糖生物学_植物糖基转移酶研究进展

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课程：Glycobiology

植物糖基转移酶研究进展

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植物糖基转移酶研究进展

摘要:糖基转移酶一类是能够催化糖基从激活的供体转移到特定的受体分子上的一类酶，在生物体中普遍存在并形成了超基因家族。糖基转移酶广泛参与植物生命活动的各种生物学过程。本文综述了近年来的研究报道，综述了糖基转移酶的分类、分离鉴定方法及在生物学功能方面的研究进展，期望为相关研究工作提供参考。

关键词:植物糖基转移酶，分类，分离鉴定，生物学功能

糖基转移酶（Glycosyltransferases，GT，EC 2.4.x.y）是一类催化糖基转移的酶，通过产生糖苷键将供体糖分子或相关基团转移至特异的受体上。糖基转移酶几乎存在于所有的生物体中，其所催化的糖基化反应是最重要的生物学反应之一，直接参与二糖、单糖苷、聚糖苷等的生物合成。糖基供体分子包括双糖、多糖、1-磷酸糖、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸，植物中最常见的供体为UDP-Glc。受体可以是糖类、脂类、蛋白质、抗生素和核酸。糖基转移酶催化供体-受体形成α、β两种糖苷键，产物为多糖、糖蛋白、糖脂以及糖苷化合物等。全基因组测序发现真核生物中约1%的基因编码糖基转酶。

1糖基转移酶的分类

目前，对糖基转移酶的分类主要根据Campbell等提出的GT Family 分类系统（数据收录在CAZy数据库中）。糖基转移酶作为高度分歧的多源基因家族，根据蛋白氨基酸序列的一致性、催化特性以及保守序列对其进行分类。因此，一特定的糖基转移酶既可以通过生物化学的方法鉴定其底物，也可以通过生物信息学方法研究其与已知酶基因或酶蛋白氨基酸序列的同源性对其进行分类。目前，依据这种分类方法，糖基转移酶被分为94个家族。根据其的折叠方式可将绝大多数酶分为两个超家族，GT-A超家族和GT-B超家族（图1）。根据催化反应机制、产物的立体化学异构性，在这两个超家族中糖基转移酶又分为反向型和保留型两大类（图2）。

GT-A型折叠的空间结构有两个紧密相连的β/α/β类Rossmann折叠区域。GT-A家族成员需要一个D-X-D基序用来结合二价金金属离子（多为Mn2+），这有助于UDP-糖供体的PPi在酶活性位点上的固定，对于催化反应是不可或缺的。GT-A难以识别UDP-糖供体以外的供体，所以受体的多样性较低。GT-B型折叠的空间含有两个正对的β/α/β类Rossmann折叠区域，连接方式灵活。GT-B成员无需二价金属离子维持活性，这是GT-B与GT-A家族成员的一个显著区别。此外，通过结构分析和PSI-BLAST发现了由跨膜GT组成GT-C超家族，其折叠方式全为反向型，活性位点位于长环部，一般含有8-13个跨膜螺旋。

图1：依据折叠方式的糖基转移酶分类系统

Fig. 1 Hierarchical classification of glycosyltransferases from folds to clans

（注：R’：糖､脂､蛋白､次生代产物､植物激素等）

图2：“转化型”和“保留型”糖苷转移酶的反应机制

Fig. 2 Reaction mechanisms of converting and reserving GTs

GT-C超家族中第一个三维结构被确定的是古细菌Pyrococcus furiosus的STT3。GT-C超家族也可以在隐马氏模型中找到，使用这个方法还在真核生物中发现了第四个家族GT-D。

“转化型”糖基转移酶的催化反应机制是一个类S N-2机制的亲核取代反应：以活化的糖供体基团C-1作为亲电子基团，亲核攻击捕获带有亲核受体原子的糖苷配基，经过一个氧络正碳离子-离子样的过渡态，产生一个反向的异头构型，完成取代反应。目前，“保留型”糖基转移酶的催化机制尚不清楚，推测可能是中间体为短暂存在的含氧碳正离子的双取代反应机制。综合糖基转移酶的空间构型和反应类型，可以将糖基转移酶大致分为4个目，目下面又分为不同的家族（图1）。

目前，已分类编号的94个家族中有40个分属于植物糖基转移酶，但是不同家族之间的进化关系并尚不明确。GT1包含有4388个基因序列，这些序列源于古细菌、细菌、真核生

物和病毒（/fam/acc_GT.html），催化反应机制为“转化型”，与植物激素、次生代产物糖苷化相关的糖基转移酶也位于该家族。GT1家族中绝大多数糖基转移酶的C末端含有一个44个氨基酸的保守序列称为PSPG盒（图3），认为该序列是糖基供体的结合域，所以将GT1单独归为尿苷二磷酸糖基转移酶（Uridine diphosphate glycosyltransferase，UGT）超家族，成员主要以UDP-GLc和UDP-葡糖醛酸为糖基供体。

图3：植物糖基转移酶PSPG盒保守序列

Fig. 3 Plant glycosyltransferase conservative sequence of PSPG box

2糖基转移酶的分离鉴定及生化特征

目前可以使用多种不同的方法鉴定糖基转移酶基因，包括生物信息学、生物化学以及遗传学方法等。生物信息学方法研究植物糖基转移酶的思路如下：从cDNA或EST数据库中获取推测是糖基转移酶基因的序列，与目的基因所在的基因组进行同源性比较，得到所有可能的糖基转移酶基因，使用载体克隆该基因并在Escherichia coli等细胞中进行表达，对表达产物进行分离纯化，体外实验验证酶活性和底物。通过该方法找到了拟南芥中99个可能的糖基转移酶基因，这些酶所修饰的次级代产物包括吲哚乙酸、细胞分裂素、水酸等。此外，生物信息学方法还可用于基因功能预测和结构分析、亚细胞定位、蛋白结构域分析、保守序列预测以及三维结构预测等。

一般采用阴离子交换、疏水色谱、凝胶过滤以及染料配体层析等技术对植物糖基转移酶分离纯化。利用仿生原料（eg:活性黄3、活性绿19）作为亲合层析固定相可以提高糖基转移酶的纯化效率。活性黄3等模拟底物与糖基转移酶结合形成束缚酶形式，采用UDP-Glc 作为洗脱液可以得到高纯度糖基转移酶。

通过对植物组织酶提取液或者重组酶进行鉴定，发现大部分植物糖基转移酶为可溶性酸性蛋白，pI=4.2-6.1,分子量大约为40-60kDa；糖基受体K m=0.4-3600μmol/L，最适pH=5.9-9.0。Escherichia coli 重组糖基转移酶分子量为50-84kDa，其糖基供体类似于植物糖基转移酶，受体除植物次生代产物外，还有植物激素、外源杀虫剂等。

3植物糖基转移酶的生物学功能

植物糖基转移酶催化的反应底物众多，包括植物激素、次生代产物和生物同/异源物质(如含氰苷、除草剂等)。糖苷化可以改变糖苷配基(aglycones)的许多性质，如生物活性、溶