糖组学glycomics的背景及研究意义

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(4)糖链影响糖蛋白的生物学活性 ●糖链与酶活性 糖链在酶的新生肽链折叠、转运和保护等 方面普遍起作用。但糖链与成熟酶活性的关 系因酶而异。有些酶除去糖链活性不受影响, 如UDP-葡糖醛酸酶、酵母羧肽酶等。有些酶 的活力依赖其糖链的存在, 如溶酶体β一葡 糖苷酶除去糖链后只有免疫活性而而完全没 有酶活力。
●SLAC
研究发现,植物凝集素是一类能选择性地结合糖链的糖结合 蛋白。利用这种特性可以特异性地富集某种糖蛋白/糖链。 用于纯化糖蛋白/糖链的植物凝集素主要有刀豆凝集素 (concanavalin A, Con A)、麦胚凝集素(wheat germ agglutinin, WGA)、豌豆外源凝集素(pea lectin)、植物血 凝素(phytohaemagglutinin-E4 ,E4-PHA) 和网孢盘菌凝集 素(Aleuria aurantia lectin,AAL)等。单一一种凝集素并 不能够富集细胞中所有的糖蛋白/糖链,因此科学家们在上 世纪80年代发明了一种被称作连续凝集素亲和色谱(serial lectin affinitychromatography, SLAC) 的方法来分离同一 细胞中的各种糖蛋白/糖链。这种方法是将不同的凝集素亲 和柱串联排列,样品混合物依次经过这些亲和柱,这样就可 将不同的糖蛋白/糖链富集在不同的柱中,提高了糖蛋白/糖 链的回收效率和混合糖蛋白/糖链的分离效果。
类风湿关节炎
总之
毫无疑问,如果试图深入了解生命的复杂规 律,就必须有“基因组-蛋白质组-糖组” 的整体观念,这样才有可能揭示自身全部基 因功能,从而进一步深入研究疾病的发病机 制,有效控制疾病的发生、发展及预后,以 及筛选疾病、预测诊断标记物和开发新的 药物靶标。
2、糖组学的研究策略
糖组学的研究远较基因组学、蛋白质组学复杂。 目前糖组学关注的焦点是糖蛋白,为了更好地与蛋白质组学相 关联,将研究对象锁定为糖肽。研究核心策略为: (1) 分析单物种生物所产生的所有聚糖; (2) 以糖肽为研究对象确认编码糖蛋白的基因; (3) 结合有效的理化和生化性质,研究糖蛋白糖链的性质。 研究的重点在于: (1) 编码糖蛋白的基因; (2) 实际糖基化的位点; (3) 聚糖结构; (4) 糖基化的作用。 主要分为三大部分: 结构糖组学、功能糖组学以及生物信息 学;其中结构糖组学主要包括“糖捕获”技术、前沿亲和层析 技术等,功能糖组学主要包括微阵列技术等。
●糖链与激素活性
糖蛋白激素主要有腺垂体促激素类包括FSH(促卵泡激 素),LH(促黄体生成激素)和TSH(促甲状腺 激素)以及胎盘绒毛 膜促性腺激素和肾脏红细胞生成素(erytlmpoietin,EPO)等。 FSH、LH和TSH均由α亚基和β亚基组成,两个亚基都有N一糖 链。糖链呈高度不均一性,例如LH和TSH中精链的外链末端有 些为SO4--4GalNAc β 1,有些为Sia α2 → 3Gal β 1→,而FSH中 的糖链都是以 Sia α2 → 3Gal β 1→为末端的。已经证明,带 有SO4--4GalNAc β 1→末端结构的激素对受体的亲和力比带有 Sia α2 → 3Gal β 1→末端的激素高,但在体内的半寿期前者比 后者短,因为在肝脏网状细胞表面有特异结合SO4--4GalNAc β 1→为末端的糖链的受体,而Sia为末端的糖链则必须经唾液酸 酶水解除去Sia从而暴露Gal后才能被半乳糖结合受体识别并 清除。
The lectins tested recognize the following residues:
β-D-galactosyl [Ricinus communis agglutinin 120, (RCA1) and peanut agglutinin, (PNA)]; α-D-galactosyl [Griffonia simplicifolia agglutinin (GSA)]; α-D-mannosyl>α-D- glucosyl [concanavalin A (ConA) and Lens culinaris agglutinin (LcH)]; N-acetyl- and N-glycolylneuraminic acid [Limax flavus agglutinin (LFA) andLimulus polyphemus agglutinin (LPA)]; N-acetyl-glucosaminyl and sialyl [wheat germ agglutinin (WGA)]; N-acetyl-D-galactosaminyl [Helix pomatia agglutinin (HPA) and Dolichos biflorus agglutinin (DBA)] andα -Lfucosyl [Ulex europeus agglutinin (UEA-1)].
1、糖组学(glycomics) 的背景及研究意义
20 世纪末,继基因组学、蛋白质组学之后,糖组学也日益受 到人们关注。顾名思义,糖组学是对糖链组成及其功能研究 的一门新学科,是基因组学的后续和延伸,具体内容包括研究 糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相互 作用,其主要研究对象为聚糖。丰富多样的聚糖覆盖了生物 有机体的所有细胞,不仅体现细胞的类型和状态,也参与了许 多生物学行为,如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、 免疫反应等;聚糖还体现生物和分子的进化作用,如糖酵解、 生物合成的保守性以及核糖的起源等。
●糖链与IgG 活性
每分子IgG 均含糖链约三条,几乎全部N一糖链都是复杂型, 非还原末端残基为Sia或Gal(去Sia),少数为GlcNAc(去Sia-Gal), IgG的N-糖链多达30余种,呈高 度不均一性。如IgG的N一糖链缺 失外链Gal (这种糖链称G0 糖链)后,可成为一种自身抗原,被免 疫系统识别而产生自身抗体。后者能与带有Go糖链的Ig G生成 免疫复合体,沉积于关节腔内,引起炎症。这种免疫复合体是由 带Go糖链的IgGFc段(作为抗原)和带末端Sia的IgG(作为抗 体)Fab段结合而成,实际上是IgG的自身聚合物。类风湿性关节 炎、红斑狼疮等都是一种与IgG的糖链结构改变有关的自身免疫 病(autoimmune disease)。
A、 N-糖链
●N-糖链的共同结构花式:核心五糖
Glc-葡萄糖;Gal-半乳糖;Man-甘露糖 ;Fru-果糖 Rib-核糖;Fuc-岩藻糖;Sia-唾液酸;GlcA-葡糖酸 GlcUA-糖醛酸;GlcNAc — N-乙酰葡萄糖胺; GalNAc — N-乙酰半乳糖胺;NeuNAc —N-乙酰神经氨酸
3、糖组学研究技术进展
1)结构糖组学
根据与糖链连接方式不同,蛋白质主要有N-连接 和O-连接两种糖基化形式: 前者是糖链与蛋白 Asn-XXX-Ser/Thr 序列子(XXX 为除脯氨酸以 外的氨基酸) 中Asn 残基上的 —NH2 相连;后者 则是糖链与蛋白Ser/Thr 残基上的—OH 相连。N -连接和O-连接糖蛋白主要定位于细胞膜表面, 也可以分泌型蛋白的形式存在。此外,糖蛋白还 有GPI锚定蛋白和近年来在细胞核和细胞质发现 的O-GlcNAc(N-乙酰氨基葡萄糖 )修饰蛋白两 种存在形式。
示例: 糖链的生物学功能
(1)糖链在糖蛋白新生肽链折叠和缔合中的作用
研究表明:糖蛋白N-糖链在参与新生肽的折叠,维持蛋白 质正确构象时起重要作用。 缺 乏 则 不 能 折 叠 呈 三 聚 体 红 细 胞 血 凝 素 , 如 糖 链
,
N-
(2)糖链影响糖蛋白的分泌和稳定性
能 分 泌 到 胞 外 而 留 在 内 质 网 中
(3)糖链的分离纯化
A、层析法 柱层析是分离纯化糖蛋白糖链的常规方法,由分离机制不 同可以有离子交换、分子筛、正相和反相等不同形式。 一般常压和低中压柱层析所需样品量较大,而高效液相层 析(HPLC) 因上样量少、灵 敏度高、重现性好、更加快 速和自动化,是目前微量糖链分析的首选。不同结构的糖 链在不同HPLC上的层析行为是不同的。 为了更充分、更准确地分离分析糖链混合物,可将几种不 同类型的HPLC 组合成多维HPLC (MD-HPLC) ,如离子交 换HPLC、正相HPLC、反相HPLC 组合就构成了3D-HPLC。 为达到最大分离效率,各维之间的分离模式应是各自独立 的,而且高维的分离速度应快于低维的分离速度,以避免 已分开组分的重新混合。
●N-糖链的分类
★复杂型N-糖链的分支
B、 O-糖链
特点:与N-糖链相比结构简单,但连接形式多。
几种糖蛋白的寡糖链
小结
糖链结构信息包括糖链的单糖组成、异头 碳构型、糖苷键的连接位臵和糖残基的序 列分析等内容。糖蛋白糖链的结构分析包 括糖蛋白的提取分离、糖链释放和糖链结 构鉴定等多个步骤。
●与细胞粘着有关
细胞粘着(cell adhesion)是进化中随着多细胞生物出现的 必然现象。多细胞生物中细胞有相互识别而聚集成细胞群的能 力——细胞粘着。细胞群或组织(tissue)中细胞与细胞之间充满 着由糖蛋白(胶原蛋白、纤连蛋白、层粘蛋白)、蛋白聚糖、透明 质酸等组成的胞外基质(extracellular matrix,ECM)。在整个生 物体中,ECM形成一个连续的主体网络结构,所有的细胞都交织或 浸泡在这一网状基质中,网络中细胞一细胞粘着,细胞一ECM粘着 都是通过有关的膜内在蛋白质(integral membrane protein)完 成的。这些膜蛋白称细胞粘着分子(cell adhesion molecule, CAM)或粘着蛋白,包括整联蛋白(integrin),钙粘着蛋白(cadher --in)免疫球蛋白超家族(Ig superfamily),血管地址素 (vescular addressin) 选择蛋白(selectin)等。CAM 绝大多数 都是含N一糖链的糖蛋白.例如整联蛋白是由α一和β一亚基组成 的异二聚体,两个亚基上有多个N一糖基化位点。去糖链的整联蛋 白完全失去与纤连蛋白的粘着能力。
(1)糖蛋白的提取和分离纯化
糖蛋白多定位于细胞表面,属于膜蛋白,水溶性不 好,其有效提取是糖组学糖链结构研究的瓶颈之 一。目前常采用先制备质膜,然后用CHAPS 等去 污剂释放或Triton X-114 相分离、有机溶剂萃 取等方法提取糖蛋白。获得的糖蛋白主要采用透 析、超滤、电泳和层析等方法来分离纯化,其中 由几种不同类型凝集素亲合柱组成的序列凝集素 亲合层析(serial lectin affinity chromatography, SLAC) 法是较好的方法。
(2)糖链的释放
纯化后的糖蛋白样品即可进行糖链释放。糖链释放一般 有化学释放和酶释放两种方法。 化学法主要有肼解法和β-消除法,前者可释放糖蛋白的 N-糖链和O-糖链,目前已实现仪器自动化。但因该法反 应条件剧烈,肼解后需对糖链进行乙酰化复原处理,而且 蛋白部分已经破坏,无法进行有关糖基化位点的研究。 酶法释放糖蛋白糖链因方法简单,条件温和,能够提供有 关糖链残基组成、排列顺序和糖苷键的α或β构型等信 息,目前应用较广。较常用的释放N-糖链的特异蛋白酶 有N-糖肽酶F(PNGase F) 和N-糖肽酶A(PNGase A) ,二 者具有很好的互补性,常联合使用。而PNGase F 因广谱 性好,也常单独使用。对于特异释放糖蛋白O-糖链的酶, 目前发现的较少,且广谱性不强。
受精是精子与卵子的 融合。哺乳动物的卵子外 面有一层透明的糖蛋白外 衣,称透明带(zone pelluci da,ZP)。透明带 由ZP-1、ZP-2和ZP-3三种 糖蛋白组成,受精中起主要 作用的是ZP-3,连接在ZP-3 上的O -GalNAc糖链能被精 子表面上的凝集素受体识 别(有物种特异性)。O GalNAc糖链的非还原端是 一个α一连接的半乳糖残 基,它可能在精卵识别中起 关键作用。
免 疫 球 蛋 白 如 缺 乏 糖 链 则 不
N-
(3)糖链参与分子识别和细胞识别
●与血浆中老蛋白的清除有关
血清中很多蛋白质式含有以唾液酸残基为末端的N-糖链糖蛋 白,称唾液酸糖蛋白,如免疫球蛋白、蛋白质激素,载体蛋白等。
如被唾液 酸酶降解
与肝细胞膜上的去唾液酸糖蛋白受体结合
胞吞作用并降解
●与精卵识别有关
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