stringtranslate.com

Гликозилирование

Гликозилирование — это реакция, в которой углевод (или « гликан »), т. е. донор гликозила , присоединяется к гидроксильной или другой функциональной группе другой молекулы ( акцептор гликозила ) для образования гликоконъюгата . В биологии (но не всегда в химии) гликозилирование обычно относится к реакции, катализируемой ферментом, тогда как гликирование (также «неферментативное гликирование» и «неферментативное гликозилирование») может относиться к неферментативной реакции. [1]

Гликозилирование является формой котрансляционной и посттрансляционной модификации . Гликаны выполняют множество структурных и функциональных ролей в мембранных и секретируемых белках. [2] Большинство белков, синтезируемых в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, подвергаются гликозилированию. Гликозилирование также присутствует в цитоплазме и ядре в виде модификации O -GlcNAc . Агликозилирование является особенностью сконструированных антител для обхода гликозилирования. [3] [4] Производится пять классов гликанов:

Цель

Гликозилирование — это процесс, посредством которого углевод ковалентно прикрепляется к целевой макромолекуле , обычно белкам и липидам . Эта модификация выполняет различные функции. [5] Например, некоторые белки не сворачиваются правильно, если они не гликозилированы. [2] В других случаях белки нестабильны, если они не содержат олигосахариды , связанные с амидным азотом определенных остатков аспарагина . Влияние гликозилирования на сворачивание и стабильность гликопротеина двояко. Во-первых, высокорастворимые гликаны могут иметь прямой физико-химический стабилизационный эффект. Во-вторых, N -связанные гликаны опосредуют критическую контрольную точку контроля качества при сворачивании гликопротеина в эндоплазматическом ретикулуме. [6] Гликозилирование также играет роль в адгезии между клетками (механизм, используемый клетками иммунной системы ) через связывающие сахар белки , называемые лектинами , которые распознают определенные углеводные фрагменты. [2] Гликозилирование является важным параметром в оптимизации многих препаратов на основе гликопротеинов, таких как моноклональные антитела . [6] Гликозилирование также лежит в основе системы групп крови ABO . Именно наличие или отсутствие гликозилтрансфераз диктует, какие антигены группы крови представлены и, следовательно, какие специфичности антител проявляются. Эта иммунологическая роль вполне могла привести к диверсификации гетерогенности гликанов и создать барьер для зоонозной передачи вирусов. [7] Кроме того, гликозилирование часто используется вирусами для защиты базового вирусного белка от иммунного распознавания. Ярким примером является плотный гликановый щит шипа оболочки вируса иммунодефицита человека . [8]

В целом, гликозилирование необходимо понимать с точки зрения вероятного давления эволюционного отбора, которое его сформировало. В одной модели диверсификацию можно рассматривать исключительно как результат эндогенной функциональности (например, трафика клеток). Однако более вероятно, что диверсификация обусловлена ​​уклонением от механизма заражения патогеном (например, присоединение Helicobacter к терминальным остаткам сахаридов), и что разнообразие внутри многоклеточного организма затем эксплуатируется эндогенно.

Гликозилирование также может модулировать термодинамическую и кинетическую стабильность белков. [9]

Разнообразие гликопротеинов

Гликозилирование увеличивает разнообразие в протеоме , поскольку почти каждый аспект гликозилирования может быть изменен, включая:

Механизмы

Существуют различные механизмы гликозилирования, хотя большинство из них имеют несколько общих черт: [2]

Типы

Н-связанное гликозилирование

N -связанное гликозилирование является очень распространенной формой гликозилирования и важно для сворачивания многих эукариотических гликопротеинов и для прикрепления клетка-клетка и клетка- внеклеточный матрикс . Процесс N -связанного гликозилирования происходит у эукариот в просвете эндоплазматического ретикулума и широко распространен у архей , но очень редко у бактерий . В дополнение к своей функции в сворачивании белка и прикреплении к клетке, N -связанные гликаны белка могут модулировать функцию белка, в некоторых случаях действуя как переключатель вкл/выкл.

О-связанное гликозилирование

O -связанное гликозилирование — это форма гликозилирования, которая встречается у эукариот в аппарате Гольджи [11] , но также встречается у архей и бактерий .

Гликозилирование фосфосерина

В литературе сообщалось о фосфосериновых гликанах ксилозы , фукозы , маннозы и GlcNAc . Фукоза и GlcNAc были обнаружены только в Dictyostelium discoideum , манноза в Leishmania mexicana , а ксилоза в Trypanosoma cruzi . Недавно манноза была обнаружена у позвоночного, мыши Mus musculus , на рецепторе ламинина альфа-дистрогликана 4 на клеточной поверхности . Было высказано предположение, что эта редкая находка может быть связана с тем фактом, что альфа-дистрогликан высококонсервативен от низших позвоночных до млекопитающих. [12]

С-маннозилирование

Молекула маннозы присоединена к C2 первого триптофана последовательности

Сахар маннозы добавляется к первому остатку триптофана в последовательности W–X–X–W (W обозначает триптофан; X — любая аминокислота). Связь CC образуется между первым углеродом альфа-маннозы и вторым углеродом триптофана. [13] Однако не все последовательности, имеющие этот шаблон, маннозилированы. Было установлено, что на самом деле только две трети являются таковыми, и что существует явное предпочтение, чтобы вторая аминокислота была одной из полярных (Ser, Ala , Gly и Thr) для того, чтобы произошло маннозилирование. Недавно произошел прорыв в технике предсказания того, будет ли последовательность иметь сайт маннозилирования, что обеспечивает точность 93% в отличие от точности 67%, если мы рассмотрим только мотив WXXW. [14]

Тромбоспондины являются одними из белков, наиболее часто модифицируемых таким образом. Однако есть еще одна группа белков, которые подвергаются C -маннозилированию, рецепторы цитокинов I типа . [15] C -маннозилирование необычно, поскольку сахар связан с углеродом, а не с реактивным атомом, таким как азот или кислород . В 2011 году была определена первая кристаллическая структура белка, содержащего этот тип гликозилирования — компонента 8 человеческого комплемента. [16] В настоящее время установлено, что 18% человеческих белков , секретируемых и трансмембранных, подвергаются процессу C-маннозилирования. [14] Многочисленные исследования показали, что этот процесс играет важную роль в секреции белков, содержащих тромбоспондин типа 1, которые сохраняются в эндоплазматическом ретикулуме , если они не подвергаются С-маннозилированию [14]. Это объясняет, почему тип рецепторов цитокинов , рецептор эритропоэтина , остается в эндоплазматическом ретикулуме , если в нем отсутствуют сайты С-маннозилирования. [17]

Формирование GPI-якорей (глипиация)

Глипиация — это особая форма гликозилирования, которая характеризуется образованием якоря GPI . При этом виде гликозилирования белок прикрепляется к липидному якорю через гликановую цепь. (См. также пренилирование .)

Химическое гликозилирование

Гликозилирование также может быть осуществлено с использованием инструментов синтетической органической химии . В отличие от биохимических процессов, синтетическая гликохимия в значительной степени опирается на защитные группы [18] (например, 4,6 - O -бензилиден) для достижения желаемой региоселективности. Другая проблема химического гликозилирования заключается в стереоселективности, когда каждая гликозидная связь имеет два стереовыхода, α/β или цис / транс . Как правило, α- или цис -гликозид сложнее синтезировать. [19] Были разработаны новые методы, основанные на участии растворителя или образовании бициклических сульфониевых ионов в качестве хирально-вспомогательных групп. [20]

Неферментативное гликозилирование

Неферментативное гликозилирование также известно как гликирование или неферментативное гликирование. Это спонтанная реакция и тип посттрансляционной модификации белков, то есть она изменяет их структуру и биологическую активность. Это ковалентное присоединение между карбонильной группой восстанавливающего сахара (в основном глюкозы и фруктозы) и боковой цепью аминокислоты белка. В этом процессе вмешательство фермента не требуется. Он происходит поперек и вблизи водных каналов и выступающих трубочек. [21]

Сначала в результате реакции образуются временные молекулы, которые впоследствии подвергаются различным реакциям ( перегруппировкам Амадори , реакциям Шиффа , реакциям Майяра , сшивкам ...) и образуют постоянные остатки, известные как конечные продукты гликирования (AGE).

AGE накапливаются в долгоживущих внеклеточных белках, таких как коллаген [22] , который является наиболее гликированным и структурно распространенным белком, особенно у людей. Кроме того, некоторые исследования показали, что лизин может вызывать спонтанное неферментативное гликозилирование. [23]

Роль AGE

AGE отвечают за многие вещи. Эти молекулы играют важную роль, особенно в питании, они отвечают за коричневатый цвет, ароматы и вкусы некоторых продуктов. Показано, что приготовление при высокой температуре приводит к тому, что различные продукты питания имеют высокий уровень AGE. [24]

Повышенный уровень AGE в организме напрямую влияет на развитие многих заболеваний. Он напрямую влияет на сахарный диабет 2 типа , который может привести ко многим осложнениям, таким как: катаракта , почечная недостаточность , повреждение сердца... [25] И если они присутствуют в пониженном количестве, эластичность кожи снижается, что является важным симптомом старения. [22]

Они также являются предшественниками многих гормонов и регулируют и модифицируют их рецепторные механизмы на уровне ДНК . [22]

Дегликозилирование

Существуют различные ферменты для удаления гликанов из белков или удаления части сахарной цепи.

Регуляция сигнала Notch

Сигнализация Notch — это клеточный сигнальный путь, роль которого, среди прочего, заключается в контроле процесса дифференциации клеток в эквивалентных клетках-предшественниках . [26] Это означает, что он имеет решающее значение в эмбриональном развитии, до такой степени, что, как было проверено на мышах, удаление гликанов в белках Notch может привести к эмбриональной смерти или порокам развития жизненно важных органов, таких как сердце. [27]

Некоторые из специфических модуляторов, которые контролируют этот процесс, представляют собой гликозилтрансферазы, расположенные в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи . [28] Белки Notch проходят через эти органеллы в процессе своего созревания и могут подвергаться различным типам гликозилирования: N-связанному гликозилированию и O-связанному гликозилированию (более конкретно: O-связанной глюкозе и O-связанной фукозе). [26]

Все белки Notch модифицируются O-фукозой, поскольку они имеют общую черту: консенсусные последовательности O-фукозилирования . [26] Одним из модуляторов, которые вмешиваются в этот процесс, является Fringe, гликозилтрансфераза, которая модифицирует O-фукозу для активации или дезактивации частей сигнализации, действуя как положительный или отрицательный регулятор соответственно. [28]

Клинический

Существует три типа нарушений гликозилирования, которые сортируются по типу изменений, вносимых в процесс гликозилирования: врожденные изменения, приобретенные изменения и неферментативные приобретенные изменения.

Все эти заболевания трудно диагностировать, поскольку они не только поражают один орган, они поражают многие из них и по-разному. Как следствие, их также трудно лечить. Однако благодаря многочисленным достижениям, достигнутым в секвенировании следующего поколения , ученые теперь могут лучше понять эти расстройства и открыли новые CDG. [31]

Влияние на терапевтическую эффективность

Сообщалось, что гликозилирование млекопитающих может улучшить терапевтическую эффективность биотерапевтических средств . Например, терапевтическая эффективность рекомбинантного человеческого интерферона гамма , выраженного на платформе HEK 293 , была улучшена против линий клеток рака яичников, устойчивых к лекарственным препаратам. [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Lima, M.; Baynes, JW (2013). «Гликация». В Lennarz, William J.; Lane, M. Daniel (ред.). Энциклопедия биологической химии (второе изд.). Academic Press. стр. 405–411. doi :10.1016/B978-0-12-378630-2.00120-1. ISBN 9780123786319.
  2. ^ abcd Варки А., Каммингс Р.Д., Эско Дж.Д., Фриз Х.Х., Стэнли П., Бертоцци С.Р., Харт Г.В., Эцлер М.Э. (2009). Варки А (ред.). Основы гликобиологии (2-е изд.). Издательство Колд-Спринг-Харбор Лабораториз. ISBN 978-0-87969-770-9. PMID  20301239.
  3. ^ Jung ST, Kang TH, Kelton W, Georgiou G (декабрь 2011 г.). «Обход гликозилирования: разработка агликозилированных полноразмерных антител IgG для терапии человека». Current Opinion in Biotechnology . 22 (6): 858–67. doi :10.1016/j.copbio.2011.03.002. PMID  21420850.
  4. ^ "Трансгенные растения Nicotiana tabacum L. экспрессируют агликозилированные моноклональные антитела с противоопухолевой активностью". Biotecnologia Aplicada . 2013.
  5. ^ Дрикамер К, Тейлор М.Е. (2006). Введение в гликобиологию (2-е изд.). Oxford University Press, США. ISBN 978-0-19-928278-4.
  6. ^ ab Dalziel M, Crispin M, Scanlan CN, Zitzmann N, Dwek RA (январь 2014 г.). «Развивающиеся принципы терапевтического использования гликозилирования». Science . 343 (6166): 1235681. doi :10.1126/science.1235681. PMID  24385630. S2CID  206548002.
  7. ^ Криспин М., Харви Д.Дж., Битто Д., Бономелли К., Эджворт М., Скривенс Дж.Х., Хуисконен Дж.Т., Боуден ТА. (март 2014 г.). «Структурная пластичность гликома вируса леса Семлики при межвидовой передаче». Журнал исследований протеома . 13 (3): 1702–12. doi :10.1021/pr401162k. PMC 4428802. PMID  24467287 . 
  8. ^ Криспин М., Доорес К.Дж. (апрель 2015 г.). «Нацеливание полученных от хозяина гликанов на оболочечные вирусы для разработки вакцин на основе антител». Current Opinion in Virology . Viral pathogenesis • Preventive and therapeutic vaccines. 11 : 63–9. doi :10.1016/j.coviro.2015.02.002. PMC 4827424 . PMID  25747313. 
  9. ^ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Louis; Powers, Evan T.; Kelly, Jeffery W. (15 марта 2021 г.). «Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействий белок–N-гликан, выявленные с помощью эксперимента и машинного обучения». Nature Chemistry . 13 (5): 480–487. Bibcode :2021NatCh..13..480A. doi :10.1038/s41557-021-00646-w. ISSN  1755-4349. PMC 8102341 . PMID  33723379. 
  10. ^ Уолш К. (2006). Посттрансляционная модификация белков: расширение природного инвентаря . Roberts and Co. Publishers, Энглвуд, Колорадо. ISBN 978-0974707730.
  11. ^ Flynne WG (2008). Биотехнология и биоинженерия. Nova Publishers. стр. 45 и далее. ISBN 978-1-60456-067-1.
  12. ^ Yoshida-Moriguchi T, Yu L, Stalnaker SH, Davis S, Kunz S, Madson M, Oldstone MB, Schachter H, Wells L, Campbell KP (январь 2010 г.). «O-маннозильное фосфорилирование альфа-дистрогликана необходимо для связывания ламинина». Science . 327 (5961): 88–92. Bibcode :2010Sci...327...88Y. doi :10.1126/science.1180512. PMC 2978000 . PMID  20044576. 
  13. ^ Ихара, Йошито. «C-маннозилирование: модификация триптофана в клеточных белках». Glycoscience: Biology and Medicine .
  14. ^ abc Julenius, Karin (май 2007). "NetCGlyc 1.0: предсказание участков C-маннозилирования млекопитающих, K Julenius (2007)". Glycobiology . 17 (8): 868–876. doi : 10.1093/glycob/cwm050 . PMID  17494086.
  15. ^ Александра, Щербакова (2019). «C-маннозилирование поддерживает фолдинг и повышает стабильность повторов тромбоспондина». eLife . 8 . doi : 10.7554/eLife.52978 . PMC 6954052 . PMID  31868591. 
  16. ^ Lovelace LL, Cooper CL, Sodetz JM, Lebioda L (2011). «Структура человеческого белка C8 обеспечивает механистическое понимание формирования мембранных пор с помощью комплемента». J Biol Chem . 286 (20): 17585–17592. doi : 10.1074/jbc.M111.219766 . PMC 3093833. PMID  21454577 . 
  17. ^ Yoshimura (июнь 1992). «Мутации в мотиве Trp-Ser-X-Trp-Ser рецептора эритропоэтина отменяют процессинг, связывание лиганда и активацию рецептора». Журнал биологической химии . 267 (16): 11619–25. doi : 10.1016/S0021-9258(19)49956-0 . PMID  1317872.
  18. ^ Crich D (август 2010). «Механизм химической реакции гликозилирования». Accounts of Chemical Research . 43 (8): 1144–53. doi :10.1021/ar100035r. PMID  20496888.
  19. ^ Нигудкар СС, Демченко АВ (май 2015). "цис-гликозилирование как движущая сила прогресса в химии синтетических углеводов". Chemical Science . 6 (5): 2687–2704. doi :10.1039/c5sc00280j. PMC 4465199 . PMID  26078847. 
  20. ^ Fang T, Gu Y, Huang W, Boons GJ (март 2016 г.). «Механизм гликозилирования аномерных сульфониевых ионов». Журнал Американского химического общества . 138 (9): 3002–11. doi :10.1021/jacs.5b08436. PMC 5078750. PMID  26878147 . 
  21. ^ Хенле, Томас; Дюраш, Аня; Вайц, Александр; Рак, Михаэль; Мёкель, Ульрике (1 ноября 2020 г.). «Реакции гликации мицелл казеина». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 64 (14): 2953–2961. doi :10.1021/acs.jafc.6b00472. PMID  27018258.
  22. ^ abc Baynes, JW; Lima, M. (2013). Энциклопедия биологической химии . Academic Press. стр. 405–411. ISBN 978-0-12-378631-9.
  23. ^ Святецкая, Д.; Костыра, Х.; Святецкая, А. (2010). «Влияние гликированных белков гороха на активность свободноплавающих и иммобилизованных бактерий». J. Sci. Food Agric . 90 (11): 1837–1845. Bibcode : 2010JSFA...90.1837S. doi : 10.1002/jsfa.4022. PMID  20549652.
  24. ^ Гилл, Видху; Кумар, Виджай; Сингх, Кританджали; Кумар, Ашок; Ким, Чон-Джу (17 декабря 2019 г.). «Конечные продукты расширенного гликирования (AGE) могут быть поразительной связью между современной диетой и здоровьем». Биомолекулы . 9 (12): 888. doi : 10.3390/biom9120888 . PMC 6995512. PMID  31861217 . 
  25. ^ Ансари, Н.А.; Рашид, З. (март 2010 г.). «НЕФЕРМЕНТАТИВНОЕ ГЛИКИРОВАНИЕ БЕЛКОВ: ОТ ДИАБЕТА ДО РАКА». Биомедицинская химия . 56 (2): 168–178. дои : 10.18097/pbmc20105602168 . ISSN  2310-6905. ПМИД  21341505.
  26. ^ abc Haines, Nicole (октябрь 2003 г.). «Гликозилирование регулирует сигнализацию Notch». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 4 (10): 786–797. doi :10.1038/nrm1228. PMID  14570055. S2CID  22917106. Получено 1 ноября 2020 г.
  27. ^ Стэнли, Памела; Окадзима, Тецуя (2010). «Роли гликозилирования в передаче сигналов Notch». Текущие темы в биологии развития . 92 : 131–164. doi :10.1016/S0070-2153(10)92004-8. ISBN 9780123809148. PMID  20816394 . Получено 2 ноября 2020 г. .
  28. ^ abc Хидеюки, Такеучи (17 октября 2014 г.). «Значение гликозилирования в передаче сигналов Notch». Biochemical and Biophysical Research Communications . 453 (2): 235–42. doi :10.1016/j.bbrc.2014.05.115. PMC 4254162. PMID  24909690 . 
  29. ^ Jaeken J (2013). «Врожденные нарушения гликозилирования». Детская неврология, часть III . Справочник по клинической неврологии. Том 113. стр. 1737–43. doi :10.1016/B978-0-444-59565-2.00044-7. ISBN 9780444595652. PMID  23622397.
  30. ^ Хименес Мартинес, Мария дель Кармен (январь – март 2002 г.). «Альтерации гликосиласьона в человеческих объятиях». Rev Inst Nal Enf Resp Mex . 15 :39–47 . Проверено 2 ноября 2020 г.
  31. ^ S. Kane, Megan (4 февраля 2016 г.). «Митотическая внутригенная рекомбинация: механизм выживания при нескольких врожденных нарушениях гликозилирования». Американский журнал генетики человека . 98 (2): 339–46. doi :10.1016/j.ajhg.2015.12.007. PMC 4746335. PMID  26805780 . 
  32. ^ Razaghi A, Villacrés C, Jung V, Mashkour N, Butler M, Owens L, Heimann K (октябрь 2017 г.). «Улучшенная терапевтическая эффективность экспрессированного млекопитающими рекомбинантного интерферона гамма против клеток рака яичников». Experimental Cell Research . 359 (1): 20–29. doi :10.1016/j.yexcr.2017.08.014. PMID  28803068. S2CID  12800448.

Внешние ссылки