健康与疾病中的糖基化

蛋白质是生命活动的执行者。在蛋白质的研究过程中,研究人员发现蛋白质有许多修饰。在这些修饰中,糖基化修饰非常普遍,迄今为止发现的蛋白质中有50%以上有糖基化修饰。聚糖是糖蛋白的糖组成部分,包括糖基和各种类型的分支结构,由各种糖组成,如葡萄糖、半乳糖、甘露糖和鼠李糖。多糖通过特定氨基酸残基上的氧与蛋白质连接来完成蛋白质的糖基化修饰。

生理过程中的糖基化

糖基化存在于生命活动中许多重要的蛋白质中,包括染色质蛋白质、核孔蛋白、RNA聚合酶II、转录因子、蛋白质翻译调节子等,涉及细胞免疫和蛋白质翻译调节、蛋白质降解以及许多其他生物学过程。例如,MHCI(major histocompatibility complex class I,主要组织相容性复合体i)需要借助与天冬酰胺残基连接的聚糖与内质网分子伴侣钙粘蛋白相互作用,从而完成与钙粘蛋白捕获的二硫醇氧化酶ERp57的结合,完成二硫键的形成。另一个例子是被O-GlcNAc糖基化的蛋白质将阻止其自身的磷酸化,使其处于相对稳定的状态,防止蛋白质降解。

疾病中发生的糖基化

糖基化异常与疾病密切相关。例如,在II型糖尿病中,高血糖症可导致异常的O-GlcNAc修饰,导致细胞对信号的敏感性降低,胰岛素受体底物减少以及胰岛素无法消耗大量葡萄糖。第一个确认与糖基化有关的疾病是细胞内含物病,其致病机理是N-糖链无法被甘露糖-6-磷酸进一步修饰,使蛋白质分解代谢紊乱并引起贮积症。对于由异常糖基化引起的疾病,一些糖基化抑制剂已被用于疾病治疗的研究中。如α-葡萄糖苷酶等抑制剂被用于糖尿病的临床试验;N-丁基-1-脱氧野尻霉素和O-丁基-1-脱氧野尻霉素被用于HIV的临床试验。

糖基化类型及修饰机理

O-糖基化:O-糖基化发生在脯氨酸附近的丝氨酸或苏氨酸残基上,尚未发现特定的糖基化序列。O-糖基化主要是通过逐渐添加单糖形成寡糖,也有仅连接单糖的情况。通过O-糖基化形成的聚糖没有糖基,碳骨架上有一个或没有分支。

N-糖基化:N-糖基化发生在天冬酰胺侧链的酰胺氮上。动物细胞中几乎所有此类糖基化修饰均为GlcNAc,且均为β构型。N-糖基化存在于Asn-Xaa-Ser/Thr/Cys的氨基酸序列上,其中Xaa可以是除Pro以外的任何氨基酸。通过N-糖基化形成的聚糖有一个糖基,有多个分支。

C-糖基化:这种糖基化很少见,是甘露糖分子通过C-C键与色氨酸吲哚环第2位C连接,主要发生在W-X-X-W-W-X-X-C或W-X-X-F的第一个色氨酸残基上。

糖蛋白的研究方法

1. 糖基捕获:凝集素可特异性识别一种糖或多种糖来凝集糖蛋白,可用于获得粗糖蛋白。
2. 荧光染料:用荧光染料对蛋白质进行染色,通常与高通量二维凝胶电泳结合使用,可用于蛋白质发现和鉴定。
3. 液相色谱:通过SEC-HILIC-CapLC工作流程和其他技术分离糖蛋白,可用于构建三维液相糖谱以获得聚糖结构信息。
4. 质谱:通过质谱分析蛋白质骨架和糖骨架的断裂规律,可用于糖基化位点分析。
5. 核磁共振:通过原子能跃迁的变化,精确计算组成、环大小和异常碳构象等信息,可用于准确确认糖链结构。

参考文献
1. Turroni F, et al. Glycan Utilization and Cross-Feeding Activities by Bifidobacteria. Trends in Microbiology, 2018, 26(4).
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4. Li S, Yi L, et al. O-Glycosylation of EGF repeats: identification and initial characterization of a, UDP-glucose: protein O-glucosyltransferase. Glycobiology, 2002, 1(11).
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