stringtranslate.com

Гликан

Термины «гликаны» и «полисахариды» определены ИЮПАК как синонимы, означающие «соединения, состоящие из большого количества моносахаридов, связанных гликозидно». [1] Однако на практике термин «гликан» также может использоваться для обозначения углеводной части гликоконъюгата , такой как гликопротеин , гликолипид или протеогликан , даже если углевод представляет собой только олигосахарид . [2] Гликаны обычно состоят исключительно из О-гликозидных связей моносахаридов. Например, целлюлоза представляет собой гликан (или, точнее, глюкан ), состоящий из β-1,4-связанной D -глюкозы, а хитин представляет собой гликан, состоящий из β-1,4-связанной N -ацетил- D. -глюкозамин. Гликаны могут представлять собой гомо- или гетерополимеры остатков моносахаридов и могут быть линейными или разветвленными.

Гликаны и белки

Гликаны могут быть прикреплены к белкам, как в гликопротеинах, так и в протеогликанах. Как правило, они находятся на внешней поверхности клеток. О- и N-связанные гликаны очень распространены у эукариот , но также могут быть обнаружены, хотя и реже, у прокариот .

N -связанные гликаны

Введение

N-связанные гликаны присоединяются в эндоплазматическом ретикулуме к азоту (N) в боковой цепи аспарагина (Asn) в секвоне . Секвен представляет собой последовательность Asn-X-Ser или Asn-X-Thr, где X представляет собой любую аминокислоту, кроме пролина , а гликан может состоять из N- ацетилгалактозамина , галактозы , нейраминовой кислоты , N -ацетилглюкозамина , фукозы , маннозы и другие моносахариды.

Сборка

У эукариот N-связанные гликаны происходят из основной 14- сахарной единицы, собранной в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме . Во-первых, два остатка N- ацетилглюкозамина присоединяются к долихолмонофосфату , липиду, на внешней стороне мембраны эндоплазматического ретикулума. Затем к этой структуре добавляются пять остатков маннозы. В этот момент частично готовый коровый гликан переворачивается через мембрану эндоплазматического ретикулума и теперь располагается внутри просвета ретикулярной сети. Затем сборка продолжается в эндоплазматическом ретикулуме с добавлением еще четырех остатков маннозы. Наконец, к этой структуре добавляются три остатка глюкозы. После полной сборки гликан переносится целиком гликозилтрансферазой - олигосахарилтрансферазой в формирующуюся пептидную цепь внутри ретикулярного просвета. Таким образом, эта основная структура N-связанных гликанов состоит из 14 остатков (3 глюкозы, 9 маннозы и 2 N -ацетилглюкозамина).

Изображение: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=глико.figgrp.469.

Темные квадраты — N -ацетилглюкозамин; светлые кружочки — манноза; темные треугольники — глюкоза.

Обработка, модификация и разнообразие

После переноса в формирующуюся пептидную цепь N-связанные гликаны, как правило, подвергаются обширным реакциям процессинга, в результате которых удаляются три остатка глюкозы, а также несколько остатков маннозы, в зависимости от рассматриваемого N-связанного гликана. Удаление остатков глюкозы зависит от правильного сворачивания белка. Эти реакции обработки происходят в аппарате Гольджи . Реакции модификации могут включать добавление фосфатной или ацетильной группы к сахарам или добавление новых сахаров, таких как нейраминовая кислота . Процессинг и модификация N-связанных гликанов в аппарате Гольджи не идет по линейному пути. В результате возможно множество различных вариантов структуры N-связанных гликанов в зависимости от активности ферментов в аппарате Гольджи.

Функции и важность

N-связанные гликаны чрезвычайно важны для правильного сворачивания белков в эукариотических клетках. Белки -шапероны эндоплазматического ретикулума, такие как кальнексин и кальретикулин , связываются с тремя остатками глюкозы, присутствующими в ядре N-связанного гликана. Эти белки-шапероны затем помогают сворачивать белок, к которому прикреплен гликан. После правильного сворачивания три остатка глюкозы удаляются, и гликан переходит к дальнейшим реакциям обработки. Если белок не сворачивается должным образом, три остатка глюкозы повторно присоединяются, позволяя белку повторно ассоциироваться с шаперонами. Этот цикл может повторяться несколько раз, пока белок не достигнет правильной конформации. Если белку неоднократно не удается правильно свернуть, он выводится из эндоплазматической сети и разрушается цитоплазматическими протеазами.

N-связанные гликаны также способствуют сворачиванию белков за счет стерических эффектов. Например, остатки цистеина в пептиде могут быть временно заблокированы от образования дисульфидных связей с другими остатками цистеина из-за размера близлежащего гликана. Следовательно, наличие N-связанного гликана позволяет клетке контролировать, какие остатки цистеина будут образовывать дисульфидные связи.

N-связанные гликаны также играют важную роль во межклеточных взаимодействиях. Например, опухолевые клетки вырабатывают аномальные N-связанные гликаны. Они распознаются рецептором CD337 на клетках естественных киллеров как признак того, что рассматриваемая клетка является раковой.

В иммунной системе N-связанные гликаны на поверхности иммунных клеток помогают определить характер миграции клетки, например, иммунные клетки, которые мигрируют в кожу, имеют специфические гликозилирования, способствующие возвращению в этот участок. [3] Паттерны гликозилирования различных иммуноглобулинов, включая IgE, IgM, IgD, IgE, IgA и IgG, наделяют их уникальными эффекторными функциями, изменяя их сродство к Fc и другим иммунным рецепторам. [3] Гликаны также могут участвовать в различении «своих» и «чужих», что может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний; [3] включая ревматоидный артрит [4] и диабет 1 типа. [5]

Нацеливание на деградирующие лизосомальные ферменты также осуществляется с помощью N-связанных гликанов. Модификация N-связанного гликана остатком маннозо-6-фосфата служит сигналом о том, что белок, к которому присоединен этот гликан, должен быть перемещен в лизосому. Это распознавание и транспортировка лизосомальных ферментов в присутствии маннозо-6-фосфата осуществляется двумя белками: CI-MPR (катиононезависимый маннозо-6-фосфатный рецептор ) и CD-MPR (катионозависимый маннозо-6-фосфатный рецептор). ).

О -связанные гликаны

Введение

У эукариот О -связанные гликаны собираются по одному сахару на остатке серина или треонина пептидной цепи в аппарате Гольджи. В отличие от N -связанных гликанов, пока не существует известной консенсусной последовательности . Однако размещение остатка пролина в положении -1 или +3 относительно серина или треонина благоприятно для О-связанного гликозилирования.

Сборка

Первым моносахаридом, присоединяемым при синтезе О -связанных гликанов, является N-ацетилгалактозамин. После этого возможны несколько разных путей. Структура Core 1 создается за счет добавления галактозы. Структура Core 2 создается путем добавления N-ацетилглюкозамина к N-ацетилгалактозамину структуры Core 1. Структуры ядра 3 образуются путем добавления одного N-ацетилглюкозамина к исходному N-ацетилгалактозамину. Структуры Core 4 образуются путем добавления второго N-ацетилглюкозамина к структуре Core 3. Возможны и другие основные структуры, хотя и менее распространенные.

Изображений:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=глико.figgrp.561: поколение Core 1 и Core 2. Белый квадрат = N-ацетилгалактозамин; черный кружок = галактоза; Черный квадрат = N-ацетилглюкозамин. Примечание. На этой схеме допущена ошибка. Нижний квадрат на каждом изображении всегда должен быть белым, а не черным.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=глико.figgrp.562: поколения Core 3 и Core 4.

Общей структурной темой О-связанных гликанов является добавление полилактозаминовых единиц к различным основным структурам. Они образуются в результате повторяющегося добавления единиц галактозы и N-ацетилглюкозамина. Цепи полилактозамина на О-связанных гликанах часто замыкаются за счет добавления остатка сиаловой кислоты (аналогично нейраминовой кислоте). Если к предпоследнему остатку также добавляется остаток фукозы , образуется структура сиалила-Льюиса X (SLex).

Функции и важность

Сиалил Льюиса x важен для определения антигена крови ABO .

SLex также важен для правильного иммунного ответа. Высвобождение P- селектина из телец Вейбеля-Паладе на эндотелиальных клетках кровеносных сосудов может быть индуцировано рядом факторов. Одним из таких факторов является реакция эндотелиальной клетки на определенные бактериальные молекулы, такие как пептидогликан . P-селектин связывается со структурой SLex, которая присутствует на нейтрофилах в кровотоке , и помогает опосредовать экстравазацию этих клеток в окружающие ткани во время инфекции.

Было обнаружено, что О -связанные гликаны, в частности муцин , играют важную роль в развитии нормальной микрофлоры кишечника. Определенные штаммы кишечных бактерий специфически связываются с муцином, что позволяет им колонизировать кишечник.

Примерами O -связанных гликопротеинов являются:

Гликозаминогликаны

Другим типом клеточных гликанов являются гликозаминогликаны (ГАГ). Они включают 2-аминосахара, поочередно связанные с уроновыми кислотами , и включают такие полимеры, как гепарин , гепарансульфат , хондроитин , кератан и дерматан . Некоторые гликозаминогликаны, такие как гепарансульфат, обнаруживаются прикрепленными к поверхности клетки, где они связываются через тетрасахаридный линкер через ксилозильный остаток с белком (образуя гликопротеин или протеогликан ).

Гликосаука

В докладе Национального исследовательского совета США за 2012 год содержится призыв к новому акценту на гликонауке — области, которая исследует структуры и функции гликанов и обещает большие достижения в таких разнообразных областях, как медицина, производство энергии и материаловедение. [6] До сих пор гликанам уделялось мало внимания со стороны исследовательского сообщества из-за отсутствия инструментов для исследования их зачастую сложных структур и свойств. [7] В докладе представлена ​​дорожная карта по преобразованию гликонауки из области, в которой доминируют специалисты, в широко изучаемую и интегрированную дисциплину.

Гликаны и липиды

См. гликолипиды.

GPI-якоря

См. гликофосфатидилинозитол .

Инструменты, используемые для исследования гликанов

Ниже приведены примеры широко используемых методов анализа гликанов: [8] [9]

Масс-спектрометрия высокого разрешения (МС) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)

Наиболее часто применяемыми методами являются МС и ВЭЖХ , в которых гликановая часть ферментативно или химически отщепляется от мишени и подвергается анализу. [10] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.

N- гликаны гликопротеинов обычно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обратно-фазовая, нормальная фаза и ионообменная ВЭЖХ) после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (восстановительное мечение). [11] В последние годы было введено большое количество различных меток, в том числе 2-аминобензамид (AB), антраниловая кислота (AA), 2-аминопиридин (PA), 2-аминоакридон (AMAC) и 3-(ацетиламино)- 6-аминоакридин (AA-Ac) – лишь некоторые из них. [12] Для разных режимов ESI и используемых систем MS необходимо использовать разные метки. [13]

О- гликаны обычно анализируются без каких-либо меток, поскольку условия химического высвобождения не позволяют их маркировать.

Фракционированные гликаны из приборов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) можно дополнительно проанализировать с помощью MALDI -TOF-MS(MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда пулы гликанов анализируются непосредственно с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных гликановых структур является более сложным или даже не всегда возможным. В любом случае, прямой анализ MALDI -TOF-MS может привести к быстрой и простой иллюстрации пула гликанов. [14]

В последние годы очень популярной стала онлайн-высокоэффективная жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией. Выбрав пористый графитовый углерод в качестве неподвижной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже непроизводные гликаны. Обнаружение здесь осуществляется с помощью масс-спектрометрии, но вместо MALDI -MS чаще используется ионизация электрораспылением ( ESI ). [15] [16] [17]

Мониторинг множественных реакций (MRM)

Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, ее высокая чувствительность и линейный отклик в широком динамическом диапазоне делают ее особенно подходящей для исследований и открытий гликановых биомаркеров. MRM выполняется на приборе тройного квадруполя (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного иона-предшественника в первом квадруполе, фрагментированного при столкновении квадруполе и заранее определенного фрагментного иона в третьем квадруполе. Это метод без сканирования, в котором каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение нескольких переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Этот метод используется для характеристики иммунного гликома. [3] [18]

Таблица 1 : Преимущества и недостатки масс-спектрометрии при анализе гликанов

Массивы

Массивы лектинов и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. В этом методе используются либо природные лектины, либо искусственные моноклональные антитела , причем оба они иммобилизуются на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.

Гликановые массивы, подобные предлагаемым Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC, содержат углеводные соединения, которые можно проверять с помощью лектинов или антител для определения специфичности углеводов и идентификации лигандов.

Метаболическое и ковалентное мечение гликанов

Метаболическое мечение гликанов можно использовать как способ обнаружения гликановых структур. Хорошо известная стратегия включает использование меченных азидом сахаров, которые можно вводить в реакцию с помощью лигирования Штаудингера . Этот метод использовался для визуализации гликанов in vitro и in vivo.

Инструменты для гликопротеинов

Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для полного структурного анализа сложных гликанов являются трудной и сложной областью. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других углеводсвязывающих белков выявила широкое разнообразие структурных основ функции гликома. Чистота тестируемых образцов была получена с помощью хроматографии ( аффинная хроматография и т. д.) и аналитического электрофореза ( ПААГ (электрофорез полиакриламида) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. д.).

Смотрите также

Resources

References

  1. ^ "Glycans". IUPAC Gold Book - Glycans. 2009. doi:10.1351/goldbook.G02645. ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. ^ Dwek, Raymond A. (1996). "Glycobiology: Toward Understanding the Function of Sugars". Chem. Rev. 96 (2): 683–720. doi:10.1021/cr940283b. PMID 11848770.
  3. ^ a b c d Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin M, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity". J Autoimmun. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.
  4. ^ Nakagawa, S; Hato, M; Takegawa, Y; Deguchi, K; Ito, H; Takahata, M; Iwasaki, N; Minami, A; Nishimura, S-I (2007). "Detection of altered N-glycan profiles in whole serum from rheumatoid arthritis patients". J. Chromatogr. B. 853 (1–2): 133–137. doi:10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID 17392038.
  5. ^ Bermingham, ML; Colombo, M; McGurnaghan, SJ; Blackbourn, LAK; Vučković, F; Pučić Baković, M; Trbojević-Akmačić, I; Lauc, G; Agakov, F; Agakova, AS; Hayward, C; Klarić, L; Palmer, CNA; Petrie, JR; Chalmers, J; Collier, A; Green, F; Lindsay, RS; Macrury, S; McKnight, JA; Patrick, AW; Thekkepat, S; Gornik, O; McKeigue, PM; Colhoun, HM (2018). "N-Glycan Profile and Kidney Disease in Type 1 Diabetes". Diabetes Care. 41 (1): 79–87. doi:10.2337/dc17-1042. hdl:20.500.11820/413dce5a-e852-4787-aac9-62c2c6d4389f. PMID 29146600.
  6. ^ "U.S. National Research Council Report, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Archived from the original on 2014-10-20. Retrieved 2012-10-03.
  7. ^ "U.S. National Research Council Report-in-Brief, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Archived from the original on 2015-09-23. Retrieved 2012-10-03.
  8. ^ Essentials of Glycobiology (2nd ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2009. ISBN 978-087969770-9.
  9. ^ Aizpurua-Olaizola, O.; Toraño, J. Sastre; Falcon-Perez, J.M.; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (2018). "Mass spectrometry for glycan biomarker discovery". TrAC Trends in Analytical Chemistry. 100: 7–14. doi:10.1016/j.trac.2017.12.015. hdl:1874/364403.
  10. ^ Wada Y, Azadi P, Costello CE, et al. (April 2007). "Comparison of the methods for profiling glycoprotein glycans—HUPO Human Disease Glycomics/Proteome Initiative multi-institutional study". Glycobiology. 17 (4): 411–22. doi:10.1093/glycob/cwl086. PMID 17223647.
  11. ^ Hase S, Ikenaka T, Matsushima Y (November 1978). "Structure analyses of oligosaccharides by tagging of the reducing end sugars with a fluorescent compound". Biochem. Biophys. Res. Commun. 85 (1): 257–63. doi:10.1016/S0006-291X(78)80037-0. PMID 743278.
  12. ^ Pabst M, Kolarich D, Pöltl G, et al. (January 2009). "Comparison of fluorescent labels for oligosaccharides and introduction of a new postlabeling purification method". Anal. Biochem. 384 (2): 263–73. doi:10.1016/j.ab.2008.09.041. PMID 18940176.
  13. ^ Šoić, Dinko; Mlinarić, Zvonimir; Lauc, Gordan; Gornik, Olga; Novokmet, Mislav; Keser, Toma (2022). "In a pursuit of optimal glycan fluorescent label for negative MS mode for high-throughput N-glycan analysis". Frontiers in Chemistry. 10: 999770. doi:10.3389/fchem.2022.999770. ISSN 2296-2646. PMC 9574008. PMID 36262345.
  14. ^ Harvey DJ, Bateman RH, Bordoli RS, Tyldesley R (2000). "Ionisation and fragmentation of complex glycans with a quadrupole time-of-flight mass spectrometer fitted with a matrix-assisted laser desorption/ionisation ion source". Rapid Commun. Mass Spectrom. 14 (22): 2135–42. Bibcode:2000RCMS...14.2135H. doi:10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-#. PMID 11114021.
  15. ^ Schulz, BL; Packer NH, NH; Karlsson, NG (Dec 2002). "Small-scale analysis of O-linked oligosaccharides from glycoproteins and mucins separated by gel electrophoresis". Anal. Chem. 74 (23): 6088–97. doi:10.1021/ac025890a. PMID 12498206.
  16. ^ Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (July 2007). "Mass plus retention time equals structure: a strategy for the analysis of N-glycans by carbon LC-ESI-MS and its application to fibrin N-glycans". Anal. Chem. 79 (13): 5051–7. doi:10.1021/ac070363i. PMID 17539604.
  17. ^ Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (May 2009). "Oligosaccharide analysis by graphitized carbon liquid chromatography-mass spectrometry". Anal Bioanal Chem. 394 (1): 163–74. doi:10.1007/s00216-009-2664-5. PMID 19247642.
  18. ^ Flowers, Sarah A.; Ali, Liaqat; Lane, Catherine S.; Olin, Magnus; Karlsson, Niclas G. (2013-04-01). "Selected reaction monitoring to differentiate and relatively quantitate isomers of sulfated and unsulfated core 1 O-glycans from salivary MUC7 protein in rheumatoid arthritis". Molecular & Cellular Proteomics. 12 (4): 921–931. doi:10.1074/mcp.M113.028878. ISSN 1535-9484. PMC 3617339. PMID 23457413.

External links