Введение

Ковалентное присоединение и дальнейшая модификация остатков углеводов к молекуле-субстрату.

Гликозилирование – это реакция, в которой углевод (или «гликан»), то есть донор гликозила, присоединяется к гидроксильной или другой функциональной группе другой молекулы (гликозильный акцептор) с образованием гликоконъюгата. В биологии (но не всегда в химии) гликозилирование обычно относится к ферментативно катализируемой реакции, в то время как гликирование (также «неферментативное гликозилирование» и «неферментативное гликозилирование») может относиться к неферментативной реакции. Гликозилирование является формой ко- и посттрансляционной модификации. Гликаны выполняют разнообразные структурные и функциональные роли в мембранных и секретируемых белках. Большинство белков, синтезируемых в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, подвергаются гликозилированию. Гликозилирование также присутствует в цитоплазме и ядре в виде O-GlcNAc-модификации. Агликозилирование является характеристикой сконструированных антител для обхода гликозилирования. Производятся пять классов гликанов: N-связанные гликаны, присоединенные к азоту боковых цепей аспарагина или аргинина. N-связанное гликозилирование требует участия специального липида, называемого долихолфосфатом. O-связанные гликаны, присоединенные к гидроксильному кислороду серина, треонина, тирозина, гидроксилизина или гидроксипролина боковых цепей, или к кислородам в липидах, таких как керамид. Фосфогликаны, связанные через фосфат фосфосерина. C-связанные гликаны – редкая форма гликозилирования, при которой сахар добавляется к атому углерода в боковой цепи триптофана. Алоин – одно из немногих природных веществ. Глипиляция – это добавление GPI-якоря, который связывает белки с липидами через гликановые связи.

Цель

Гликозилирование – это процесс, при котором углевод ковалентно присоединяется к целевой макромолекуле, как правило, к белкам и липидам. Эта модификация выполняет разнообразные функции. Например, некоторые белки не сворачиваются правильно, если они не гликозилированы. Гликозилирование также играет роль в межклеточной адгезии (механизм, используемый клетками иммунной системы) посредством сахаросвязывающих белков, называемых лектинами, которые распознают специфические углеводные фрагменты. Кроме того, вирусы часто используют гликозилирование для защиты вирусного белка от распознавания иммунной системой. Ярким примером является плотный гликоновый щит шипа оболочки вируса иммунодефицита человека. В целом, для понимания гликозилирования необходимо учитывать вероятные эволюционные селекционные факторы, которые его сформировали. Согласно одной модели, диверсификация может рассматриваться как результат исключительно эндогенной функциональности (например, клеточного транспорта). Однако более вероятно, что диверсификация обусловлена уклонением от механизмов инфекции патогенов (например, прикреплением Helicobacter к терминальным сахарным остаткам), а разнообразие внутри многоклеточного организма затем используется эндогенно. Гликозилирование также может модулировать термодинамическую и кинетическую стабильность белков.

N-связанная гликозилирование

N-связанное гликозилирование — очень распространенная форма гликозилирования, важная для правильного сворачивания многих эукариотических гликопротеинов, а также для прикрепления клеток друг к другу и к внеклеточному матриксу. Процесс N-связанного гликозилирования у эукариотов происходит в просвете эндоплазматической сети и широко распространен у архей, но встречается крайне редко у бактерий. Помимо роли в сворачивании белков и клеточной адгезии, N-связанные гликаны белка могут модулировать его функцию, в некоторых случаях выступая в качестве переключателя "вкл/выкл".

О-связанная гликозилирование

О-связанное гликозилирование — это форма гликозилирования, происходящая у эукариот в аппарате Гольджи, а также у архей и бактерий.

Гликозилирование фосфосерином

В литературе сообщалось о ксилозе, фукозе, маннозе и фосфосерин-гликанах GlcNAc. Фукоза и GlcNAc были обнаружены только в Dictyostelium discoideum, манноза – в Leishmania mexicana, а ксилоза – в Trypanosoma cruzi. Недавно о наличии маннозы было сообщено у позвоночного животного, мыши Mus musculus, на клеточной поверхности ламининового рецептора альфа-дистрогликана4. Предполагается, что эта редкая находка может быть связана с высокой степенью консервации альфа-дистрогликана у низших позвоночных и млекопитающих.

С-маннозилирование

К первому остатку триптофана в последовательности W–X–X–W (W обозначает триптофан, X – любая аминокислота) добавляется маннозный сахар. C–C связь формируется между первым атомом углерода альфа-маннозы и вторым атомом углерода триптофана. Однако не все последовательности, соответствующие этому паттерну, подвергаются маннозилированию. Установлено, что фактически только две трети из них маннозилируются, и существует явная предрасположенность к тому, чтобы вторая аминокислота была одной из полярных (Ser, Ala, Gly и Thr) для осуществления маннозилирования. Недавно был достигнут прорыв в технике прогнозирования наличия сайта маннозилирования в последовательности, обеспечивающий точность 93% по сравнению с 67% точностью при рассмотрении только мотива WXXW. C-маннозилирование является необычным, поскольку сахар связан с атомом углерода, а не с реакционноспособным атомом, таким как азот или кислород. В 2011 году была определена первая кристаллическая структура белка, содержащего этот тип гликозилирования – структура 8-го компонента комплемента человека. В настоящее время установлено, что 18% человеческих белков, секретируемых и трансмембранных, подвергаются процессу C-маннозилирования. Многочисленные исследования показали, что этот процесс играет важную роль в секреции белков, содержащих тромбоспондин типа 1, которые задерживаются в эндоплазматической сети, если они не подвергаются C-маннозилированию.

Формирование GPI-анкеров (глипирование)

Глипиация — это особая форма гликозилирования, характеризующаяся образованием GPI-анкера. При этом типе гликозилирования белок присоединяется к липидному якорю посредством гликанной цепи. (См. также пренилирование.)

Химическая гликозилирование

Гликозилирование также может быть осуществлено с использованием методов синтетической органической химии. В отличие от биохимических процессов, синтетическая гликохимия в значительной степени опирается на защитные группы (например, 4,6-O-бензилиден) для достижения необходимой региоселективности. Другой сложной задачей химического гликозилирования является стереоселективность, поскольку каждая гликозидная связь может образовывать два стереоизомера – α/β или цис/транс. Как правило, синтез α- или цис-гликозидов представляет большую сложность. Были разработаны новые методы, основанные на участии растворителя или формировании бициклических сульфониевых ионов в качестве хиральных вспомогательных групп.

Неферментная гликозилирование

Неферментное гликозилирование также известно как гликирование или неферментное гликозилирование. Это спонтанная реакция, являющаяся типом посттрансляционной модификации белков, то есть изменяющая их структуру и биологическую активность. Она представляет собой ковалентное присоединение карбонильной группы редуцирующего сахара (преимущественно глюкозы и фруктозы) к аминокислотному радикалу белка. В этом процессе участие фермента не требуется. Реакция протекает вблизи и вдоль водных каналов и выпяченных трубочек. Сначала реакция формирует временные молекулы, которые впоследствии подвергаются различным реакциям (перегруппировки Амадори, реакции основания Шиффа, реакции Майяра, образование поперечных связей) и образуют устойчивые остатки, известные как продукты поздней стадии гликирования (AGEs). AGEs накапливаются в долгоживущих внеклеточных белках, таких как коллаген – наиболее гликированный и структурно распространенный белок, особенно у человека. Кроме того, некоторые исследования показали, что лизин может инициировать спонтанное неферментное гликозилирование.

Роль AGE

AGEs ответственны за многое. Эти молекулы играют важную роль, особенно в питании, определяя коричневатый цвет, аромат и вкус некоторых продуктов. Показано, что приготовление пищи при высоких температурах приводит к повышенному содержанию AGEs в различных продуктах. Повышенный уровень AGEs в организме оказывает непосредственное влияние на развитие многих заболеваний, в частности, сахарного диабета 2 типа, который может привести к множеству осложнений, таких как катаракта, почечная недостаточность и повреждение сердца. Снижение уровня AGEs приводит к уменьшению эластичности кожи, что является важным признаком старения. Некоторые специфические модуляторы, контролирующие этот процесс, – это гликозилтрансферазы, локализованные в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи. Одним из модуляторов, участвующих в этом процессе, является Fringe – гликозилтрансфераза, модифицирующая O-фукозу для активации или деактивации сигнальных путей, выступая в роли положительного или отрицательного регулятора соответственно. Эти нарушения можно разделить на четыре группы: нарушения N-гликозилирования белков, нарушения O-гликозилирования белков, нарушения гликозилирования липидов и нарушения других гликозилирующих путей, а также множественных гликозилирующих путей. Эффективного лечения для каких-либо из этих нарушений не существует. 80% из них поражают нервную систему. Приобретенные изменения: Во вторую группу входят в основном инфекционные заболевания, аутоиммунные заболевания и рак. В этих случаях изменения в гликозилировании являются причиной определенных биологических процессов. Например, при ревматоидном артрите (РА) организм пациента вырабатывает антитела к ферменту галактозилтрансферазе лимфоцитов, который ингибирует гликозилирование IgG. Следовательно, изменения в N-гликозилировании приводят к иммунодефициту, связанному с этим заболеванием. В эту группу также входят нарушения, вызванные мутациями генов, кодирующих ферменты, контролирующие гликозилирование белков Notch, такие как синдром Алагалля. Неферментные приобретенные изменения: Неферментные нарушения также приобретаются, но обусловлены дефицитом ферментов, присоединяющих олигосахариды к белкам. К этой группе относятся болезнь Альцгеймера и диабет. Диагностировать все эти заболевания сложно, поскольку они поражают не один орган, а множество, и различными способами. Как следствие, их лечение также затруднено. Однако благодаря прогрессу в секвенировании нового поколения ученые теперь лучше понимают эти нарушения и открыли новые CDG.

Влияние на терапевтическую эффективность

Сообщалось, что гликозилирование млекопитающих может повысить терапевтическую эффективность биологических препаратов. Например, терапевтическая эффективность рекомбинантного человеческого интерферона гамма, экспрессированного в платформе HEK 293, была улучшена в отношении клеточных линий рака яичников, устойчивых к лекарственным препаратам.