Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гликозилирование (см. Также химическое гликозилирование ) - это реакция, в которой углевод , то есть донор гликозила , присоединяется к гидроксильной или другой функциональной группе другой молекулы ( акцептору гликозила ). В биологии гликозилирование в основном относится, в частности, к ферментативному процессу, который связывает гликаны с белками или другими органическими молекулами , но на самом деле эта химическая реакция также может быть неферментативной. Ферментативный процесс производит один из основных биополимеров, обнаруженных в клетках (наряду с ДНК , РНК и белками).). Гликозилирование - это форма ко-трансляционной и пост-трансляционной модификации . Гликаны выполняют различные структурные и функциональные роли в мембранных и секретируемых белках. [1] Большинство белков, синтезируемых в грубой эндоплазматической сети, подвергаются гликозилированию. Это сайт-специфический процесс, управляемый ферментами , в отличие от неферментативной химической реакции гликирования . Гликозилирование также присутствует в цитоплазме и ядре в виде модификации O -GlcNAc . Агликозилирование - это особенность сконструированных антител для обхода гликозилирования. [2] [3] Производятся пять классов гликанов:

Цель [ править ]

Гликозилирования представляет собой процесс , посредством которого углевод является ковалентно присоединен к целевой макромолекулы , обычно белки и липиды . Эта модификация выполняет различные функции. [4] Например, некоторые белки не сворачиваются правильно, если они не гликозилированы. [1] В других случаях белки нестабильны, если они не содержат олигосахариды, связанные амидным азотом некоторых остатков аспарагина . Влияние гликозилирования на фолдинг и стабильность гликопротеинадвоякий. Во-первых, хорошо растворимые гликаны могут оказывать прямое физико-химическое стабилизирующее действие. Во-вторых, N- связанные гликаны опосредуют критическую контрольную точку качества при сворачивании гликопротеинов в эндоплазматическом ретикулуме. [5] Гликозилирование также играет роль в межклеточной адгезии (механизм, используемый клетками иммунной системы ) посредством связывающих сахар белков, называемых лектинами , которые распознают определенные углеводные фрагменты. [1] Гликозилирование является важным параметром в оптимизации многих препаратов на основе гликопротеинов, таких как моноклональные антитела . [5] Гликозилирование также лежит в основе группы крови ABO.система. Наличие или отсутствие гликозилтрансфераз определяет, какие антигены группы крови представлены и, следовательно, какие специфические антитела проявляются. Эта иммунологическая роль вполне могла привести к диверсификации гетерогенности гликанов и создать барьер для зоонозной передачи вирусов. [6] Кроме того, гликозилирование часто используется вирусами для защиты лежащего в основе вирусного белка от иммунного распознавания. Ярким примером является плотный гликановый экран шипа оболочки вируса иммунодефицита человека . [7]

В целом, гликозилирование необходимо понимать с помощью вероятного давления эволюционного отбора, которое его сформировало. В одной модели диверсификацию можно рассматривать исключительно как результат эндогенной функциональности (такой как перенос клеток ). Однако более вероятно, что диверсификация обусловлена ​​уклонением от механизма инфицирования патогеном (например, прикреплением Helicobacter к концевым остаткам сахарида) и что разнообразие в многоклеточном организме затем используется эндогенно.

Разнообразие гликопротеинов [ править ]

Гликозилирование увеличивает разнообразие протеома , потому что почти каждый аспект гликозилирования может быть изменен, включая:

  • Гликозидная связь - сайт гликановой связи
  • Состав гликанов - типы сахаров, которые связаны с данным белком.
  • Структура гликана - могут быть неразветвленные или разветвленные цепи сахаров.
  • Длина гликана - олигосахариды с короткой или длинной цепью

Механизмы [ править ]

Существуют различные механизмы гликозилирования, хотя большинство из них имеют несколько общих черт: [1]

  • Гликозилирование, в отличие от гликирования , - это ферментативный процесс. В самом деле, гликозилирование считается наиболее сложной посттрансляционной модификацией из-за большого количества вовлеченных ферментативных стадий. [8]
  • Молекула-донор часто представляет собой активированный нуклеотидный сахар .
  • Процесс не является шаблонным (в отличие от транскрипции ДНК или трансляции белков ); вместо этого клетка полагается на сегрегацию ферментов в разные клеточные компартменты (например, эндоплазматический ретикулум , цистерны в аппарате Гольджи ). Следовательно, гликозилирование - это сайт-специфическая модификация.

Типы [ править ]

N- связанное гликозилирование [ править ]

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 эндоплазматической сети и широко у архей , но очень редко у бактерий . Помимо своей функции в сворачивании белка и прикреплении к клетке, N- связанные гликаны белка могут модулировать функцию белка, в некоторых случаях действуя как переключатель включения / выключения.

О- связанное гликозилирование [ править ]

О -связанной гликозилирования представляет собой форму гликозилирования , что происходит в эукариот в аппарате Гольджи , [9] , но также происходит в архей и бактерий .

Гликозилирование фосфосерина [ править ]

Ксилоза , фукоза , манноза и GlcNAc фосфосерина гликаны были описаны в литературе. Фукоза и GlcNAc были обнаружены только в Dictyostelium discoideum , манноза в Leishmania mexicana и ксилоза в Trypanosoma cruzi . Манноза недавно была обнаружена у позвоночного, мыши, Mus musculus , на рецепторе ламинина альфа-дистрогликана 4 на клеточной поверхности . Было высказано предположение, что это редкое открытие может быть связано с тем фактом, что альфа-дистрогликан высоко консервативен от низших позвоночных до млекопитающих. [10]

C -маннозилирование [ править ]

Молекула маннозы присоединена к C2 первого триптофана последовательности

Манноза сахара добавляется к первому триптофан остатка в последовательности W-X-X-W (W обозначает триптофан, Х представляет собой любую аминокислоту). CC связь образуется между первым углеродом альфа-маннозы и вторым атомом углерода триптофана. [11] Однако не все последовательности, имеющие этот паттерн, маннозилированы. Было установлено, что на самом деле только две трети являются такими и что существует явное предпочтение, чтобы вторая аминокислота была одной из полярных (Ser, Ala , Glyи Thr) для того, чтобы произошло маннозилирование. Недавно произошел прорыв в технике предсказания того, будет ли последовательность иметь сайт маннозилирования, который обеспечивает точность 93% по сравнению с точностью 67%, если мы просто рассматриваем мотив WXXW. [12]

Тромбоспондины - один из белков, наиболее часто модифицируемых таким образом. Тем не менее, есть еще одна группа белков , которые претерпевают C -mannosylation, типа I рецепторов цитокинов . [13] C- маннозилирование необычно, потому что 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 - структура человеческого компонента комплемента 8. [14] В настоящее время установлено, что 18% секретируемых и трансмембранных белков человека подвергаются процессу C-маннозилирования. [12]Многочисленные исследования показали , что этот процесс играет важную роль в секреции Trombospondin 1 -го типа , содержащих белки , которые удерживаются в эндоплазматической сети , если они не подвергаются C-mannosylation [12] Это объясняет , почему тип рецепторов цитокинов , рецепторов эритропоэтина оставались в эндоплазматическом ретикулуме, если в нем отсутствуют сайты C-маннозилирования. [15]

Формирование якорей GPI (глипиация) [ править ]

Глипиация - это особая форма гликозилирования, при которой образуется якорь GPI . В этом виде гликозилирования белок присоединяется к липидному якору через гликановую цепь. (См. Также пренилирование .)

Химическое гликозилирование [ править ]

Гликозилирование также можно осуществить с помощью инструментов синтетической органической химии . В отличие от биохимических процессов, синтетическая гликохимия в значительной степени полагается на защитные группы [16] (например, 4,6- O- бензилиден) для достижения желаемой региоселективности. Другой проблемой химического гликозилирования является стереоселективность, заключающаяся в том, что каждая гликозидная связь имеет два стерео-результата, α / β или цис / транс . Как правило, синтез α- или цис- гликозидов сложнее. [17] Были разработаны новые методы, основанные на участии растворителя или образовании бициклических ионов сульфония в качестве хирально-вспомогательных групп. [18]

Неферментативное гликозилирование [ править ]

Неферментативное гликозилирование также известно как гликирование или неферментативное гликозилирование . Это спонтанная реакция и тип посттрансляционной модификации белков, что означает изменение их структуры и биологической активности. Это ковалентное соединение между карбонильной группой восстанавливающего сахара (в основном глюкозы и фруктозы) и аминокислотной боковой цепью белка. В этом процессе вмешательство фермента не требуется. Это происходит поперек и вблизи водных каналов и выступающих канальцев. [19]

Сначала в результате реакции образуются временные молекулы, которые позже претерпевают различные реакции ( перегруппировки Амадори , реакции основания Шиффа, реакции Майяра , сшивки ...) и образуют постоянные остатки, известные как конечные продукты улучшенного гликирования (AGE).

AGE накапливаются в долгоживущих внеклеточных белках, таких как коллаген [20], который является наиболее гликированным и структурно многочисленным белком, особенно у людей. Кроме того, некоторые исследования показали, что лизин может вызывать спонтанное неферментативное гликозилирование. [21]

Роль ВОЗРАСТА [ править ]

AGE несут ответственность за многие вещи. Эти молекулы играют важную роль, особенно в питании, они отвечают за коричневатый цвет, а также за аромат и вкус некоторых продуктов. Показано, что приготовление при высокой температуре приводит к получению различных пищевых продуктов с высоким уровнем AGE. [22]

Повышенный уровень AGE в организме напрямую влияет на развитие многих заболеваний. Это имеет прямое влияние на сахарный диабет 2 типа, который может привести ко многим осложнениям, таким как катаракта , почечная недостаточность , повреждение сердца ... [23] И, если они присутствуют на пониженном уровне, снижается эластичность кожи, что является важный симптом старения. [20]

Они также являются предшественниками многих гормонов и регулируют и модифицируют свои рецепторные механизмы на уровне ДНК . [20]

Дегликозилирование [ править ]

Существуют разные ферменты, которые удаляют гликаны из белков или какую-то часть сахарной цепи.

  • α2-3,6,8,9-нейраминидаза (из Arthrobacter ureafaciens ): расщепляет все невосстанавливающие концевые разветвленные и неразветвленные сиаловые кислоты .
  • β1,4-Галактозидаза (из Streptococcus pneumoniae ): высвобождает только β1,4-связанную невосстанавливающую терминальную галактозу из сложных углеводов и гликопротеинов .
  • β- N- ацетилглюкозаминидаза (из Streptococcus pneumoniae): отщепляет все невосстанавливающие концевые β-связанные остатки N-ацетилглюкозамина из сложных углеводов и гликопротеинов.
  • эндо -α- N -Acetylgalactosaminidase ( O -glycosidase от Пневмококка ): удаляет O -glycosylation. Этот фермент расщепляетнезамещенный Galβ1,3GalNAc, связанный с серином или треонином.
  • PNGase F : расщепляет олигосахариды, связанные с аспарагином, если α1,3-ядро не фукозилировано.

Регулирование передачи сигналов Notch [ править ]

Передача сигналов Notch - это путь передачи сигналов клеток, роль которого, среди многих других, заключается в контроле процесса дифференцировки клеток в эквивалентных клетках-предшественниках . [24] Это означает, что он имеет решающее значение для эмбрионального развития до такой степени, что было протестировано на мышах, что удаление гликанов в белках Notch может привести к гибели эмбриона или порокам развития жизненно важных органов, таких как сердце. [25]

Некоторые из специфических модуляторов, которые контролируют этот процесс, - это гликозилтрансферазы, расположенные в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи . [26] Белки Notch проходят через эти органеллы в процессе созревания и могут подвергаться различным типам гликозилирования: N-связанное гликозилирование и O-связанное гликозилирование (более конкретно: O-связанная глюкоза и O-связанная фукоза). [24]

Все белки Notch модифицированы O-фукозой, потому что они имеют общую черту: консенсусные последовательности O-фукозилирования . [24] Одним из модуляторов, которые вмешиваются в этот процесс, является Fringe, гликозилтрансфераза, которая модифицирует O-фукозу для активации или деактивации частей передачи сигналов, действуя как положительный или отрицательный регулятор соответственно. [26]

Клинический [ править ]

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

  • Врожденные изменения: у людей зарегистрировано более 40 врожденных нарушений гликозилирования (CGD). [27] Их можно разделить на четыре группы: нарушения N- гликозилирования белка , нарушения O- гликозилирования белка , нарушения гликозилирования липидов и нарушения других путей гликозилирования и множественных путей гликозилирования. Эффективное лечение любого из этих расстройств неизвестно. 80% из них влияют на нервную систему. [ необходима цитата ]
  • Приобретенные изменения: во второй группе основными расстройствами являются инфекционные заболевания, аутоиммунные заболевания или рак . В этих случаях изменения гликозилирования являются причиной определенных биологических событий. Например, при ревматоидном артрите (РА) организм пациента вырабатывает антитела против фермента лимфоцитов галактозилтрансферазы, который ингибирует гликозилирование IgG. Следовательно, изменения в N-гликозилировании вызывают иммунодефицит, связанный с этим заболеванием. В этой второй группе мы также можем найти нарушения, вызванные мутациями ферментов, контролирующих гликозилирование белков Notch, такие как синдром Аладжиля . [26]
  • Неферментативные приобретенные изменения: неферментативные нарушения также приобретаются, но они происходят из-за отсутствия ферментов, которые прикрепляют олигосахариды к белку. Среди болезней этой группы выделяются болезнь Альцгеймера и диабет . [28]

Все эти заболевания сложно диагностировать, потому что они поражают не только один орган, но и многие из них, причем по-разному. Как следствие, их также трудно лечить. Однако, благодаря многим достижениям в области секвенирования следующего поколения , ученые теперь могут лучше понять эти нарушения и открыли новые CDG.[29]

Влияние на терапевтическую эффективность [ править ]

Сообщалось, что гликозилирование у млекопитающих может улучшить терапевтическую эффективность биотерапевтических средств . Например, терапевтическая эффективность рекомбинантного гамма-интерферона человека , экспрессированного на платформе HEK 293 , была улучшена в отношении линий клеток рака яичников, устойчивых к лекарствам . [30]

См. Также [ править ]

  • Конечный продукт с улучшенным гликированием
  • Химическое гликозилирование
  • Фукозилирование
  • Гликирование
  • Гликорандомизация

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Варки А, изд. (2009). Основы гликобиологии (2-е изд.). Пресса Лаборатории Колд Спринг Харбор. ISBN 978-0-87969-770-9.
  2. Jung ST, Kang TH, Kelton W, Georgiou G (декабрь 2011 г.). «Обход гликозилирования: разработка агликозилированных полноразмерных антител IgG для терапии человека». Текущее мнение в области биотехнологии . 22 (6): 858–67. DOI : 10.1016 / j.copbio.2011.03.002 . PMID 21420850 . 
  3. ^ «Трансгенные растения Nicotiana tabacum L. экспрессируют агликозилированные моноклональные антитела с противоопухолевой активностью» . Biotecnologia Aplicada . 2013.
  4. ^ Дрикамер K, Taylor ME (2006). Введение в гликобиологию (2-е изд.). Oxford University Press, США. ISBN 978-0-19-928278-4.
  5. ^ a b Далзил М., Криспин М., Сканлан К.Н., Зицманн Н., Двек Р.А. (январь 2014 г.). «Новые принципы терапевтического использования гликозилирования». Наука . 343 (6166): 1235681. DOI : 10.1126 / science.1235681 . PMID 24385630 . S2CID 206548002 .  
  6. ^ Криспин M, Харви DJ, Bitto D, Bonomelli C, M Edgeworth, Scrivens JH, Huiskonen JT, Bowden TA (март 2014). «Структурная пластичность гликома вируса леса Семлики при межвидовой передаче» . Журнал протеомных исследований . 13 (3): 1702–12. DOI : 10.1021 / pr401162k . PMC 4428802 . PMID 24467287 .  
  7. ^ Криспин M, Doores KJ (апрель 2015). «Нацеливание гликанов хозяина на вирусы с оболочкой для создания вакцины на основе антител» . Текущее мнение в вирусологии . Вирусный патогенез • Профилактические и лечебные вакцины. 11 : 63–9. DOI : 10.1016 / j.coviro.2015.02.002 . PMC 4827424 . PMID 25747313 .  
  8. Перейти ↑ Walsh C (2006). Посттрансляционная модификация белков: расширение инвентаря природы . Издательство Робертс и Ко, Энглвуд, Колорадо. ISBN 978-0974707730.
  9. ^ Flynne WG (2008). Биотехнология и биоинженерия . Nova Publishers. С. 45 и далее. ISBN 978-1-60456-067-1.
  10. ^ Yoshida-Moriguchi T, Ю.Л., Stalnaker SH, S Davis, Кунц S, M Madson, Олдстоун MB, Шехтер H, L Уэллс, Кэмпбелл К. (январь 2010). « O- маннозил-фосфорилирование альфа-дистрогликана необходимо для связывания ламинина» . Наука . 327 (5961): 88–92. Bibcode : 2010Sci ... 327 ... 88Y . DOI : 10.1126 / science.1180512 . PMC 2978000 . PMID 20044576 .  
  11. ^ Ихара, Йошито. «C-маннозилирование: модификация триптофана в клеточных белках». Гликонаука: биология и медицина .
  12. ^ a b c Юлениус, Карин (май 2007 г.). «NetCGlyc 1.0: предсказание сайтов C-маннозилирования у млекопитающих, К. Юлениус (2007)» . Гликобиология . 17 (8): 868–876. DOI : 10.1093 / glycob / cwm050 . PMID 17494086 . 
  13. ^ Александра, Щербакова. «C-маннозилирование поддерживает сворачивание и увеличивает стабильность тромбоспондиновых повторов» . Дата обращения 2 ноября 2020 .
  14. ^ Лавлейс LL, Cooper CL, Sodetz JM, Lebioda L (2011). «Структура человеческого белка C8 дает представление о механизме формирования пор мембраны комплементом» . J Biol Chem . 286 (20): 17585–92. DOI : 10.1074 / jbc.M111.219766 . PMC 3093833 . PMID 21454577 .  
  15. Йошимура (июнь 1992 г.). «Мутации в мотиве Trp-Ser-X-Trp-Ser рецептора эритропоэтина отменяют процессинг, связывание лиганда и активацию рецептора» . Журнал биологической химии . 267 (16): 11619–25. PMID 1317872 . 
  16. ^ Crich D (август 2010). «Механизм реакции химического гликозилирования». Счета химических исследований . 43 (8): 1144–53. DOI : 10.1021 / ar100035r . PMID 20496888 . 
  17. ^ Nigudkar С.С., Демченко А.В. (май 2015). « Цис- гликозилирование как движущая сила прогресса в химии синтетических углеводов» . Химическая наука . 6 (5): 2687–2704. DOI : 10.1039 / c5sc00280j . PMC 4465199 . PMID 26078847 .  
  18. 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 .  
  19. ^ Генле, Томас; Дуэраш, Аня; Вайц, Александр; Рак, Майкл; Моекель, Ульрике (1 ноября 2020 г.). «Реакции гликирования мицелл казеина». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 64 (14): 2953–2961. DOI : 10.1021 / acs.jafc.6b00472 . PMID 27018258 . 
  20. ^ a b c Бейнс, JW; Лима, М. (2013). Энциклопедия биологической химии . С. 405–411. ISBN 978-0-12-378631-9.
  21. ^ Świa̧tecka Д., Костыр, Х. и Святецкий, A. (2010), Влияние гликированных белков гороха на активности свободного плавания и иммобилизованные бактерий. J. Sci. Продовольственное сельское хозяйство., 90: 1837-1845. DOI: 10.1002 / jsfa.4022
  22. Перейти ↑ Gill V, Kumar V, Singh K, Kumar A, Kim JJ. Конечные продукты с улучшенным гликированием (AGE) могут быть разительной связью между современной диетой и здоровьем. Биомолекулы. 2019 17 декабря; 9 (12): 888. DOI: 10.3390 / biom9120888. PMID: 31861217; PMCID: PMC6995512.
  23. ^ Ансари Н.А., Рашид З. [Неферментативное гликирование белков: от диабета до рака]. Биомед Хим. 2010 март-апрель; 56 (2): 168-78. Русский. DOI: 10.18097 / pbmc20105602168. PMID: 21341505.
  24. ^ a b c Хейнс, Николь (октябрь 2003 г.). «Гликозилирование регулирует передачу сигналов Notch» . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 4 (10): 786–797. DOI : 10.1038 / nrm1228 . PMID 14570055 . S2CID 22917106 . Дата обращения 1 ноября 2020 .  
  25. ^ Стэнли, Памела; Окадзима, Тэцуя (2010). «Роли гликозилирования в передаче сигналов Notch» . Актуальные темы биологии развития . 92 : 131–164. DOI : 10.1016 / S0070-2153 (10) 92004-8 . ISBN 9780123809148. PMID  20816394 . Дата обращения 2 ноября 2020 .
  26. ^ a b c Хидеюки, Такеучи (17 октября 2014 г.). «Значение гликозилирования в передаче сигналов Notch» . Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 453 (2): 235–42. DOI : 10.1016 / j.bbrc.2014.05.115 . PMC 4254162 . PMID 24909690 . Дата обращения 2 ноября 2020 .  
  27. ^ Jaeken J (2013). «Врожденные нарушения гликозилирования». Детская неврология Часть III . Справочник по клинической неврологии . 113 . С. 1737–43. DOI : 10.1016 / B978-0-444-59565-2.00044-7 . ISBN 9780444595652. PMID  23622397 .
  28. Хименес Мартинес, Мария дель Кармен (январь – март 2002 г.). "Alteraciones de la glicosilación en enfermedades humanas" . Rev Inst Nal Enf Resp Mex . 15 : 39-47 . Дата обращения 2 ноября 2020 .
  29. ^ С. Кейн, Меган (4 февраля 2016 г.). «Митотическая интрагенная 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 . Дата обращения 1 ноября 2020 .  
  30. ^ Razaghi А, Villacrés С, Юнг В, Mashkour N, Батлера М, Оуэнс л, Heimann К (октябрь 2017 г.). «Повышенная терапевтическая эффективность экспрессированного рекомбинантного гамма-интерферона млекопитающих против клеток рака яичников». Экспериментальные исследования клеток . 359 (1): 20–29. DOI : 10.1016 / j.yexcr.2017.08.014 . PMID 28803068 . S2CID 12800448 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • GlycoEP  : платформа In silico для прогнозирования N- , O- и C- гликозитов в последовательностях эукариотических белков PLoS ONE 8 (6): e67008
  • Онлайн-учебник гликобиологии с разделами о гликозилировании
  • GlyProt: In-silico N -гликозилирование белков в сети [ постоянная мертвая ссылка ]
  • NetNGlyc: сервер NetNglyc предсказывает сайты N- гликозилирования в человеческих белках с использованием искусственных нейронных сетей, которые исследуют контекст последовательности секвонов Asn-Xaa-Ser / Thr.
  • Дополнительные материалы к книге «Сахарный код»
  • Дополнительная информация о гликозилировании и цифрах
  • Эмануал Маверакис; и другие. (2015). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликанов» . Журнал аутоиммунитета . 57 : 1–13. DOI : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC  4340844 . PMID  25578468 .