N-bağlı glikosilasyon - N-linked glycosylation

Farklı türleri lipit bağlı oligosakkarit (LLO) farklı organizmalarda üretilen öncü.

Nbağlı glikosilasyon, bir eki oligosakkarit, birkaç şeker molekülünden oluşan bir karbonhidrat, bazen de glikan, bir nitrojen atomuna ( amide bir nitrojen kuşkonmaz (Asn) kalıntısı protein ), adı verilen bir süreçte N-glikosilasyon, okudu biyokimya.[1] Bu tür bir bağlantı, hem yapı için önemlidir.[2] ve işlev[3] bazı ökaryotik proteinler. Nbağlantılı glikosilasyon süreç içinde gerçekleşir ökaryotlar ve yaygın olarak Archaea ama çok nadiren bakteri. Nın doğası NBir glikoproteine ​​bağlanmış bağlı glikanlar, protein ve eksprese edildiği hücre tarafından belirlenir.[4] Ayrıca, Türler. Farklı türler, farklı türleri sentezler Nbağlı glikan.

Bağ oluşumunun enerjetiği

Bir glikoproteine ​​dahil olan iki tür bağ vardır: sakaritler glikandaki kalıntılar ve glikan zinciri ile protein molekülü arasındaki bağlantı.

Şeker Parçalar glikan zincirinde birbirine bağlı glikozidik bağlar. Bu bağlar tipik olarak arasında oluşur karbonlar Şeker moleküllerinin 1 ve 4'ü. Glikozidik bağ oluşumu enerjik olarak elverişsizdir, bu nedenle reaksiyon, hidroliz iki ATP moleküller.[4]

Öte yandan, bir glikan kalıntısının bir proteine ​​bağlanması, bir konsensüs dizisi. Nbağlantılı glikanlar hemen hemen her zaman azot Asn – X–'nin bir parçası olarak bulunan bir asparajin (Asn) yan zincirinin atomuSer /Thr konsensüs dizisi, burada X herhangi bir amino asittir. prolin (Pro).[4]

Hayvan hücrelerinde, asparajine bağlanan glikan neredeyse kaçınılmaz olarak N-asetilglukozamin Β-konfigürasyonunda (GlcNAc).[4] Bu p-bağlantısı, yukarıda tarif edildiği gibi glikan yapısındaki şeker kısımları arasındaki glikosidik bağa benzer. Bir şekere bağlı olmak yerine hidroksil grup, anomerik karbon atom bir amid nitrojene eklenir. Bu bağlantı için gereken enerji, hidroliz bir pirofosfat molekül.[4]

Biyosentez

Biyosentez yolu Nbağlı glikoproteinler: sentezi Nbağlı glikan endoplazmik retikulumda başlar, Golgi'de devam eder ve plazma zarında biter. Nbağlı glikoproteinler ya salgılanır ya da plazma membranına gömülür.

Biyosentezi Nbağlı glikanlar 3 ana adımda gerçekleşir:[4]

  1. Dolikol bağlantılı öncü oligosakkarit sentezi
  2. Öncü oligosakaritin proteine ​​blok halinde transferi
  3. Oligosakaritin işlenmesi

Prekürsörün sentezi, blok halinde transferi ve ilk kırpılması oligosakkarit oluşur endoplazmik retikulum (ER). Oligosakarit zincirinin müteakip işlenmesi ve modifikasyonu, Golgi cihazı.

Glikoproteinlerin sentezi böylece farklı hücresel bölmelerde uzamsal olarak ayrılır. Bu nedenle, türü N-glikan sentezlenir, bu hücresel bölmelerde bulunan farklı enzimlere erişilebilirliğine bağlıdır.

Ancak çeşitliliğe rağmen hepsi N-glikanlar, ortak bir çekirdek glikan yapısına sahip ortak bir yolla sentezlenir.[4]Çekirdek glikan yapısı esasen iki N-asetil glukozamin ve üç mannoz kalıntılar. Bu çekirdek glikan daha sonra ayrıntılandırılır ve daha fazla modifiye edilir, bu da çok çeşitli N-glikan yapıları.[4]

Öncü oligosakkarit sentezi

Süreci Nbağlı glikosilasyon, oluşumuyla başlar dolichol bağlı GlcNAc şeker. Dolichol bir lipit tekrardan oluşan molekül izopren birimleri. Bu molekül, ER'nin zarına bağlı olarak bulunur. Şeker molekülleri dolikole bir pirofosfat bağıyla bağlanır.[4] (bir fosfat başlangıçta dolikol ile bağlantılıydı ve ikinci fosfat nükleotid şeker). Oligosakarit zinciri daha sonra bir öncü oligosakarit oluşturmak için aşamalı bir şekilde çeşitli şeker moleküllerinin eklenmesiyle genişletilir.

Bu öncü oligosakaritin birleşmesi iki aşamada gerçekleşir: Faz I ve II.[4] Aşama I, sitoplazmik ER tarafı ve Faz II, lümen ER'nin tarafı.

Bir proteine ​​aktarılmaya hazır olan öncü molekül 2 GlcNAc, 9 mannoz ve 3 glikoz moleküller.

ER lümeninde öncü oligosakaritin adım adım sentezi sırasında Nbağlı glikosilasyon: diyagram, tabloda açıklandığı gibi hem Faz I hem de Faz II'de meydana gelen adımları gösterir.
Aşama I
Adımlar
yer
  • İki UDP-GlcNAc kalıntılar, ER membranına gömülü dolichol molekülüne eklenir. Şeker ve dolikol bir pirofosfat bağı oluşturur.
  • Beş GDP-Man kalıntılar GlcNAc'ye eklenir disakkarit Bu adımlar, glikosiltransferazlar.
  • Ürün: Dolichol - GlcNAc2 - Adam5
ER'nin sitoplazmik tarafı
Bu noktada, lipit bağlı glikan yeri değiştirilmiş zar boyunca, endoplazmik retikulum lümenindeki enzimler için erişilebilir olmasını sağlar. Bu translokasyon işlemi hala tam olarak anlaşılamamıştır, ancak şu adıyla bilinen bir enzim tarafından gerçekleştirilmesi önerilmektedir: flippase.
Aşama II
  • Büyüyen glikan, ER membranının lümen tarafında açığa çıkarılır ve ardından şekerler (4 mannoz ve 3 glikoz) eklenir. Dol-P-Man

Mannoz kalıntı donörüdür (formasyon: Dol-P + GDP-Man → Dol-P-Man + GDP) ve Dol-P-Gluc glikoz kalıntısı donörüdür (formasyon: Dol-P + UDP-Glc → Dol-P- Glc + UDP).

  • Bu ilave şekerler, dolikol molekülüne bağlanma ve ardından flippaz enzimi yardımıyla lümene translokasyon yoluyla ER'nin sitoplazmasından lümene taşınır. (Aynı anda birden fazla şekerin yerini değiştirmek için membrandaki çeşitli dolikoller kullanılır).
  • Ürün: Dolichol - GlcNAc2 - Adam9-Glc3
ER'nin lümen tarafı

Glikanın proteine ​​transferi

Öncü oligosakkarit oluşturulduktan sonra, tamamlanan glikan daha sonra ortaya çıkan polipeptid ER membranının lümeninde. Bu reaksiyon, dolikol-glikan molekülü arasındaki pirofosfat bağının bölünmesinden salınan enerji tarafından yönlendirilir.Bir glikanın yeni oluşan bir polipeptide aktarılmasından önce yerine getirilmesi gereken üç koşul vardır:[4]

  • Asparagin, belirli bir konsensüs dizisinde yer almalıdır. Birincil yapı (Asn – X – Ser veya Asn – X – Thr veya nadir durumlarda Asn – X – Cys).[5]
  • Asparagin, proteinin üç boyutlu yapısına uygun şekilde yerleştirilmelidir (Şekerler, polar moleküller ve bu nedenle proteinin yüzeyinde bulunan ve protein içine gömülmeyen asparajine bağlanması gerekir)
  • Asparagin, endoplazmik retikulumun lümen tarafında bulunmalıdır. Nbağlı glikosilasyon başlatılacaktır. Hedef kalıntılar ya salgı proteinlerinde ya da transmembran protein lümene bakan.

Oligosakariltransferaz konsensüs sekansının tanınmasından ve prekürsör glikanın endoplazmik retikulum lümeninde çevrilen bir polipeptit alıcısına transferinden sorumlu enzimdir. N-bağlantılı glikosilasyon, bu nedenle, bir eş-translasyonel olaydır

Glikanın işlenmesi

ER ve Golgi'de glikan işleme.

N-glikan işleme, endoplazmik retikulum ve Golgi gövdesinde gerçekleştirilir. Öncü molekülün ilk kırpılması ER'de gerçekleşir ve sonraki işlem Golgi'de gerçekleşir.

Tamamlanmış glikanın yeni oluşan polipeptide aktarılması üzerine, yapıdan iki glikoz kalıntısı çıkarılır. Glikosidazlar olarak bilinen enzimler, bazı şeker kalıntılarını giderir. Bu enzimler, bir su molekülü kullanarak glikosidik bağları kırabilir. Bu enzimler, yalnızca üzerinde çalıştıkları için ekzoglikozidazlardır. monosakkarit glikanın indirgeyici olmayan ucunda bulunan kalıntılar.[4] Bu ilk kırpma adımının, ER'de izlenecek bir kalite kontrol adımı görevi gördüğü düşünülmektedir. protein katlanması.

Protein doğru bir şekilde katlandıktan sonra, iki glikoz kalıntısı, glukozidaz I ve II. Nihai üçüncü glikoz kalıntısının çıkarılması, glikoproteinin ER'den ER'ye geçiş için hazır olduğunu gösterir. cis-Golgi.[4] . ER mannosidaz, bu son glikozun uzaklaştırılmasını katalize eder. Bununla birlikte, protein düzgün şekilde katlanmazsa, glikoz kalıntıları uzaklaştırılmaz ve bu nedenle glikoprotein, endoplazmik retikulumdan ayrılamaz. Bir refakatçi protein (kalneksin /kalretikülin ), protein katlanmasına yardımcı olmak için katlanmamış veya kısmen katlanmış proteine ​​bağlanır.

Bir sonraki adım, cis-Golgi'deki şeker kalıntılarının daha fazla eklenmesini ve çıkarılmasını içerir. Bu modifikasyonlar, sırasıyla glikosiltransferazlar ve glikosidazlar tarafından katalize edilir. İçinde cis-Golgi, bir dizi mannosidaz, a-1,2 bağlantılarındaki dört mannoz kalıntısının bir kısmını veya tamamını ortadan kaldırır.[4] Golgi'nin orta kısmında glikosiltransferazlar, çekirdek glikan yapısına şeker artıkları ekleyerek üç ana tip glikana yol açar: yüksek mannoz, hibrit ve kompleks glikanlar.

Üç ana glikan türü.
  • Yüksek mannoz, özünde, sadece iki N- pek çok mannoz kalıntısına sahip asetilglukosaminler, çoğunlukla hemen hemen proteine ​​bağlanmadan önce öncü oligosakaritlerde görüldüğü kadar fazladır.
  • Kompleks oligosakkaritler, orijinal ikisinden daha fazlasını içeren hemen hemen her sayıda diğer sakkarit türlerini içerebildikleri için bu şekilde adlandırılır N-asetilglukozaminler.
  • Hibrit oligosakkaritler, dalın bir tarafında mannoz kalıntısı içerirken, diğer tarafında bir N-asetilglukozamin, karmaşık bir dal başlatır.

Büyüyen glikan zincirlerine şekerlerin eklenme sırası, enzimlerin substrat özellikleri ve hareket ettikçe substrata erişimleri ile belirlenir. salgı yolu. Bu nedenle, bu makinenin bir hücre içindeki organizasyonu, hangi glikanların yapıldığını belirlemede önemli bir rol oynar.

Golgi'deki enzimler

Golgi enzimleri, çeşitli glikan türlerinin sentezini belirlemede anahtar rol oynar. Enzimlerin etki sırası, Golgi yığınındaki konumlarına yansır:

EnzimlerGolgi içindeki yer
Mannosidaz Icis-Golgi
GlcNAc transferazlarmedial Golgi
Galaktosiltransferaz ve Siyaliltransferaztrans-Golgi

Archaea ve prokaryotlarda

Benzer N-glikan biyosentez yolu prokaryotlarda ve Archaea'da bulunmuştur.[6] Bununla birlikte, ökaryotlarla karşılaştırıldığında, öbakteriler ve arkelerde son glikan yapısı, endoplazmik retikulumda yapılan ilk öncüden çok farklı görünmüyor. Ökaryotlarda, orijinal prekürsör oligosakarit, hücre yüzeyine giderken büyük ölçüde modifiye edilir.[4]

Fonksiyon

Nbağlı glikanlar, iç ve dış işlevlere sahiptir.[4]

Bağışıklık sistemi içinde NBir bağışıklık hücresinin yüzeyindeki bağlı glikanlar, hücrenin bu göç modelini, ör. Cilde göç eden bağışıklık hücreleri, o bölgeye yönelmeyi destekleyen özel glikosilasyonlara sahiptir.[7] IgE, IgM, IgD, IgA ve IgG dahil olmak üzere çeşitli immünoglobulinler üzerindeki glikosilasyon modelleri, Fc ve diğer immün reseptörlere olan afinitelerini değiştirerek onlara benzersiz efektör fonksiyonlar verir.[7] Glikanlar ayrıca çeşitli otoimmün hastalıkların patofizyolojisi ile ilgili olabilen "kendi kendine" ve "kendi kendine olmayan" ayrımcılığa dahil olabilir.[7]

İşlevleri Nbağlı glikanlar
İçsel
  1. Hücre duvarına ve hücre dışı matrise yapısal bileşenler sağlar.
  2. Stabilite ve çözünürlük gibi protein özelliklerini değiştirin[8] (yüksek sıcaklığa, pH'a vb. karşı daha kararlı).
Dışsal
  1. Glikoprotein kaçakçılığını yönlendirir.
  2. Hücre sinyalleşmesine aracılık eder (hücre-hücre ve hücre-matris etkileşimleri).

Klinik önemi

Değişiklikler Nbağlı glikosilasyon dahil olmak üzere farklı hastalıklarla ilişkilendirilmiştir romatizmal eklem iltihabı,[9] tip 1 diyabet,[10] Crohn hastalığı,[11] ve kanserler.[12][13]

İlgili on sekiz gendeki mutasyonlar N-bağlantılı glikosilasyon, birçoğu aşağıdakileri içeren çeşitli hastalıklarla sonuçlanır: gergin sistem.[3][13]

Terapötik proteinlerdeki önemi

Birçok tedavi edici piyasadaki proteinler antikorlar, hangileri Nbağlı glikoproteinler. Örneğin, Etanercept, Infliksimab ve Rituksimab vardır N- glikosile edilmiş terapötik proteinler.

İnsanlar ve hayvan hücreleri tarafından üretilen glikan arasındaki fark. İnsan hücrelerinde Neu5Gc kapağı yoktur.

Önemi Nbağlı glikosilasyon, alanında giderek daha belirgin hale geliyor ilaç.[14] Bakteriyel veya maya olmasına rağmen protein üretimi sistemler, yüksek verim ve düşük maliyet gibi önemli potansiyel avantajlara sahiptir, ilgilenilen protein bir glikoprotein olduğunda sorunlar ortaya çıkar. Çoğu prokaryotik ekspresyon sistemi E. coli yapamaz çeviri sonrası değişiklikler. Diğer yandan, maya ve hayvan hücreleri gibi ökaryotik ekspresyon konakçıları, farklı glikosilasyon modellerine sahiptir. Bu ifade konakçılarında üretilen proteinler genellikle insan proteini ile aynı değildir ve bu nedenle immünojenik hastalarda reaksiyonlar. Örneğin, S. cerevisiae (maya) genellikle immünojenik olan yüksek mannozlu glikanlar üretir.

İnsan olmayan memeli ifade sistemleri, örneğin CHO veya NS0 hücreleri karmaşık, insan tipi glikanlar eklemek için gerekli makineye sahip olmak. Bununla birlikte, bu sistemlerde üretilen glikanlar, insanlarda üretilen glikanlardan farklı olabilir, çünkü her ikisi ile de kapatılabilirler. N-glikolilnöraminik asit (Neu5Gc) ve N-asetilneuraminik asit (Neu5Ac), oysa insan hücreleri yalnızca aşağıdakileri içeren glikoproteinler üretir: N-asetilneuraminik asit. Ayrıca, hayvan hücreleri aynı zamanda aşağıdakileri içeren glikoproteinler üretebilir: galaktoz-alfa-1,3-galaktoz epitop, dahil olmak üzere ciddi alerjenik reaksiyonlara neden olabilir anafilaktik şok, sahip olan insanlarda Alfa gal alerjisi.

Bu dezavantajlar, bu glikan yapılarını üreten yolların genetik devre dışı bırakma yoluyla ortadan kaldırılması gibi çeşitli yaklaşımlarla ele alınmıştır. Ayrıca, diğer ekspresyon sistemleri, insan benzeri terapötik glikoproteinler üretmek için genetik olarak tasarlanmıştır. Nbağlı glikanlar. Bunlara aşağıdakiler gibi mayalar dahildir: Pichia pastoris,[15] böcek hücre hatları, yeşil bitkiler,[16] ve hatta bakteriler.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ "Glikosilasyon". UniProt: Protein dizisi ve fonksiyonel bilgiler.
  2. ^ Imperiali B, O'Connor SE (Aralık 1999). "Etkisi Nglikopeptid ve glikoprotein yapısı üzerinde bağlı glikosilasyon ". Kimyasal Biyolojide Güncel Görüş. 3 (6): 643–9. doi:10.1016 / S1367-5931 (99) 00021-6. PMID  10600722.
  3. ^ a b Patterson MC (Eylül 2005). "Metabolik taklitler: rahatsızlıklar Nbağlı glikosilasyon ". Pediatrik Nörolojide Seminerler. 12 (3): 144–51. doi:10.1016 / j.spen.2005.10.002. PMID  16584073.
  4. ^ a b c d e f g h ben j k l m n Ö p Drickamer K, Taylor ME (2006). Glikobiyolojiye Giriş (2. baskı). Oxford University Press, ABD. ISBN  978-0-19-928278-4.
  5. ^ Mellquist JL, Kasturi L, Spitalnik SL, Shakin-Eshleman SH (Mayıs 1998). "Bir Asn – X – Ser / Thr dizisini izleyen amino asit, önemli bir belirleyicidir. Nbağlı çekirdek glikosilasyon etkinliği ". Biyokimya. 37 (19): 6833–7. doi:10.1021 / bi972217k. PMID  9578569.
  6. ^ Dell A, Galadari A, Sastre F, Hitchen P (2010). "Prokaryotlarda ve ökaryotlarda glikosilasyon mekanizmalarındaki benzerlikler ve farklılıklar". Uluslararası Mikrobiyoloji Dergisi. 2010: 1–14. doi:10.1155/2010/148178. PMC  3068309. PMID  21490701.
  7. ^ a b c Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, ve diğerleri. (Şubat 2015). "Bağışıklık sistemindeki glikanlar ve Değiştirilmiş Glikan Otoimmünite Teorisi: eleştirel bir inceleme". Otoimmünite Dergisi. 57 (6): 1–13. doi:10.1016 / j.jaut.2014.12.002. PMC  4340844. PMID  25578468.
  8. ^ Sinclair AM, Elliott S (Ağustos 2005). "Glikomühendislik: glikosilasyonun terapötik proteinlerin özellikleri üzerindeki etkisi". Farmasötik Bilimler Dergisi. 94 (8): 1626–35. doi:10.1002 / jps.20319. PMID  15959882.
  9. ^ Nakagawa H, Hato M, Takegawa Y, Deguchi K, Ito H, Takahata M, vd. (Haziran 2007). "Değiştirilmiş N- romatoid artrit hastalarından alınan tam serumdaki glikan profilleri ". Journal of Chromatography B. 853 (1–2): 133–7. doi:10.1016 / j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID  17392038.
  10. ^ Bermingham ML, Colombo M, McGurnaghan SJ, Blackbourn LA, Vučković F, Pučić Baković M, et al. (Ocak 2018). "N-Tip 1 Diyabette Glikan Profili ve Böbrek Hastalığı ". Diyabet bakımı. 41 (1): 79–87. doi:10.2337 / dc17-1042. PMID  29146600.
  11. ^ Trbojević Akmačić I, Ventham NT, Theodoratou E, Vučković F, Kennedy NA, Krištić J, ve diğerleri. (Haziran 2015). "İnflamatuar bağırsak hastalığı, immünoglobulin G glikolinin proinflamatuar potansiyeli ile ilişkilidir". İnflamatuvar Bağırsak Hastalıkları. 21 (6): 1237–47. doi:10.1097 / MIB.0000000000000372. PMC  4450892. PMID  25895110.
  12. ^ Kodar K, Stadlmann J, Klaamas K, Sergeyev B, Kurtenkov O (Ocak 2012). "İmmünoglobulin G Fc N- LC-ESI-MS ile mide kanseri olan hastalarda glikan profili: tümör ilerlemesi ve hayatta kalma ile ilişki ". Glikokonjugat Dergisi. 29 (1): 57–66. doi:10.1007 / s10719-011-9364-z. PMID  22179780.
  13. ^ a b Chen G, Wang Y, Qin X, Li H, Guo Y, Wang Y, vd. (Ağustos 2013). "IgG1 Fc'deki Değişim Ninsan akciğer kanserinde bağlı glikosilasyon: yaşa ve cinsiyete bağlı teşhis potansiyeli ". Elektroforez. 34 (16): 2407–16. doi:10.1002 / elps.201200455. PMID  23766031.
  14. ^ Dalziel M, Crispin M, Scanlan CN, Zitzmann N, Dwek RA (Ocak 2014). "Glikosilasyonun terapötik kullanımı için ortaya çıkan ilkeler". Bilim. 343 (6166): 1235681. doi:10.1126 / science.1235681. PMID  24385630.
  15. ^ Hamilton SR, Bobrowicz P, Bobrowicz B, Davidson RC, Li H, Mitchell T, ve diğerleri. (Ağustos 2003). Mayada "karmaşık insan glikoproteinlerinin üretimi". Bilim. 301 (5637): 1244–6. doi:10.1126 / science.1088166. PMID  12947202.
  16. ^ Strasser R, Altmann F, Steinkellner H (Aralık 2014). "Bitkilerden üretilen rekombinant proteinlerin kontrollü glikosilasyonu". Biyoteknolojide Güncel Görüş. 30: 95–100. doi:10.1016 / j.copbio.2014.06.008. PMID  25000187.

Dış bağlantılar