Кіріспе

Көмірсутек қалдықтарының субстрат молекуласына коваленттік байланысуы және одан әрі модификациялануы

Гликозилдеу – бұл көмірсутек (немесе "гликан"), яғни гликозил донорының, гликоконъюгат құру үшін басқа молекуланың гидроксил немесе басқа функционалдық тобына (гликозил акцепторына) қосылатын реакция. Биологияда (бірақ әрқашан химияда емес) гликозилдеу әдетте фермент катализдейтін реакцияны білдіреді, ал гликация (сондай-ақ "ферментсіз гликация" және "ферментсіз гликозилдеу") ферментсіз реакцияны білдіруі мүмкін. Гликозилдеу – котрансляциялық және посттрансляциялық модификацияның бір түрі. Гликандар мембраналық және секрецияланатын ақуыздардың әртүрлі құрылымдық және функционалдық рөлдерін атқарады. Эндоплазмалық ретикулумда синтезделген көптеген ақуыздар гликозилдеуге ұшырайды. Гликозилдеу цитоплазмада және ядрода O GlcNAc модификациясы түрінде де кездеседі. Агликозилдеу – гликозилдеуді айналып өту үшін жасалған антиденелердің бір ерекшелігі. Гликандардың бес класы өндіріледі: аспарагин немесе аргининнің азоттық тізбектеріне байланысқан N-байланысты гликандар. N-байланысты гликозилдеу үшін долихол фосфаты деп аталатын арнайы липидтің қатысуы қажет. O-байланысты гликандар серин, треонин, тирозин, гидроксилизин немесе гидроксипролиннің гидроксилдік оттегіне немесе керамид сияқты липидтердегі оттегілерге байланысады. Фосфогликандар фосфосериннің фосфаты арқылы байланысады. С-байланысты гликандар – триптофанның жақ тізбегіндегі көміртекке қант қосылатын гликозилдеудің сирек түрі. Алоин – табиғатта кездесетін сирек заттардың бірі. Глипиляция – гликан байланыстары арқылы ақуыздарды липидтерге байланыстыратын GPI якорын қосу.

Мақсаты

Гликозилдеу – көмірсутектің мақсатты макромолекулаға, әдетте ақуыздар мен липидтерге ковалентті байланысу процесі. Бұл модификация түрлі функцияларды атқарады. Мысалы, кейбір ақуыздар гликозилденбесе дұрыс бүктеле алмайды. Гликозилдеу сондай-ақ жасушалардың бір-біріне жабысуында (иммундық жүйенің жасушалары қолданатын механизм) қант байланыстыратын ақуыздар – лектиндер арқылы рөл атқарады, олар белгілі бір көмірсутек фрагменттерін таниды. Бұдан өзге, вирустар гликозилдеуді өздерінің вирустық ақуыздарын иммундық танудан қорғау үшін жиі пайдаланады. Соның бір мысалы – адам иммуножеткіліксіздік вирусының қабықша тікұшағының тығыз гликандық қалқаны. Жалпы, гликозилдеуді оны қалыптастырған эволюциялық таңдау қысымдары арқылы түсіну қажет. Бір модельде әртараптандыруды тек ендогендік функциялардың (мысалы, жасуша ішіндегі тасымалдау) нәтижесі деп қарастыруға болады. Дегенмен, әртараптандыру патогендердің инфекциялау механизмінен (мысалы, Helicobacter-дің терминалды сахарид қалдықтарына жабысуы) қашу арқылы жүзеге асырылатыны және көпжасушалы организмдегі әртараптандыру ендогендік түрде пайдаланылатыны ықтимал. Гликозилдеу сонымен қатар ақуыздардың термодинамикалық және кинетикалық тұрақтылығын модуляциялай алады.

N-байланысты гликозилдеу

N-байланысты гликозилдеу – гликозилдеудің өте кең таралған түрі және көптеген эукариоттық гликопротеиндердің дұрыс бүгілуіне, сондай-ақ жасушалардың бір-біріне және жасушалардың жасушадан тыс матрицаға байланысуына маңызды. N-байланысты гликозилдеу процесі эукариоттарда эндоплазмалық тордың люменінде және археяларда кеңінен, бірақ бактерияларда өте сирек жүзеге асады. Ақуыздың дұрыс бүгілуіне және жасушалық байланысына қоса, ақуыздың N-байланысты гликандары оның қызметін өзгерте алады, кейбір жағдайларда оны қосу/өшіру механизмі ретінде қолданады.

О-байланысты гликозилдеу

О-жұмбалы гликозилдеу – эукариоттардың Гольджи аппаратында, сондай-ақ археялар мен бактерияларда кездесетін гликозилдеу түрі.

Фосфосеринді гликозилдеу

Кітапта ксилоза, фукоза, манноза және GlcNAc фосфосерин гликандарының кездесуі туралы хабарланған. Фукоза мен GlcNAc тек Dictyostelium discoideum-да, манноза Leishmania mexicana-да, ал ксилоза Trypanosoma cruzi-де ғана табылған. Жақында маннозаның омыртқалы жануарда, егеуқұйрықта (Mus musculus) жасуша бетіндегі ламинин рецепторы – альфа-дистрогликан4 арқылы кездесетіні анықталды. Бұл сирек кездесетін жағдайдың альфа-дистрогликанның төменгі омыртқалылардан сүтқоректілерге дейін жоғары сақталғандығымен байланысты болуы мүмкін деп есептеледі.

С-маннозилирлеу

W–X–X–W тізбегіндегі бірінші триптофан қалдығына манноза қанты қосылады (W – триптофанды, X – кез келген аминқышқылыны білдіреді). Альфа-маннозаның бірінші көміртегі мен триптофанның екінші көміртегі арасында С–С байланысы қалыптасады. Дегенмен, осы үлгідегі барлық тізбектер маннозилануға ұшырамайды. Шындығында, олардың үштен екісі ғана маннозилануға ұшырайды және маннозиланудың жүзеге асуы үшін екінші аминқышқылының полярлы (Ser, Ala, Gly және Thr) болуына қатысты айқын басымдық бар екендігі анықталды. Жақында WXXW мотивін қарастырғанда 67% дәлдікке қарсы 93% дәлдікпен маннозилану орнының болуын немесе болмауын болжау техникасында үлкен жетістікке қол жеткізілді. С-маннозилану ерекше, себебі қант азот немесе оттегі сияқты реакцияға қабілетті атомға емес, көміртекке байланысады. 2011 жылы осы типтегі гликозилануды қамтитын белоктың алғашқы кристалдық құрылымы анықталды – адамның толықтыру жүйесінің 8-компоненті. Қазіргі таңдағы зерттеулерге сәйкес, адам ақуыздарының 18%-ы, секрецияланатын және трансмембраналық ақуыздар С-маннозилану процесіне ұшырайды. Көптеген зерттеулер бұл процестің Тромбоспондин 1 типін қамтитын ақуыздардың секрециясында маңызды рөл атқаратынын көрсетті, олар С-маннозилануға ұшырамаса эндоплазмалық ретикулумда сақталады.

GPI бекітпелерінің қалыптасуы (глипиация)

Глипиация - ГПИ анкерінің қалыптасуын қамтитын гликозиляцияның ерекше түрі. Бұл түрдегі гликозилдеуде ақуыз гликан тізбегі арқылы липидтік бекіткішке қосылады. (Пренелицияны да қараңыз).

Химиялық гликозилдеу

Гликозилдеу синтетикалық органикалық химия құралдарын қолдану арқылы да жүзеге асырылуы мүмкін. Биохимиялық процестерден өзгеше, синтетикалық гликохимия қалаған аймақтық таңдауға қол жеткізу үшін қорғағыш топтарға (мысалы, 4,6 O бензилиден) көп көлегенде сүйенеді. Химиялық гликозилдеудің тағы бір қиындығы – әр гликозидтік байланыстың α/β немесе цис/транс екі стерео нәтижеге ие болуы. Әдетте, α немесе цис гликозидін синтездеу қиынға соғады. Еріткіш қатысуы немесе бициклдік сульфоний иондарының хиральды көмекші топтар ретінде түзілуі негізінде жаңа әдістер әзірленді.

Энзимдік емес гликозилдеу

Энзимдік емес гликозилдеу гликация немесе ферменттік емес гликоз деп те аталады. Бұл спонтанды реакция және белоктардың трансляциядан кейінгі модификациясының бір түрі, яғни ол олардың құрылымын және биологиялық белсенділігін өзгертеді. Бұл редукциялық қанттың (көбінесе глюкоза мен фруктозаның) карбонил тобы мен ақуыздың аминқышқылдық тізбегі арасындағы коваленттік байланыс. Бұл процесте ферменттің қатысуы қажет емес. Ол су арналарының және прототрубкалардың бойымен және оларға жақын жерлерде жүзеге асады. Біріншіден, реакция уақытша молекулаларды құрайды, кейіннен олар әртүрлі реакцияларға (Амадори қайта құрылымдалуы, Шифф базаларының реакциялары, Майяр реакциялары, кросс-байланыстар) түсіп, Аванстық Гликацияның соңғы өнімдері (AGE) деп аталатын тұрақты қалдықтарды жасайды. AGE-лер, әсіресе адамдарда, коллаген сияқты ұзақ өмір сүретін жасушадан тыс белоктарда жинақталады, ол ең көп гликоздалған және құрылымдық тұрғыдан кең таралған ақуыз болып табылады. Сондай-ақ, кейбір зерттеулер лизиннің спонтанды энзимдік емес гликозилдеуді тудыруы мүмкін екенін көрсетті.

АГЭ-нің рөлі

АЙГЕ көптеген нәрселерге жауапты. Бұл молекулалар, әсіресе тамақтануда маңызды рөл атқарады, олар кейбір тағамдардың қоңыр түсіне, хош иісіне және дәміне жауап береді. Жоғары температурада пісіру нәтижесінде әртүрлі тағамдарда АЙГЕ деңгейінің жоғары екендігі дәлелденді. Ағзадағы АЙГЕ деңгейінің артуы көптеген аурулардың дамуына тікелей әсер етеді. Бұл 2-ші типті қант диабетіне тікелей қатысты, ол катаракта, бүйрек жеткіліксіздігі, жүрек зақымдануы сияқты көптеген асқынуларға әкелуі мүмкін. Ал деңгейі төмен болса, терінің серпімділігі төмендейді, бұл қартаюдың маңызды белгісі. Бұл процесті басқаратын нақты модуляторлар – эндоплазмалық ретикулумда және Гольги аппаратында орналасқан гликозилтрансферазалар. Бұл процеске қатысатын модуляторлардың бірі – Фринж, ол O-фукозаны өзгерту арқылы сигнал берудің бөліктерін белсенді немесе белсендісіз етуге мүмкіндік береді, тиісінше оң немесе теріс реттеуші ретінде әрекет етеді. Оларды төрт топқа бөлуге болады: протеиннің N-гликозиляциясының бұзылуы, протеиннің O-гликозиляциясының бұзылуы, липидтердің гликозиляциясының бұзылуы және басқа гликозиляция жолдарының, сондай-ақ бірнеше гликозиляция жолдарының бұзылуы. Бұл бұзылулардың ешқайсысын емдеудің тиімді жолы белгілі емес. Олардың 80%-ы жүйке жүйесіне әсер етеді. Жұмылдырылған өзгерістер: Бұл екінші топта жұқпалы аурулар, аутоиммундық аурулар немесе қатерлі ісіктер басты рөлде. Мұндай жағдайларда гликозиляциядағы өзгерістер белгілі бір биологиялық процестердің себебі болады. Мысалы, ревматоидты артритте (РА) науқастың денесі лимфоциттердің галактозилтрансфераза ферментіне қарсы антиденелерді өндіреді, бұл IgG гликозиляциясын тежейді. Сондықтан N-гликозиляциядағы өзгерістер осы ауруға тән иммуножеткіліксіздікті тудырады. Бұл екінші топта Notch ақуыздарының гликозиляциясын басқаратын ферменттердегі мутацияларға байланысты туындайтын ауруларды да кездестіруге болады, мысалы, Алагиль синдромы. Ферменттік емес жұмылдырылған өзгерістер: Ферменттік емес бұзылулар да жұмылдырылады, бірақ олар ақуызға олигосахаридтерді қосатын ферменттердің жетіспеушілігінен туындайды. Бұл топтағы ең маңызды аурулар – Альцгеймер ауруы және диабет. Бұл ауруларды диагностикалау қиын, өйткені олар бір ғана емес, көптеген органдарға әртүрлі әсер етеді. Осының салдарынан оларды емдеу де қиын. Алайда, жаңа буын секвенирлеуде жасалған көптеген жетістіктер ғалымдарға осы бұзылуларды жақсырақ түсінуге және жаңа CDG-лерді анықтауға мүмкіндік берді.

Емдік тиімділікке әсері

Имектілердің гликозиляциясы биотерапиялық препараттардың емдік тиімділігін жақсарта алады деп хабарланды. Мысалы, HEK 293 платформасында өндірілген рекомбинантты адам интерфероны гамманың емдік тиімділігі, дәріге төзімді жұмыртқа безі қатерлі ісігі жасушаларына қарсы жақсарған.