ABSTRACT The Aminophospholipid ATPase (ALA) family of plant lipid flippases is involved in the selective transport of lipids across membrane bilayers. Recently, we demonstrated that double mutants lacking both ALA4 and −5 are severely dwarfed. Dwarfism in ala4/5 mutants was accompanied by cellular elongation defects and various lipidomic perturbations, including a 1.4-fold increase in the accumulation of glucosylceramides (GlcCers) relative to total sphingolipid content. Here, we present a potential model for flippase-facilitated GlcCer catabolism in plants, where a combination of ALA flippases transport GlcCers to cytosolic membrane surfaces where they are degraded by Glucosylceramidases (GCDs). GCDs remove the glucose headgroup from GlcCers to produce a ceramide (Cer) backbone, which can be further degraded to sphingoid bases (Sphs, e.g, phytosphingosine) and fatty acids (FAs). In the absence of GlcCer-transporting flippases, GlcCers are proposed to accumulate on extracytoplasmic (i.e., apoplastic) or lumenal membrane surfaces. As GlcCers are potential precursors for Sph production, impaired GlcCer catabolism might also result in the decreased production of the secondary messenger Sph-1-phosphate (Sph-1-P, e.g., phytosphingosine-1-P), a regulator of cell turgor. Importantly, we postulate that either GlcCer accumulation or reduced Sph-1-P signaling might contribute to the growth reductions observed in ala4/5 mutants. Similar catabolic pathways have been proposed for humans and yeast, suggesting flippase-facilitated GlcCer catabolism is conserved across eukaryotes.

中文翻译：

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植物中翻转酶促进的葡萄糖神经酰胺分解代谢的潜在途径

摘要 植物脂质翻转酶的氨基磷脂 ATP 酶 (ALA) 家族参与脂质跨膜双层的选择性转运。最近，我们证明缺乏 ALA4 和 -5 的双突变体严重矮化。ala4/5 突变体中的侏儒症伴随着细胞伸长缺陷和各种脂质组学扰动，包括相对于总鞘脂含量增加 1.4 倍的葡糖神经酰胺 (GlcCers) 积累。在这里，我们提出了植物中翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢的潜在模型，其中 ALA 翻转酶的组合将 GlcCers 运输到细胞质膜表面，在那里它们被葡萄糖神经酰胺酶 (GCD) 降解。GCDs 从 GlcCers 去除葡萄糖头基以产生神经酰胺 (Cer) 骨架，其可以进一步降解为鞘氨醇碱基（Sphs，例如，植物鞘氨醇）和脂肪酸（FA）。在不存在 GlcCer 转运翻转酶的情况下，GlcCers 被提议在胞质外（即质外体）或腔膜表面积累。由于 GlcCers 是 Sph 产生的潜在前体，受损的 GlcCer 分解代谢也可能导致二级信使 Sph-1-磷酸（Sph-1-P，例如，phytosphingosine-1-P）的产生减少，后者是细胞膨胀的调节剂。重要的是，我们假设 GlcCer 积累或 Sph-1-P 信号减少可能有助于在 ala4/5 突变体中观察到的生长减少。已经为人类和酵母提出了类似的分解代谢途径，表明翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢在真核生物中是保守的。建议 GlcCers 在胞质外（即质外体）或腔膜表面积累。由于 GlcCers 是 Sph 产生的潜在前体，受损的 GlcCer 分解代谢也可能导致二级信使 Sph-1-磷酸（Sph-1-P，例如，phytosphingosine-1-P）的产生减少，后者是细胞膨胀的调节剂。重要的是，我们假设 GlcCer 积累或减少的 Sph-1-P 信号可能有助于在 ala4/5 突变体中观察到的生长减少。已经为人类和酵母提出了类似的分解代谢途径，表明翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢在真核生物中是保守的。建议 GlcCers 在胞质外（即质外体）或腔膜表面积累。由于 GlcCers 是 Sph 产生的潜在前体，受损的 GlcCer 分解代谢也可能导致二级信使 Sph-1-磷酸（Sph-1-P，例如，phytosphingosine-1-P）的产生减少，后者是细胞膨胀的调节剂。重要的是，我们假设 GlcCer 积累或减少的 Sph-1-P 信号可能有助于在 ala4/5 突变体中观察到的生长减少。已经为人类和酵母提出了类似的分解代谢途径，表明翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢在真核生物中是保守的。受损的 GlcCer 分解代谢也可能导致二级信使 Sph-1-磷酸（Sph-1-P，例如，phytosphingosine-1-P）的产生减少，后者是细胞膨胀的调节剂。重要的是，我们假设 GlcCer 积累或 Sph-1-P 信号减少可能有助于在 ala4/5 突变体中观察到的生长减少。已经为人类和酵母提出了类似的分解代谢途径，表明翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢在真核生物中是保守的。受损的 GlcCer 分解代谢也可能导致二级信使 Sph-1-磷酸（Sph-1-P，例如，phytosphingosine-1-P）的产生减少，后者是细胞膨胀的调节剂。重要的是，我们假设 GlcCer 积累或 Sph-1-P 信号减少可能有助于在 ala4/5 突变体中观察到的生长减少。已经为人类和酵母提出了类似的分解代谢途径，表明翻转酶促进的 GlcCer 分解代谢在真核生物中是保守的。