stringtranslate.com

N-связанное гликозилирование

Различные типы предшественников липидно-связанных олигосахаридов (ЛСО), вырабатываемые в разных организмах.

N -связанное гликозилирование — это присоединение олигосахарида , углевода, состоящего из нескольких молекул сахара, иногда также называемого гликаном , к атому азота ( амидному азоту остатка аспарагина (Asn) белка ) , в процессе, называемом N -гликозилированием , изучаемым в биохимии . [1] Полученный белок называется N-связанным гликаном или просто N-гликаном .

Этот тип связи важен как для структуры [2] , так и для функции [3] многих эукариотических белков. Процесс N -связанного гликозилирования происходит у эукариот и широко распространен у архей , но очень редко у бактерий . Природа N -связанных гликанов, прикрепленных к гликопротеину, определяется белком и клеткой, в которой он экспрессируется. [4] Она также различается у разных видов . Различные виды синтезируют различные типы N -связанных гликанов.

Энергетика образования связей

В гликопротеине присутствуют два типа связей: связи между остатками сахаридов в гликане и связи между гликановой цепью и молекулой белка.

Сахарные фрагменты связаны друг с другом в гликановой цепи через гликозидные связи . Эти связи обычно образуются между атомами углерода 1 и 4 молекул сахара. Образование гликозидной связи энергетически невыгодно, поэтому реакция сопряжена с гидролизом двух молекул АТФ . [4]

С другой стороны, присоединение остатка гликана к белку требует распознавания консенсусной последовательности . N -связанные гликаны почти всегда присоединены к атому азота боковой цепи аспарагина (Asn), которая присутствует как часть консенсусной последовательности Asn–X– Ser / Thr , где X представляет собой любую аминокислоту, кроме пролина (Pro). [4]

В клетках животных гликан, присоединенный к аспарагину, почти неизбежно представляет собой N- ацетилглюкозамин (GlcNAc) в β-конфигурации. [4] Эта β-связь похожа на гликозидную связь между сахарными фрагментами в структуре гликана, как описано выше. Вместо того, чтобы быть присоединенным к гидроксильной группе сахара, аномерный атом углерода присоединен к азоту амида. Энергия, необходимая для этой связи, поступает от гидролиза молекулы пирофосфата . [4]

Биосинтез

Путь биосинтеза N -связанных гликопротеинов: Синтез N -связанного гликана начинается в эндоплазматическом ретикулуме, продолжается в аппарате Гольджи и заканчивается на плазматической мембране, где N -связанные гликопротеины либо секретируются, либо встраиваются в плазматическую мембрану.

Биосинтез N -связанных гликанов происходит в три основных этапа: [4]

  1. Синтез долихол-связанного предшественника олигосахарида
  2. Перенос целым блоком предшественника олигосахарида в белок
  3. Обработка олигосахарида

Синтез, перенос целым блоком и начальная обрезка предшественника олигосахарида происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Последующая обработка и модификация олигосахаридной цепи осуществляются в аппарате Гольджи .

Синтез гликопротеинов, таким образом, пространственно разделен в различных клеточных компартментах. Поэтому тип синтезируемого N -гликана зависит от его доступности для различных ферментов, присутствующих в этих клеточных компартментах.

Однако, несмотря на разнообразие, все N -гликаны синтезируются по общему пути с общей структурой гликанового ядра. [4] Структура гликанового ядра в основном состоит из двух остатков N -ацетилглюкозамина и трех остатков маннозы . Этот гликановый ядро ​​затем разрабатывается и модифицируется дальше, что приводит к разнообразному диапазону структур N -гликанового ядра. [4]

Синтез предшественника олигосахарида

Процесс N -связанного гликозилирования начинается с образования долихол -связанного сахара GlcNAc. Долихол — это липидная молекула, состоящая из повторяющихся изопреновых единиц. Эта молекула обнаружена прикрепленной к мембране ЭР. Молекулы сахара прикреплены к долихолу через пирофосфатную связь [4] (один фосфат изначально был связан с долихолом, а второй фосфат пришел из нуклеотидного сахара). Затем олигосахаридная цепь удлиняется путем добавления различных молекул сахара поэтапно, образуя предшественник олигосахарида.

Сборка этого предшественника олигосахарида происходит в две фазы: фаза I и фаза II. [4] Фаза I происходит на цитоплазматической стороне ЭР, а фаза II — на люминальной стороне ЭР.

Молекула-предшественник, готовая к переносу в белок, состоит из двух молекул GlcNAc, девяти молекул маннозы и трех молекул глюкозы .

Пошаговый синтез предшественника олигосахарида в просвете ЭР во время N -связанного гликозилирования: на схеме показаны этапы, происходящие как в фазе I, так и в фазе II, как описано в таблице.

Перенос гликана в белок

После того, как олигосахарид-предшественник сформирован, завершенный гликан затем переносится в зарождающийся полипептид в просвете мембраны ЭР. Эта реакция обусловлена ​​энергией, высвобождаемой при расщеплении пирофосфатной связи между молекулой долихол-гликана. Перед тем, как гликан будет перенесен в зарождающийся полипептид, необходимо выполнить три условия: [4]

Олигосахарилтрансфераза — это фермент, отвечающий за распознавание консенсусной последовательности и перенос предшественника гликана на полипептидный акцептор, который транслируется в просвете эндоплазматического ретикулума. Таким образом, N -связанное гликозилирование является котрансляционным событием.

Обработка гликанов

Процессинг гликанов в ЭР и аппарате Гольджи.

Процессинг N -гликана осуществляется в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи. Первичная обрезка молекулы-предшественника происходит в ЭР, а последующий процессинг — в аппарате Гольджи.

При переносе завершенного гликана на зарождающийся полипептид из структуры удаляются два остатка глюкозы. Ферменты, известные как гликозидазы, удаляют некоторые остатки сахара. Эти ферменты могут разрывать гликозидные связи с помощью молекулы воды. Эти ферменты являются экзогликозидазами, поскольку они работают только с остатками моносахаридов, расположенными на невосстанавливающем конце гликана. [4] Этот начальный этап обрезки, как полагают, действует как этап контроля качества в ЭР для мониторинга сворачивания белка .

После того, как белок правильно сложен, два остатка глюкозы удаляются глюкозидазой I и II. Удаление последнего третьего остатка глюкозы сигнализирует о том, что гликопротеин готов к переходу из ЭР в цис -Гольджи. [4] Маннозидаза ЭР катализирует удаление этой последней глюкозы. Однако, если белок не сложен должным образом, остатки глюкозы не удаляются, и, таким образом, гликопротеин не может покинуть эндоплазматический ретикулум. Белок -шаперон ( кальнексин / кальретикулин ) связывается с развернутым или частично свернутым белком, чтобы помочь сворачиванию белка.

Следующий шаг включает дальнейшее добавление и удаление остатков сахара в цис-Гольджи. Эти модификации катализируются гликозилтрансферазами и гликозидазами соответственно. В цис -Гольджи ряд маннозидаз удаляет некоторые или все четыре остатка маннозы в α-1,2 связях. [4] В то время как в медиальной части Гольджи гликозилтрансферазы добавляют остатки сахара к структуре ядра гликана, давая начало трем основным типам гликанов: высокоманнозным, гибридным и сложным гликанам.

Три основных типа гликанов.

Порядок добавления сахаров к растущим гликановым цепям определяется субстратной специфичностью ферментов и их доступом к субстрату по мере их продвижения по секреторному пути . Таким образом, организация этого механизма внутри клетки играет важную роль в определении того, какие гликаны производятся.

Ферменты в аппарате Гольджи

Ферменты Гольджи играют ключевую роль в определении синтеза различных типов гликанов. Порядок действия ферментов отражается в их положении в стеке Гольджи:

У архей и прокариот

Похожие пути биосинтеза N -гликана были обнаружены у прокариот и архей. [6] Однако, по сравнению с эукариотами, конечная структура гликана у эубактерий и архей, по-видимому, не сильно отличается от первоначального предшественника, созданного в эндоплазматическом ретикулуме. У эукариот исходный предшественник олигосахарида значительно модифицируется по пути к поверхности клетки. [4]

Функция

N -связанные гликаны имеют внутренние и внешние функции. [4] [7]

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. [8] Схемы гликозилирования различных иммуноглобулинов, включая IgE, IgM, IgD, IgA и IgG, наделяют их уникальными эффекторными функциями, изменяя их сродство к Fc и другим иммунным рецепторам. [8] Гликаны также могут участвовать в различении «своих» и «чужих», что может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний. [8]

В некоторых случаях взаимодействие между N-гликаном и белком стабилизирует белок посредством сложных электронных эффектов. [11]

Клиническое значение

Изменения в N -связанном гликозилировании связаны с различными заболеваниями, включая ревматоидный артрит , [12] диабет 1 типа , [13] болезнь Крона , [14] и рак. [15] [16]

Мутации в восемнадцати генах, участвующих в N -связанном гликозилировании, приводят к различным заболеваниям, большинство из которых затрагивают нервную систему . [3] [16]

Значение терапевтических белков

Многие терапевтические белки на рынке являются антителами , которые являются N -связанными гликопротеинами. Например, Этанерцепт , Инфликсимаб и Ритуксимаб являются N -гликозилированными терапевтическими белками.

Разница между гликаном, вырабатываемым клетками человека и животных. У клеток человека отсутствует колпачок Neu5Gc.

Важность N -связанного гликозилирования становится все более очевидной в области фармацевтики . [17] Хотя бактериальные или дрожжевые системы производства белка имеют значительные потенциальные преимущества, такие как высокий выход и низкая стоимость, проблемы возникают, когда интересующий белок является гликопротеином. Большинство прокариотических систем экспрессии, таких как E. coli, не могут выполнять посттрансляционные модификации . С другой стороны, эукариотические хозяева экспрессии, такие как дрожжи и животные клетки, имеют различные паттерны гликозилирования. Белки, продуцируемые в этих хозяевах экспрессии, часто не идентичны человеческому белку и, таким образом, вызывают иммуногенные реакции у пациентов. Например, S. cerevisiae (дрожжи) часто продуцируют высокоманнозные гликаны, которые являются иммуногенными.

Системы экспрессии млекопитающих, не являющиеся людьми, такие как клетки CHO или NS0, имеют механизмы, необходимые для добавления сложных гликанов человеческого типа. Однако гликаны, продуцируемые в этих системах, могут отличаться от гликанов, продуцируемых у людей, поскольку они могут быть покрыты как N -гликолилнейраминовой кислотой (Neu5Gc), так и N -ацетилнейраминовой кислотой (Neu5Ac), тогда как человеческие клетки продуцируют только гликопротеины, содержащие N -ацетилнейраминовую кислоту. Кроме того, животные клетки также могут продуцировать гликопротеины, содержащие эпитоп галактозы-альфа-1,3-галактозы , который может вызывать серьезные аллергические реакции, включая анафилактический шок , у людей с аллергией на альфа-гал .

Эти недостатки были устранены несколькими подходами, такими как устранение путей, которые производят эти гликановые структуры посредством генетических нокаутов. Кроме того, другие системы экспрессии были генетически сконструированы для производства терапевтических гликопротеинов с человеческими N -связанными гликанами. К ним относятся дрожжи, такие как Pichia pastoris , [18] линии клеток насекомых, зеленые растения, [19] и даже бактерии.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Гликозилирование". UniProt: Последовательность белка и функциональная информация .
  2. ^ Империали Б., О'Коннор С.Е. (декабрь 1999 г.). «Влияние N -связанного гликозилирования на структуру гликопептида и гликопротеина». Current Opinion in Chemical Biology . 3 (6): 643–9. doi :10.1016/S1367-5931(99)00021-6. PMID  10600722.
  3. ^ ab Patterson MC (сентябрь 2005 г.). «Метаболические имитаторы: нарушения N -связанного гликозилирования». Семинары по детской неврологии . 12 (3): 144–51. doi :10.1016/j.spen.2005.10.002. PMID  16584073.
  4. ^ abcdefghijklmnop Дрикамер К, Тейлор М.Е. (2006). Введение в гликобиологию (2-е изд.). Oxford University Press, США. ISBN 978-0-19-928278-4.
  5. ^ Mellquist JL, Kasturi L, Spitalnik SL, Shakin-Eshleman SH (май 1998). «Аминокислота, следующая за последовательностью Asn–X–Ser/Thr, является важным фактором эффективности гликозилирования N- связанного ядра». Biochemistry . 37 (19): 6833–7. doi :10.1021/bi972217k. PMID  9578569.
  6. ^ Dell A, Galadari A, Sastre F, Hitchen P (2010). «Сходства и различия в механизмах гликозилирования у прокариот и эукариот». International Journal of Microbiology . 2010 : 1–14. doi : 10.1155/2010/148178 . PMC 3068309. PMID  21490701 . 
  7. ^ GlyGen. "Словарь структур гликанов GlyGen". GlyGen . Получено 1 апреля 2021 г. .
  8. ^ abc Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R и др. (февраль 2015 г.). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами: критический обзор». Журнал аутоиммунитета . 57 (6): 1–13. doi :10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844 . PMID  25578468. 
  9. ^ Синклер AM, Эллиотт S (август 2005 г.). «Гликоинженерия: влияние гликозилирования на свойства терапевтических белков». Журнал фармацевтических наук . 94 (8): 1626–35. doi :10.1002/jps.20319. PMID  15959882.
  10. ^ "N-гликозилирование как эукариотический защитный механизм против агрегации белков". Science Advances . 10 (5). 2024. doi : 10.1126/sciadv.adk8173 . PMC 10830103 . 
  11. ^ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Louis; Powers, Evan T.; Kelly, Jeffery W. (2021-03-15). «Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействий белок–N-гликан, выявленные с помощью эксперимента и машинного обучения». Nature Chemistry . 13 (5): 480–487. doi :10.1038/s41557-021-00646-w. ISSN  1755-4349. PMC 8102341 . PMID  33723379. 
  12. ^ Nakagawa H, Hato M, Takegawa Y, Deguchi K, Ito H, Takahata M и др. (июнь 2007 г.). «Обнаружение измененных профилей N -гликанов в цельной сыворотке пациентов с ревматоидным артритом». Journal of Chromatography B . 853 (1–2): 133–7. doi :10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl : 2115/28276 . PMID  17392038.
  13. ^ Bermingham ML, Colombo M, McGurnaghan SJ, Blackbourn LA, Vučković F, Pučić Baković M и др. (январь 2018 г.). «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.
  14. ^ Trbojević Akmačić I, Ventham NT, Theodoratou E, Vučković F, Kennedy NA, Krištić J, et al. (июнь 2015 г.). «Воспалительные заболевания кишечника связаны с провоспалительным потенциалом гликома иммуноглобулина G». Воспалительные заболевания кишечника . 21 (6): 1237–47. doi :10.1097/MIB.00000000000000372. PMC 4450892. PMID  25895110 . 
  15. ^ Кодар К, Штадлманн Дж, Клаамас К, Сергеев Б, Куртенков О (январь 2012 г.). « Профилирование иммуноглобулина G Fc N -гликана у пациентов с раком желудка с помощью LC-ESI-MS: связь с прогрессированием опухоли и выживаемостью». Glycoconjugate Journal . 29 (1): 57–66. doi :10.1007/s10719-011-9364-z. PMID  22179780. S2CID  254501034.
  16. ^ ab Chen G, Wang Y, Qin X, Li H, Guo Y, Wang Y и др. (август 2013 г.). «Изменение гликозилирования IgG1 Fc N при раке легких у человека: диагностический потенциал, связанный с возрастом и полом». Электрофорез . 34 (16): 2407–16. doi :10.1002/elps.201200455. PMID  23766031. S2CID  11131196.
  17. ^ Dalziel M, Crispin M, Scanlan CN, Zitzmann N, Dwek RA (январь 2014 г.). «Новые принципы терапевтического использования гликозилирования». Science . 343 (6166): 1235681. doi :10.1126/science.1235681. PMID  24385630. S2CID  206548002.
  18. ^ Hamilton SR, Bobrowicz P, Bobrowicz B, Davidson RC, Li H, Mitchell T и др. (август 2003 г.). «Производство сложных человеческих гликопротеинов в дрожжах». Science . 301 (5637): 1244–6. doi :10.1126/science.1088166. PMID  12947202. S2CID  38981893.
  19. ^ Штрассер Р., Альтманн Ф., Штайнкельнер Х. (декабрь 2014 г.). «Контролируемое гликозилирование рекомбинантных белков, полученных из растений». Current Opinion in Biotechnology . 30 : 95–100. doi : 10.1016/j.copbio.2014.06.008. PMID  25000187.

Внешние ссылки