O -связанное гликозилирование — это присоединение молекулы сахара катому кислорода остатков серина (Ser) или треонина (Thr) в белке. O -гликозилирование — это посттрансляционная модификация , которая происходит после синтеза белка. У эукариот оно происходит в эндоплазматическом ретикулуме , аппарате Гольджи и иногда в цитоплазме ; у прокариот оно происходит в цитоплазме. [1] К серину или треонину можно добавить несколько различных сахаров, и они по-разному влияют на белок, изменяя стабильность белка и регулируя активность белка. O-гликаны, которые представляют собой сахара, добавляемые к серину или треонину, выполняют многочисленные функции по всему организму, включая транспортировку клеток в иммунной системе, позволяя распознавать чужеродный материал, контролируя метаболизм клеток и обеспечивая гибкость хрящей и сухожилий. [2] Из-за множества функций, которые они выполняют, изменения в O-гликозилировании важны при многих заболеваниях, включая рак , диабет и болезнь Альцгеймера . O-гликозилирование происходит во всех сферах жизни, включая эукариот , архей и ряд патогенных бактерий, включая Burkholderia cenocepacia , [3] Neisseria gonorrhoeae [4] и Acinetobacter baumannii . [5]
Добавление N -ацетилгалактозамина (GalNAc) к серину или треонину происходит в аппарате Гольджи после того, как белок был свернут. [1] [6] Процесс выполняется ферментами, известными как трансферазы GalNAc (GALNT), которых существует 20 различных типов. [6] Первоначальная структура O -GalNAc может быть изменена путем добавления других сахаров или других соединений, таких как метильные и ацетильные группы. [1] Эти модификации производят 8 основных структур, известных на сегодняшний день. [2] Различные клетки имеют различные ферменты, которые могут добавлять дополнительные сахара, известные как гликозилтрансферазы , и поэтому структуры меняются от клетки к клетке. [6] Обычные добавляемые сахара включают галактозу , N -ацетилглюкозамин , фукозу и сиаловую кислоту . Эти сахара также могут быть изменены путем добавления сульфатов или ацетильных групп.
GalNAc добавляется к остатку серина или треонина из молекулы-предшественника посредством активности фермента трансферазы GalNAc. [1] Этот предшественник необходим для того, чтобы сахар можно было транспортировать туда, где он будет добавлен к белку. Конкретный остаток, к которому будет присоединен GalNAc, не определен, поскольку существует множество ферментов, которые могут добавлять сахар, и каждый из них будет отдавать предпочтение различным остаткам. [7] Однако рядом с треонином или серином часто находятся остатки пролина (Pro). [6]
После добавления этого начального сахара другие гликозилтрансферазы могут катализировать добавление дополнительных сахаров. Две наиболее распространенные структуры — это Core 1 и Core 2. Core 1 образуется путем добавления галактозного сахара к исходному GalNAc. Core 2 состоит из структуры Core 1 с дополнительным сахаром N -ацетилглюкозамина (GlcNAc). [6] Поли -N -ацетиллактозаминовая структура может быть образована путем попеременного добавления сахаров GlcNAc и галактозы к сахару GalNAc. [6]
Конечные сахара на O-гликанах важны для распознавания лектинами и играют ключевую роль в иммунной системе. Добавление сахаров фукозы фукозилтрансферазами формирует эпитопы Льюиса и каркас для детерминант группы крови. Добавление только фукозы создает H-антиген, присутствующий у людей с группой крови O. [6] При добавлении галактозы к этой структуре создается B-антиген группы крови B. Альтернативно, добавление сахара GalNAc создаст A-антиген для группы крови A.
Сахара O -GalNAc играют важную роль в различных процессах, включая циркуляцию лейкоцитов во время иммунного ответа, оплодотворение и защиту от вторжения микробов . [1] [2]
Сахара O -GalNAc распространены на мембранных гликопротеинах , где они помогают увеличить жесткость области, близкой к мембране, так что белок отходит от поверхности. [6] Например, рецептор липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) проецируется с поверхности клетки областью, жесткой за счет O-гликанов. [2]
Для того чтобы лейкоциты иммунной системы могли проникнуть в инфицированные клетки, они должны взаимодействовать с этими клетками через рецепторы . Лейкоциты экспрессируют лиганды на своей клеточной поверхности, чтобы обеспечить это взаимодействие. [1] Гликопротеиновый лиганд-1 P-селектина (PSGL-1) является таким лигандом и содержит много O-гликанов, которые необходимы для его функции. O-гликаны вблизи мембраны поддерживают удлиненную структуру, а терминальный эпитоп sLe x необходим для взаимодействия с рецептором. [8]
Муцины представляют собой группу сильно O-гликозилированных белков, которые выстилают желудочно-кишечный тракт и дыхательные пути, защищая эти области от инфекции. [6] Муцины имеют отрицательный заряд, что позволяет им взаимодействовать с водой и предотвращать ее испарение. Это важно для их защитной функции, поскольку они смазывают тракты, поэтому бактерии не могут связываться и инфицировать организм. Изменения в муцинах важны при многочисленных заболеваниях, включая рак и воспалительные заболевания кишечника . Отсутствие O-гликанов в белках муцина резко изменяет их трехмерную форму и часто препятствует правильному функционированию. [1] [9]
Добавление N- ацетилглюкозамина (O-GlcNAc) к остаткам серина и треонина обычно происходит в цитоплазматических и ядерных белках, которые остаются в клетке, по сравнению с модификациями O -GalNAc, которые обычно происходят в белках, которые будут секретироваться. [10] Модификации O-GlcNAc были обнаружены лишь недавно, но число белков с известными модификациями O-GlcNAc быстро увеличивается. [7] Это первый пример гликозилирования, которое не происходит в секреторных белках.
O -GlcNAcylation отличается от других процессов O-гликозилирования, поскольку обычно не происходит добавления сахаров к основной структуре и поскольку сахар может быть присоединен или удален из белка несколько раз. [6] [7] Это добавление и удаление происходит циклами и выполняется двумя очень специфическими ферментами. O-GlcNAc добавляется O-GlcNAc трансферазой (OGT) и удаляется O-GlcNAcase (OGA). Поскольку существует только два фермента, которые влияют на эту специфическую модификацию, они очень жестко регулируются и зависят от множества других факторов. [11]
Поскольку O-GlcNAc можно добавлять и удалять, он известен как динамическая модификация и имеет много общего с фосфорилированием . O-GlcNAcylation и фосфорилирование могут происходить на одних и тех же остатках треонина и серина, что предполагает сложную связь между этими модификациями, которая может влиять на многие функции клетки. [6] [12] Модификация влияет на такие процессы, как реакция клеток на клеточный стресс, клеточный цикл, стабильность белка и оборот белка. Он может быть вовлечен в нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера с поздним началом [1] [12], и, как было обнаружено, играет роль в диабете . [13]
Кроме того, O-GlcNAcylation может усиливать эффект Варбурга , который определяется как изменение, происходящее в метаболизме раковых клеток, способствующее их росту. [6] [14] Поскольку как O-GlcNAcylation, так и фосфорилирование могут влиять на определенные остатки и, следовательно, оба выполняют важные функции в регуляции сигнальных путей, оба эти процесса представляют собой интересные мишени для терапии рака.
O-маннозилирование включает перенос маннозы из донорной молекулы долихол -P -маннозы на остаток серина или треонина белка. [15] Большинство других процессов O-гликозилирования используют в качестве донорной молекулы нуклеотид сахара. [7] Еще одним отличием от других O-гликозилирований является то, что процесс инициируется в эндоплазматическом ретикулуме клетки, а не в аппарате Гольджи. [1] Однако дальнейшее добавление сахаров происходит в аппарате Гольджи. [15]
До недавнего времени считалось, что этот процесс ограничен грибами , однако он встречается во всех доменах жизни: эукариотах, (эу)бактериях и архе(бактериях)а. [16] Наиболее охарактеризованным O-маннозилированным человеческим белком является α-дистрогликан . [15] O-Man сахара разделяют два домена белка, необходимые для соединения внеклеточных и внутриклеточных областей для закрепления клетки в нужном положении. [17] Рибитол , ксилоза и глюкуроновая кислота могут быть добавлены к этой структуре в сложной модификации, которая образует длинную сахарную цепочку. [8] Это необходимо для стабилизации взаимодействия между α-дистрогликаном и внеклеточной базальной мембраной. Без этих модификаций гликопротеин не может закрепить клетку, что приводит к врожденной мышечной дистрофии (ВМД), характеризующейся тяжелыми пороками развития мозга. [15]
O-галактоза обычно встречается на остатках лизина в коллагене , которые часто имеют гидроксильную группу, добавленную для образования гидроксилизина . Из-за этого добавления кислорода гидроксилизин затем может быть модифицирован путем O-гликозилирования. Добавление галактозы к гидроксильной группе инициируется в эндоплазматическом ретикулуме, но происходит преимущественно в аппарате Гольджи и только на остатках гидроксилизина в определенной последовательности. [1] [18]
Хотя это O-галактозилирование необходимо для правильного функционирования всех коллагенов, оно особенно распространено в коллагенах типов IV и V. [19] В некоторых случаях к ядру галактозы может быть добавлен сахар глюкозы. [7]
Добавление фукозных сахаров к остаткам серина и треонина является необычной формой O-гликозилирования, которая происходит в эндоплазматическом ретикулуме и катализируется двумя фукозилтрансферазами. [20] Они были обнаружены у Plasmodium falciparum [21] и Toxoplasma gondii [22] .
Несколько различных ферментов катализируют удлинение фукозы ядра, что означает, что к исходной фукозе в белке могут быть добавлены различные сахара. [20] Наряду с O-глюкозилированием, O-фукозилирование в основном встречается в доменах эпидермального фактора роста (EGF), обнаруженных в белках. [7] O-фукозилирование в доменах EGF происходит между вторым и третьим консервативными остатками цистеина в последовательности белка. [1] После добавления O-фукозы ядра она часто удлиняется путем добавления GlcNAc, галактозы и сиаловой кислоты.
Notch — важный белок в процессе развития, с несколькими доменами EGF, которые O-фукозилированы. [23] Изменения в разработке фукозного ядра определяют, какие взаимодействия может образовывать белок, и, следовательно, какие гены будут транскрибироваться во время развития. O-фукозилирование также может играть роль в расщеплении белка в печени. [1]
Подобно O-фукозилированию, O-глюкозилирование является необычной O-связанной модификацией, поскольку оно происходит в эндоплазматическом ретикулуме, катализируется O-глюкозилтрансферазами и также требует определенной последовательности для добавления к белку. O-глюкоза часто присоединяется к остаткам серина между первым и вторым консервативными остатками цистеина доменов EGF, например, в факторах свертывания VII и IX. [7] O-глюкозилирование также, по-видимому, необходимо для правильного сворачивания доменов EGF в белке Notch. [24]
Протеогликаны состоят из белка с одной или несколькими боковыми цепями сахаров, известных как гликозаминогликаны (ГАГ), присоединенными к кислороду остатков серина и треонина. [25] ГАГ состоят из длинных цепей повторяющихся единиц сахара. Протеогликаны обычно находятся на поверхности клеток и во внеклеточном матриксе (ВКМ) и важны для прочности и гибкости хрящей и сухожилий. Отсутствие протеогликанов связано с сердечной и дыхательной недостаточностью, дефектами развития скелета и повышенным метастазированием опухолей. [25]
Существуют различные типы протеогликанов в зависимости от сахара, который связан с атомом кислорода остатка в белке. Например, гепарансульфат GAG присоединен к остатку серина белка через сахар ксилозы . [7] Структура расширяется несколькими повторяющимися единицами сахара N -ацетиллактозамина, добавленными к ксилозе. Этот процесс необычен и требует специфических ксилозилтрансфераз. [6] Кератансульфат присоединяется к остатку серина или треонина через GalNAc и расширяется двумя сахарами галактозы, за которыми следуют повторяющиеся единицы глюкуроновой кислоты (GlcA) и GlcNAc. Кератансульфат типа II особенно распространен в хрящах. [25]
Галактоза или глюкозные сахара могут быть присоединены к гидроксильной группе церамидных липидов в другой форме О-гликозилирования, так как это не происходит в белках. [6] Это образует гликосфинголипиды , которые важны для локализации рецепторов в мембранах. [8] Неправильное расщепление этих липидов приводит к группе заболеваний, известных как сфинголипидозы , которые часто характеризуются нейродегенерацией и нарушениями развития.
Поскольку к церамидному липиду можно добавлять как галактозу, так и глюкозу, у нас есть две группы гликосфинголипидов. Галактосфинголипиды, как правило, очень просты по структуре, и основная галактоза обычно не модифицируется. Глюкосфинголипиды, однако, часто модифицируются и могут стать намного более сложными.
Биосинтез галакто- и глюкозфинголипидов происходит по-разному. [6] Глюкоза добавляется к церамиду из своего предшественника в эндоплазматическом ретикулуме, прежде чем в аппарате Гольджи происходят дальнейшие модификации. [8] Галактоза, с другой стороны, добавляется к церамиду уже в аппарате Гольджи, где образовавшийся галактосфинголипид часто сульфатируется путем добавления сульфатных групп. [6]
Одним из первых и единственных примеров O-гликозилирования тирозина , а не остатков серина или треонина, является добавление глюкозы к остатку тирозина в гликогенине . [7] Гликогенин — это гликозилтрансфераза, которая инициирует превращение глюкозы в гликоген, присутствующий в мышечных и печеночных клетках. [26]
Все формы О-гликозилирования широко распространены в организме и играют важную роль во многих клеточных функциях.
Эпитопы Льюиса важны для определения групп крови и позволяют генерировать иммунный ответ, если мы обнаруживаем чужеродные органы. Их понимание важно при трансплантации органов . [1]
Шарнирные области иммуноглобулинов содержат высоко О-гликозилированные области между отдельными доменами для поддержания их структуры, обеспечения взаимодействия с чужеродными антигенами и защиты области от протеолитического расщепления. [1] [8]
Болезнь Альцгеймера может быть затронута O-гликозилированием. Тау, белок, который накапливается и вызывает нейродегенерацию при болезни Альцгеймера, содержит модификации O-GlcNAc, которые могут быть вовлечены в прогрессирование заболевания. [1]
Изменения в O-гликозилировании чрезвычайно распространены при раке . Структуры O-гликанов, и особенно терминальные эпитопы Льюиса, важны для того, чтобы позволить опухолевым клеткам проникать в новые ткани во время метастазирования. [6] Понимание этих изменений в O-гликозилировании раковых клеток может привести к новым диагностическим подходам и терапевтическим возможностям. [1]