslov  D,  Fry  SC,  Verbelen  JP,  Vissenberg  K  (2009)  Enzymic  characterization  of  two recombinant  xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase  (XTH) proteins of Arabidopsis  and their effect on root growth and cell wall extension. J. Exp. Bot 60: 3959‐3972 

Mark P, Baumann MJ, Eklöf JM, Gullfot F, Michel G, Kallas AM, Teeri TT, Brumer H, Czjzek M (2009) Analysis  of  nasturtium  TmNXG1  complexes  by  crystallography  and  molecular  dynamics provides  detailed  insight  into  substrate  recognition  by  family  GH16  xyloglucan  endo‐transglycosylases and endo‐hydrolases. Proteins: Struct., Funct., Bioinf. 75: 820‐836 

Marth JD (2008) A unified vision of the building blocks of life. Nat. Cell Biol. 10: 1015‐1016 Matsunaga  T,  Ishii  T,  Matsumoto  S,  Higuchi  M,  Darvill  A,  Albersheim  P,  O'Neill  MA  (2004) 

Occurrence of the primary cell wall polysaccharide rhamnogalacturonan  II  in pteridophytes, lycophytes, and bryophytes.  Implications  for the evolution of vascular plants. Plant Physiol. 134: 339‐351 

Mellerowicz EJ, Sundberg B (2008) Wood cell walls: biosynthesis, developmental dynamics and their implications for wood properties. Curr. Opin. Plant Biol. 11: 293‐300 

Menger FM (2005) An alternative view of enzyme catalysis. Pure Appl. Chem. 77: 1873‐1886 Michailidis  G,  Argiriou  A,  Darzentas  N,  Tsaftaris  A  (2009)  Analysis  of  xyloglucan 

endotransglycosylase/hydrolase  (XTH)  genes  from  allotetraploid  (Gossypium  hirsutum) cotton  and  its diploid progenitors expressed during  fiber elongation.  J. Plant Physiol. 166: 403‐416 

Michel G,  Chantalat  L,  Duee  E,  Barbeyron  T,  Henrissat  B,  Kloareg  B,  Dideberg O  (2001)  The  κ‐carrageenase of P. carrageenovora features a tunnel‐shaped active site: A novel insight in the evolution of clan‐B glycoside hydrolases. Structure 9: 513‐525 

Micheli F (2001) Pectin methylesterases: cell wall enzymes with important roles in plant physiology. Trends Plant Sci. 6: 414‐419 

Miedes  E,  Lorences  EP  (2009)  Xyloglucan  endotransglucosylase/hydrolases  (XTHs)  during  tomato fruit growth and ripening. J. Plant Physiol. 166: 489‐498 

Mishra  A, Malhotra  AV  (2009)  Tamarind  xyloglucan:  a  polysaccharide  with  versatile  application potential. J. Mater. Chem. 19: 8528‐8536 

Mohand  FA,  Farkas  V  (2006)  Screening  for  hetero‐transglycosylating  activities  in  extracts  from nasturtium (Tropaeolum majus). Carb. Res. 341: 577‐581 

Moller  I, Sørensen  I, Bernal AJ, Blaukopf C,  Lee K, Obro  J, Pettolino F, Roberts A, Mikkelsen  JD, Knox JP, Bacic A, Willats WGT (2007) High‐throughput mapping of cell‐wall polymers within and between plants using novel microarrays. Plant J. 50: 1118‐1128 

Moore MJ, Bell CD, Soltis PS, Soltis DE (2007) Using plastid genome‐scale data to resolve enigmatic relationships among basal angiosperms. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104: 19363‐19368 

Nielsen RI (2000) Microbial xyloglucan endotransglycosylase. In. Novo Nordisk A/S, Novozymes A/S Niklas KJ (2000) The evolution of plant body plans ‐ A biomechanical perspective. Ann. Bot. 85: 411‐

438 Niklas KJ (2004) The cell walls that bind the tree of life. Bioscience 54: 831‐841 

Page 66: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

58  

Nishikubo N, Awano T, Banasiak A, Bourquin V, Ibatullin F, Funada R, Brumer H, Teeri TT, Hayashi T,  Sundberg  B, Mellerowicz  EJ  (2007)  Xyloglucan  endo‐transglycosylase  (XET)  functions  in gelatinous  layers of  tension wood  fibers  in poplar  ‐ A  glimpse  into  the mechanism of  the balancing act of trees. Plant Cell Physiol. 48: 843‐855 

Nishitani  K  (1995)  Endo‐xyloglucan  transferase,  a  new  class  of  transferase  involved  in  cell  wall construction. J. Plant Res. 108: 137‐148 

Nishitani  K  (1998)  Construction  and  restructuring  of  the  cellulose‐xyloglucan  framework  in  the apoplast as mediated by  the  xyloglucan  related protein  family  ‐ A hypothetical  scheme.  J. Plant Res. 111: 159‐166 

Nishitani K, Tominaga R (1992) Endoxyloglucan transferase, a novel class of glycosyltransferase that catalyzes  transfer of  a  segment of  xyloglucan molecule  to  another  xyloglucan molecule.  J. Biol. Chem. 267: 21058‐21064 

Palmer JD, Soltis DE, Chase MW (2004) The plant tree of life: An overview and some points of view. Am. J. Bot. 91: 1437‐1445 

Pauling L (1946) Molecular architecture and biological reactions. Chem. Eng. News. 24: 1375‐1377 Peña MJ, Darvill AG, Eberhard S, York WS, O'Neill MA (2008) Moss and liverwort xyloglucans contain 

galacturonic acid and are structurally distinct from the xyloglucans synthesized by hornworts and vascular plants. Glycobiology 18: 891‐904 

Peña MJ, Ryden P, Madson M, Smith AC, Carpita NC (2004) The galactose residues of xyloglucan are essential  to maintain mechanical  strength  of  the  primary  cell walls  in  Arabidopsis  during growth. Plant Physiol. 134: 443‐451 

Piens K, Faure R, Sundqvist G, Baumann MJ, Saura‐Valls M, Teeri TT, Cottaz S, Planas A, Driguez H, Brumer H (2008) Mechanism‐based labeling defines the free energy change for formation of the  covalent  glycosyl‐enzyme  intermediate  in  a  xyloglucan  endo‐transglycosylase.  J.  Biol. Chem. 283: 21864‐21872 

Piens K, Henriksson AM, Gullfot F, Lopez M, Faure E,  Ibatullin FM, Teeri TT, Driguez H, Brumer H (2007) Glycosynthase activity of hybrid aspen xyloglucan endo‐transglycosylase PttXET16‐34 nucleophile mutants. Org. Biomol. Chem. 5: 3971‐3978 

Planas A (2000) Bacterial 1,3‐1,4‐β‐glucanases: structure, function and protein engineering. Biochim. Biophys. Acta ‐ Prot. Struct. Molec. Enzymol. 1543: 361‐382 

Popper ZA (2008) Evolution and diversity of green plant cell walls. Curr. Opin. Plant Biol. 11: 286‐292 Popper ZA, Fry SC (2003) Primary cell wall composition of bryophytes and charophytes. Ann. Bot. 91: 

1‐12 Popper ZA, Fry SC (2008) Xyloglucan‐pectin linkages are formed intra‐protoplasmically, contribute to 

wall‐assembly, and remain stable in the cell wall. Planta 227: 781‐794 Popper ZA, Tuohy MG (2010) Beyond the green: Understanding the evolutionary puzzle of plant and 

algal cell walls. Plant Physiol. 153: 373‐383 Pryer KM, Schuettpelz E, Wolf PG, Schneider H, Smith AR, Cranfill R (2004) Phylogeny and evolution 

of  ferns  (monilophytes) with a  focus on the early  leptosporangiate divergences. Am. J. Bot. 91: 1582‐1598 

Purugganan MM, Braam  J,  Fry  SC  (1997) The  arabidopsis TCH4  xyloglucan endotransglycosylase  ‐ Substrate specificity, pH optimum, and cold tolerance. Plant Physiol. 115: 181‐190 

Qiu YL, Palmer JD  (1999) Phylogeny of early  land plants:  insights  from genes and genomes. Trends Plant Sci. 4: 26‐30 

Ralph  J,  Lundquist  K,  Brunow  G,  Lu  F,  Kim  H,  Schatz  PF,  Marita  JM,  Hatfield  RD,  Ralph  SA, Christensen  JH, Boerjan W  (2004)  Lignins: Natural polymers  from oxidative  coupling of 4‐hydroxyphenyl‐ propanoids. Phytochem Rev. 3: 29‐60 

Redgwell RJ, Curti D, Gehin‐Delval C  (2008) Physicochemical properties of cell wall materials  from apple, kiwifruit and tomato. Eur. Food Res. Technol. 227: 607‐618 

Redgwell RJ, MacRae E, Hallett I, Fischer M, Perry J, Harker R (1997) In vivo and in vitro swelling of cell walls during fruit ripening. Planta 203: 162‐173 

Page 67: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

59  

Reid  JSG  (1985)  Cell wall  storage  carbohydrates  in  seeds  ‐  biochemistry  of  the  seen  "gums"  and "hemicelluloses". Adv. Bot. Res. 11: 125‐155 

Rondeau‐Mouro  C,  Defer  D,  Leboeuf  E,  Lahaye  M  (2008)  Assessment  of  cell  wall  porosity  in Arabidopsis thaliana by NMR spectroscopy. Int. J. Biol. Macromol. 42: 83‐92 

Rose  JKC,  Braam  J,  Fry  SC, Nishitani  K  (2002)  The  XTH  family  of  enzymes  involved  in  xyloglucan endotransglucosylation  and  endohydrolysis:  Current  perspectives  and  a  new  unifying nomenclature. Plant Cell Physiol. 43: 1421‐1435 

Rye CS, Withers SG (2000) Glycosidase mechanisms. Curr. Opin. Chem. Biol. 4: 573‐580 Saladie  M,  Rose  JKC,  Cosgrove  DJ,  Catala  C  (2006)  Characterization  of  a  new  xyloglucan 

endotransglucosylase/hydrolase  (XTH)  from  ripening  tomato  fruit  and  implications  for  the diverse modes of enzymic action. Plant J. 47: 282‐295 

Salamini F, Özkan H, Brandolini A, Schäfer‐Pregl R, Martin W (2002) Genetics and geography of wild cereal domestication in the near east. Nat Rev Genet 3: 429‐441 

Sara M, Sleytr UB (2000) S‐layer proteins. J. Bacteriol. 182: 859‐868 Saura‐Valls M, Faure R, Brumer H, Teeri TT, Cottaz S, Driguez H, Planas A (2008) Active‐site mapping 

of a Populus xyloglucan endo‐transglycosylase with a library of xylogluco‐oligosaccharides. J. Biol. Chem. 283: 21853‐21863 

Saura‐Valls M, Faure R, Ragas S, Piens K, Brumer H, Teeri TT, Cottaz S, Driguez H, Planas A (2006) Kinetic  analysis using  low‐molecular mass  xyloglucan oligosaccharides defines  the  catalytic mechanism of a Populus xyloglucan endotransglycosylase. Biochem J. 395: 99‐106 

Scheller HV, Ulvskov P (2010) Hemicelluloses.  In Annual Review of Plant Biology, Vol 61, Vol 61, pp 263‐289 

Schimper AFW (1883) Über die Entwicklung der Chlorophyllkörner und Farbkörper. Bot. Zeitung 41: 105–114, 121–131, 137–146, 153–162

Schneider H, Schuettpelz E, Pryer KM, Cranfill R, Magallon S, Lupia R (2004) Ferns diversified in the shadow of angiosperms. Nature 428: 553‐557 

Schröder R, Atkinson RG, Redgwell RJ (2009) Re‐interpreting the role of endo‐beta‐mannanases as mannan endotransglycosylase/hydrolases in the plant cell wall. Ann. Bot. 104: 197‐204 

Sinnott ML (1990) Catalytic mechanisms of enzymatic glycosyl transfer. Chem. Rev. (Washington, DC, U. S.) 90: 1171‐1202 

Smith NL,  Taylor  EJ,  Lindsay  AM,  Charnock  SJ,  Turkenburg  JP, Dodson  EJ,  Davies GJ,  Black GW (2005)  Structure  of  a  group  A  streptococcal  phage‐encoded  virulence  factor  reveals  a catalytically active triple‐stranded beta‐helix. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102: 17652‐17657 

Somerville C (2006) Cellulose synthesis in higher plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22: 53‐78 Strohmeier M, Hrmova M, Fischer M, Harvey AJ, Fincher GB, Pleiss J (2004) Molecular modeling of 

family GH16 glycoside hydrolases: Potential roles for xyloglucan transglucosylases/hydrolases in cell wall modification in the poaceae. Protein Sci. 13: 3200‐3213 

Stuessy TF (2004) A transitional‐combinational theory for the origin of angiosperms. Taxon 53: 3‐16 Swanson S, Gilroy S (2010) ROS in plant development. Physiol. Plant. 138: 384‐392 Tabuchi A, Kamisaka S, Hoson T  (1997) Purification of xyloglucan hydrolase/endotransferase  from 

cell walls of azuki bean epicotyls. Plant Cell Physiol. 38: 653‐658 Tabuchi A, Mori H, Kamisaka S, Hoson T (2001) A new type of endo‐xyloglucan transferase devoted 

to xyloglucan hydrolysis in the cell wall of azuki bean epicotyls. Plant Cell Physiol. 42: 154‐161 Takahashi J, Rudsander UJ, Hedenstrom M, Banasiak A, Harholt J, Amelot N, Immerzeel P, Ryden P, 

Endo S, Ibatullin FM, Brumer H, del Campillo E, Master ER, Scheller HV, Sundberg B, Teeri TT, Mellerowicz EJ  (2009) KORRIGAN1 and  its aspen homolog PttCel9A1 decrease cellulose crystallinity in Arabidopsis stems. Plant Cell Physiol. 50: 1099‐1115 

Takeda T, Furuta Y, Awano T, Mizuno K, Mitsuishi Y, Hayashi T (2002) Suppression and acceleration of cell elongation by integration of xyloglucans in pea stem segments. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99: 9055‐9060 

Takeda  T, Miller  JG,  Fry  SC  (2008) Anionic derivatives of  xyloglucan  function  as  acceptor but not donor substrates for xyloglucan endotransglucosylase activity. Planta 227: 893‐905 

Page 68: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

60  

Tine MAS, de Lima DU, Buckeridge MS (2003) Galactose branching modulates the action of cellulase on seed storage xyloglucans. Carbohydr. Polym. 52: 135‐141 

Tine MAS,  Silva  CO,  de  Lima  DU,  Carpita  NC,  Buckeridge MS  (2006)  Fine  structure  of  a mixed‐oligomer storage xyloglucan from seeds of Hymenaea courbaril. Carbohydr. Polym. 66: 444‐454 

Uitdehaag JCM, van Alebeek G‐JWM, van der Veen BA, Dijkhuizen L, Dijkstra BW (2000) Structures of  maltohexaose  and  maltoheptaose  bound  at  the  donor  sites  of  cyclodextrin glycosyltransferase  give  insight  into  the  mechanisms  of  transglycosylation  activity  and cyclodextrin size specificity. Biochemistry 39: 7772‐7780 

Urbanowicz BR, Bennett AB, del Campillo E, Catala C, Hayashi T, Henrissat B, Höfte H, McQueen‐Mason SJ, Patterson SE, Shoseyov O, Teeri TT, Rose JKC (2007) Structural organization and a standardized nomenclature for plant endo‐1,4‐β‐glucanases (cellulases) of glycosyl hydrolase family 9. Plant Physiol. 144: 1693‐1696 

Vaaje‐Kolstad G, Westereng B, Horn SJ,  Liu ZL, Zhai H, Sorlie M, Eijsink VGH  (2010) An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides. Science 330: 219‐222 

van der Maarel M, van der Veen B, Uitdehaag JCM, Leemhuis H, Dijkhuizen L (2002) Properties and applications  of  starch‐converting  enzymes  of  the  alpha‐amylase  family.  J.  Biotechnol.  94: 137‐155 

Van  Sandt  VST,  Guisez  Y,  Verbelen  JP,  Vissenberg  K  (2006)  Analysis  of  a  xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase  (XTH)  from  the  lycopodiophyte  Selaginella  kraussiana suggests  that  XTH  sequence  characteristics  and  function  are  highly  conserved  during  the evolution of vascular plants. J. Exp. Bot 57: 2909‐2922 

Van Sandt VST, Stieperaere H, Guisez Y, Verbelen JP, Vissenberg K (2007) XET activity is found near sites of growth and cell elongation  in bryophytes and some green algae: New  insights  into the evolution of primary cell wall elongation. Ann. Bot. 99: 39‐51 

Van Sandt VST, Suslov D, Verbelen JP, Vissenberg K (2007) Xyloglucan endotransglucosylase activity loosens a plant cell wall. Ann. Bot. 100: 1467‐1473 

Vanholme R, Demedts B, Morreel K, Ralph  J, Boerjan W  (2010) Lignin biosynthesis and structure. Plant Physiol. 153: 895‐905 

Varghese JN, Garrett TPJ, Colman PM, Chen L, Hoj PB, Fincher GB (1994) 3‐dimensional structures of 2 plant beta‐glucan endohydrolases with distinct substrate specificities. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 91: 2785‐2789 

Watts  AG,  Damager  I,  Amaya  ML,  Buschiazzo  A,  Alzari  P,  Frasch  AC,  Withers  SG  (2003) Trypanosoma  cruzi  trans‐sialidase operates  through a  covalent  sialyl‐enzyme  intermediate: Tyrosine is the catalytic nucleophile. J. Am. Chem. Soc. 125: 7532‐7533 

Weng JK, Chapple C (2010) The origin and evolution of lignin biosynthesis. New Phytol. 187: 273‐285 Vincken  J‐P,  Schols HA, Oomen RJFJ, McCann MC, Ulvskov P, Voragen AGJ, Visser RGF  (2003)  If 

homogalacturonan  were  a  side  chain  of  rhamnogalacturonan  I.  Implications  for  cell  wall architecture. Plant Physiol. 132: 1781‐1789 

Vincken JP, Beldman G, Voragen A (1994) The effect of xyloglucans on the degradation of cell‐wall‐embedded cellulose by the combined action of cellobiohydrolase and endoglucanases from Trichoderma viride. Plant Physiol. 104: 99‐107 

Vincken JP, York WS, Beldman G, Voragen A (1997) Two general branching patterns of xyloglucan, XXXG and XXGG. Plant Physiol. 114: 9‐13 

Vissenberg K, Martinez‐Vilchez  IM, Verbelen  JP, Miller  JG,  Fry  SC  (2000)  In  vivo  colocalization of xyloglucan endotransglycosylase  activity and  its donor  substrate  in  the elongation  zone of arabidopsis roots. Plant Cell 12: 1229‐1237 

Vlasenko E, Schülein M, Cherry  J, Xu F  (2010) Substrate specificity of  family 5, 6, 7, 9, 12, and 45 endoglucanases. Bioresour. Technol. 101: 2405‐2411 

Vocadlo DJ, Davies GJ (2008) Mechanistic insights into glycosidase chemistry. Curr. Opin. Chem. Biol. 12: 539‐555 

Page 69: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

61  

Vocadlo DJ, Davies GJ, Laine R, Withers SG (2001) Catalysis by hen egg‐white lysozyme proceeds via a covalent intermediate. Nature 412: 835‐838 

Vogel J (2008) Unique aspects of the grass cell wall. Curr. Opin. Plant Biol. 11: 301‐307 Wolfenden R,  Lu X, Young G  (1998) Spontaneous hydrolysis of glycosides.  J. Am. Chem. Soc. 120: 

6814‐6815 Wong DS, Chan V, McCormack A, Batt S (2010) Cloning and characterization of an exo‐xylogucanase 

from rumenal microbial metagenome. Protein Pept. Lett. 17: 803‐808 Vuong TV, Wilson DB  (2010) Glycoside hydrolases: Catalytic base/nucleophile diversity. Biotechnol. 

Bioeng. 107: 195‐205 Yaoi  K,  Kondo H, Hiyoshi  A, Noro N,  Sugimoto H,  Tsuda  S, Mitsuishi  Y, Miyazaki  K  (2007)  The 

structural  basis  for  the  exo‐mode  of  action  in GH74  oligoxyloglucan  reducing  end‐specific cellobiohydrolase. J. Mol. Biol. 370: 53‐62 

Yaoi  K,  Mitsuishi  Y  (2002)  Purification,  characterization,  cloning,  and  expression  of  a  novel xyloglucan‐specific  glycosidase,  oligoxyloglucan  reducing  end‐specific  cellobiohydrolase.  J. Biol. Chem. 277: 48276‐48281 

Yaoi  K,  Nakai  T,  Kameda  Y,  Hiyoshi  A, Mitsuishi  Y  (2005)  Cloning  and  characterization  of  two xyloglucanases from Paenibacillus sp strain KM21. Appl. Environ. Microbiol. 71: 7670‐7678 

Yokoyama  R,  Rose  JKC,  Nishitani  K  (2004)  A  surprising  diversity  and  abundance  of  xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases in rice. Classification and expression analysis. Plant Physiol. 134: 1088‐1099 

Yokoyama R, Uwagaki Y, Sasaki H, Harada T, Hiwatashi Y, Hasebe M, Nishitani K (2010) Biological implications  of  the  occurrence  of  32  members  of  the  XTH  (xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase)  family of proteins  in the bryophyte Physcomitrella patens. Plant J. 64: 645‐656 

York WS, Kolli VSK, Orlando R, Albersheim P, Darvill AG (1996) The structures of arabinoxyloglucans produced by solanaceous plants. Carb. Res. 285: 99‐128 

Zabotina OA, van de Ven WTG, Freshour G, Drakakaki G, Cavalier D, Mouille G, Hahn MG, Keegstra K, Raikhel NV (2009) Arabidopsis XXT5 gene encodes a putative alpha‐1,6‐xylosyltransferase that is involved in xyloglucan biosynthesis (vol 56, pg 101, 2008). Plant J. 57: 386‐386 

Zechel DL, Withers  SG  (2000) Glycosidase Mechanisms: Anatomy of  a  Finely  Tuned Catalyst. Acc. Chem. Res. 33: 11‐18 

  

   

Page 70: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny 

62  

 

   

Page 71: Plant and microbial xyloglucanases: Structure and Phylogeny405550/FULLTEXT01.pdf · 2011-03-22 · Plant and microbial xyloglucanases: Function, Structure and Phylogeny vi Author’s

Jens Eklöf 

63  

  

 

 

Appendix         

Original articles (Appendices I‐VI)