stringtranslate.com

Гликан

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

Гликаны и белки

Гликаны можно обнаружить прикрепленными к белкам, как в гликопротеинах и протеогликанах. В целом, они находятся на внешней поверхности клеток. O- и N-связанные гликаны очень распространены у эукариот , но также могут быть обнаружены, хотя и реже, у прокариот .

Н-Связанные гликаны

Введение

N-связанные гликаны присоединены в эндоплазматическом ретикулуме к азоту (N) в боковой цепи аспарагина (Asn) в секвоне . Секвоном является последовательность Asn-X-Ser или Asn-X-Thr, где X — любая аминокислота, кроме пролина , а гликан может состоять из N -ацетилгалактозамина , галактозы , нейраминовой кислоты , N -ацетилглюкозамина , фукозы , маннозы и других моносахаридов.

Сборка

У эукариот N-связанные гликаны образуются из ядра 14- сахарной единицы, собранной в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме . Сначала 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 законченный ядро ​​гликана переворачивается через мембрану эндоплазматического ретикулума, так что теперь он находится внутри ретикулярного просвета. Затем сборка продолжается внутри эндоплазматического ретикулума с добавлением еще четырех остатков маннозы. Наконец, к этой структуре добавляются три остатка глюкозы. После полной сборки гликан переносится единым блоком с помощью гликозилтрансферазы олигосахарилтрансферазы в зарождающуюся 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=glyco.figgrp.469

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

Обработка, модификация и разнообразие

После переноса в зарождающуюся пептидную цепь N-связанные гликаны, как правило, подвергаются обширным реакциям процессинга, в ходе 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 процессинга 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 следуют линейному пути. В результате возможны многочисленные различные вариации структуры N-связанных гликанов в зависимости от активности фермента в аппарате Гольджи.

Функции и значение

N-связанные гликаны чрезвычайно важны для правильного сворачивания белка в эукариотических клетках. Шаперонные белки в эндоплазматическом ретикулуме, такие как кальнексин и кальретикулин , связываются с тремя остатками глюкозы, присутствующими на ядре N-связанного гликана. Затем эти шаперонные белки помогают в сворачивании белка, 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 снова присоединяются, что позволяет белку повторно ассоциироваться с шаперонами. Этот цикл может повторяться несколько раз, пока белок не достигнет своей правильной конформации. Если белок неоднократно не сворачивается должным образом, он выводится из эндоплазматического ретикулума и разрушается цитоплазматическими протеазами.

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

N-связанные гликаны также играют важную роль во взаимодействии клеток. Например, опухолевые клетки производят N-связанные гликаны, которые являются аномальными. Они распознаются рецептором CD337 на клетках Natural Killer как признак того, что рассматриваемая клетка является раковой.

В иммунной системе N-связанные гликаны на поверхности иммунной клетки помогут определить схему миграции клетки, например, иммунные клетки, которые мигрируют в кожу, имеют специфические гликозилирования, которые способствуют возвращению в это место. [3] Схемы 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 «своего» и «чужого», что может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний; [3] включая ревматоидный артрит [4] и диабет 1 типа. [5]

Нацеливание деградирующих лизосомальных ферментов также осуществляется N-связанными гликанами. Модификация N-связанного гликана остатком маннозо-6-фосфата служит сигналом о том, что белок, к которому прикреплен этот гликан, должен быть перемещен в лизосому. Это распознавание и транспортировка лизосомальных ферментов с помощью присутствия маннозо-6-фосфата осуществляется двумя белками: CI-MPR (катион-независимый маннозо-6-фосфатный рецептор ) и CD-MPR (катион-зависимый маннозо-6-фосфатный рецептор).

О-Связанные гликаны

Введение

У эукариот O -связанные гликаны собираются по одному сахару за раз 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 O-связанного гликозилирования.

Сборка

Первый моносахарид, присоединенный в синтезе O -связанных гликанов, — это N-ацетилгалактозамин. После этого возможны несколько различных путей. Структура Core 1 образуется путем добавления галактозы. Структура Core 2 образуется путем добавления N-ацетилглюкозамина к N-ацетилгалактозамину структуры Core 1. Структуры Core 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 структуры core, хотя они встречаются реже.

Изображения:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.561 : Поколение Core 1 и Core 2. Белый квадрат = N-ацетил-галактозамин; черный круг = галактоза; Черный квадрат = N-ацетил-глюкозамин. Примечание: на этой диаграмме есть ошибка. Нижний квадрат всегда должен быть белым на каждом изображении, а не черным.

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

Распространенной структурной темой в O-связанных гликанах является добавление единиц полилактозамина к различным основным структурам. Они образуются путем повторного добавления единиц галактозы и N-ацетилглюкозамина. Цепи полилактозамина в O-связанных гликанах часто закрываются добавлением остатка сиаловой кислоты (похожего на нейраминовую кислоту). Если также добавляется остаток фукозы к следующему предпоследнему остатку, образуется структура Sialyl-Lewis X (SLex).

Функции и значение

Сиалил Льюис Х важен для определения антигена крови системы АВО .

SLex также важен для правильного иммунного ответа. Высвобождение P- селектина из телец Вейбеля-Паладе на эндотелиальных клетках кровеносных сосудов может быть вызвано рядом факторов. Одним из таких факторов является реакция эндотелиальных клеток 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 O -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 О -связанных гликопротеинов являются:

Гликозаминогликаны

Другой тип клеточного гликана — гликозаминогликаны (ГАГ). Они состоят из 2-аминосахара, связанных попеременно с уроновыми кислотами , и включают полимеры, такие как гепарин , гепарансульфат , хондроитин , кератан и дерматан . Некоторые гликозаминогликаны, такие как гепарансульфат, обнаруживаются прикрепленными к поверхности клетки, где они связаны через тетрасахаридный линкер через ксилозильный остаток с белком (образуя гликопротеин или протеогликан ).

Гликонаука

В отчете Национального исследовательского совета США за 2012 год содержится призыв по-новому сосредоточиться на гликонауке — области, которая изучает структуры и функции гликанов и обещает большие достижения в таких разнообразных областях, как медицина, производство энергии и материаловедение. [6] До сих пор гликаны не получали особого внимания со стороны исследовательского сообщества из-за отсутствия инструментов для исследования их зачастую сложных структур и свойств. [7] В отчете представлена ​​дорожная карта для преобразования 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 наиболее часто 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 отщепляется либо ферментативно, либо химически от мишени и подвергается анализу. [10] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.

N- гликаны из гликопротеинов обычно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обращенно-фазовая, нормально-фазовая и ионообменная ВЭЖХ) после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (восстановительная маркировка). [11] В последние годы было введено большое количество различных меток, среди которых 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 инструментов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) могут быть дополнительно проанализированы с помощью MALDI -TOF-MS(MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда пулы гликанов анализируются напрямую с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных структур гликанов 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 высокоэффективная жидкостная хроматография в режиме онлайн, сопряженная с масс-спектрометрией, стала очень популярной. Выбрав пористый графитовый углерод в качестве неподвижной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже недериватизированные гликаны. Детектирование здесь осуществляется с помощью масс-спектрометрии, но вместо MALDI -MS чаще используется электрораспылительная ионизация ( ESI ). [15] [16] [17]

Мониторинг множественных реакций (МРМ)

Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, его высокая чувствительность и линейный отклик в широком динамическом диапазоне делают его особенно подходящим для исследования и открытия биомаркеров гликанов. MRM выполняется на приборе с тройным квадруполем (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного прекурсорного иона в первом квадруполе, фрагментированного в квадруполе столкновения и заранее определенного фрагментного иона в третьем квадруполе. Это несканирующая техника, в которой каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение нескольких переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Эта техника используется для характеристики иммунного гликома. [3] [18]

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

Массивы

Массивы лектинов и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. Этот метод использует либо природные лектины , либо искусственные моноклональные антитела , где оба иммобилизованы на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.

Гликановые массивы, подобные тем, что предлагаются Консорциумом функциональной гликомикс и Z Biotech LLC, содержат углеводные соединения, которые можно исследовать с помощью лектинов или антител для определения углеводной специфичности и идентификации лигандов.

Метаболическая и ковалентная маркировка гликанов

Метаболическая маркировка гликанов может использоваться как способ обнаружения гликановых структур. Хорошо известная стратегия включает использование азид -меченых сахаров, которые могут реагировать 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 сложной и комплексной областью. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других углеводсвязывающих белков выявила большое разнообразие структурной основы функции гликома. Чистота тестовых образцов была получена с помощью хроматографии ( аффинной хроматографии и т. д.) и аналитического электрофореза ( ПААГ (полиакриламидный электрофорез) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. д.).

Смотрите также

Ресурсы

Ссылки

  1. ^ "Гликаны". Золотая книга ИЮПАК - Гликаны . 2009. doi :10.1351/goldbook.G02645. ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. ^ Двек, Рэймонд А. (1996). «Гликобиология: к пониманию функции сахаров». Chem. Rev. 96 ( 2): 683–720. doi :10.1021/cr940283b. PMID  11848770.
  3. ^ abcd Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin M, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета на основе измененных гликанов». J Autoimmun . 57 (6): 1–13. doi :10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844 . PMID  25578468. 
  4. ^ Накагава, С; Хато, М; Такегава, И; Дегучи, К; Ито, Х; Такахата, М; Ивасаки, Н; Минами, А; Нишимура, СИ (2007). «Обнаружение измененных профилей N-гликанов в цельной сыворотке пациентов с ревматоидным артритом». 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). «Профиль N-гликанов и заболевание почек при диабете 1 типа». Diabetes Care . 41 (1): 79–87. doi : 10.2337/dc17-1042 . hdl : 20.500.11820/413dce5a-e852-4787-aac9-62c2c6d4389f . PMID  29146600.
  6. ^ "Отчет Национального исследовательского совета США, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Архивировано из оригинала 20.10.2014 . Получено 03.10.2012 .
  7. ^ "Краткий отчет Национального исследовательского совета США, Преобразование гликонауки: дорожная карта будущего". Архивировано из оригинала 2015-09-23 . Получено 2012-10-03 .
  8. ^ Основы гликобиологии (2-е изд.). Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2009. ISBN 978-087969770-9.
  9. ^ Aizpurua-Olaizola, O.; Toraño, J. Sastre; Falcon-Perez, JM; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (2018). «Масс-спектрометрия для обнаружения биомаркеров гликанов». 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 и др. (апрель 2007 г.). «Сравнение методов профилирования гликопротеиновых гликанов — многопрофильное исследование HUPO Human Disease Glycomics/Proteome Initiative». Glycobiology . 17 (4): 411–22. doi : 10.1093/glycob/cwl086 . PMID  17223647.
  11. ^ Hase S, Ikenaka T, Matsushima Y (ноябрь 1978 г.). «Структурный анализ олигосахаридов путем мечения восстанавливающих концевых сахаров флуоресцентным соединением». Biochem. Biophys. Res. Commun . 85 (1): 257–63. doi :10.1016/S0006-291X(78)80037-0. PMID  743278.
  12. ^ Пабст М., Коларих Д., Пёльтл Г. и др. (январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток для олигосахаридов и введение нового метода очистки после маркировки». Anal. Biochem . 384 (2): 263–73. doi :10.1016/j.ab.2008.09.041. PMID  18940176.
  13. ^ Шойич, Динко; Млинарич, Звонимир; Лауц, Гордан; Горник, Ольга; Новокмет, Мислав; Кесер, Тома (2022). «В поисках оптимальной флуоресцентной метки гликанов для отрицательного режима МС для высокопроизводительного анализа N-гликанов». 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). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, оснащенного источником ионов с лазерной десорбцией/ионизацией с помощью матрицы». 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. ^ Шульц, BL; Пакер NH, NH; Карлссон, NG (декабрь 2002 г.). «Маломасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Anal. Chem . 74 (23): 6088–97. doi :10.1021/ac025890a. PMID  12498206.
  16. ^ Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (июль 2007 г.). «Масса плюс время удерживания равняется структуре: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной ЖХ-ЭСИ-МС и ее применение к N-гликанам фибрина». Anal. Chem . 79 (13): 5051–7. doi :10.1021/ac070363i. PMID  17539604.
  17. ^ Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (май 2009). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии на графитированном углероде». Anal Bioanal Chem . 394 (1): 163–74. doi : 10.1007/s00216-009-2664-5 . PMID  19247642.
  18. ^ Флауэрс, Сара А.; Али, Лиакат; Лейн, Кэтрин С.; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (2013-04-01). «Выбранный мониторинг реакции для дифференциации и относительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных O-гликанов ядра 1 из белка слюны MUC7 при ревматоидном артрите». Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. doi : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484  . PMC 3617339. PMID  23457413. 

Внешние ссылки