糖生物学论文 糖基转移酶与糖基转移酶抑制剂

糖基转移酶与糖基转移酶抑制剂

摘要：糖基转移酶在生物体内催化活化的糖连接到不同的受体分子，如蛋白、核酸、寡糖、脂和小分子上，糖基化的产物具有很多生物学功能。其是糖蛋白、糖脂中糖链生物合成的关键酶之一。与此同时，对糖基化抑制剂的研究也是必要的。两者在治疗一些因为糖基转移酶非正常表达引起的疾病有很大作用。

关键词：糖基转移酶；糖基化；糖基化抑制剂

前言：糖基转移酶是广泛存在于内质网和高尔基体内的一大类酶，参与体内重要生物活性物质如糖蛋白和糖脂中糖链的合成，其作用是把相应的活性供体(通常是二磷酸核苷NDP-糖)的单糖部分转移至糖、蛋白质、脂类和核酸等，完成后者的糖基化加工，实现其生物学功能。因此糖基转移酶的表达和活性的变化与许多疾病联系在一起，并可作为某些疾病的诊断标志，如α-1,3-半乳糖基转移酶活性在体内的再现会引发自身免疫反应，导致类风湿，并在器官异体移植中引起排斥反应；N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶、岩藻糖基转移酶等在成熟细胞中活性的明显升高被视为肿瘤发生的重要标志，并且被认为是肿瘤迁移恶化的重要原因。因此设计合成糖基转移酶抑制剂，对于寻找抗肿瘤、抗免疫系统等新药研究有重要意义。

1 糖基转移酶的存在

糖蛋白是通过蛋白质的糖基化组装实现的，而糖基化过程则通过多种糖基转移酶完成——在肽链合成的同时或合成后，在糖基转移酶的催化下，糖链被连接到肽链的特定糖基化位点上。糖基转移酶具有高度的底物专一性，即同时对糖基的供体和受体具有专一性。对糖基转移酶进行研究，是糖基化研究的第1步。目前已对多种糖基转移酶的结构以及编码它们的基因研究清楚,并认为糖链的合成没有特定的模板，而是通过糖基转移酶将糖基由其供体转移到受体上。糖链可以认为是基因的次级产物,一个基因编码一个糖基转移酶,一个糖基转移酶专一地催化一个糖苷键的合成；这样一条糖链的合成就需要一个多酶系统,也就对应了一个基因组。下文简要介绍几类重要的糖基转移酶。

1.1 N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(N-acetylglucosa-minyl-transferase,Gnt)

糖蛋白中糖链通过还原端的N-乙酰氨基葡萄糖以β-1,4糖苷键与蛋白质肽链上Asn-XXX-Ser/Thr序列(XXX为除脯氨酸以外的氨基酸)中Asn残基上的氨基(-NH2)相连，被称为N-糖链。真核细胞中N-糖链的合成途径高度保守，其第1步合成由GnT完成。1999年, Strasser等依据动物GnT保守区序列设计简并引物，从烟草文库中分离到编码GnT的基因GnTI，这也是植物中第1个被鉴定的GnT基因。随后利用同样的方法从拟南芥、马铃薯中分离和鉴定出一系列GnT基因, 这些基因与动物GnT基因均有较高的序列相似性。后续研究发现

GnTI定位于植物的内质网和高尔基体，而减弱了GnTI活力的植株并不对其下游的其它糖基转移酶活力构成影响，说明植物体内具有GnTI的功能类似物。

不同的糖基转移酶所催化的糖基转移反应

1.2 多肽N—乙酰氨基半乳糖转移酶（polypeptide-N-acetylgalactos aminyltrase,ppGalNAc）

O-连接糖链有多种形式，在动物中研究最深入的是O-乙酰氨基半乳糖(O-GalNAc)连接糖链，该糖链通过还原端的N-乙酰氨基半乳糖(GalNAc)以β-1,4糖苷键与蛋白质肽链上Ser 或Thr的氧原子连接。ppGalNAc催化O-GalNAc连接糖链合成的第1步，将UDP-GalNAc上的GalNAc基团转移至多肽链上特定序列中的Ser或Thr的羟基上，从而合成GalNAc-O-Ser/Thr 糖蛋白片段。但植物中与O-GalNAc连接糖链相关的研究十分罕见，仅有2篇报道：1999年Kishimoto等人报道水稻的谷蛋白中含有O-GalNAc连接糖链；最近Kilcoyne等(2009)发现在醇溶的水稻蛋白中也存在O-GalNAc连接的糖蛋白，但尚未鉴定出此蛋白质。目前研究者尚未得到植物中的任何ppGalNAc基因，这也将是今后开展植物糖生物学研究的一个较好切入点。

1.3 O-乙酰氨基葡萄糖糖基转移酶(O-GlcNAc transferase，OGT)

与前述2种糖基化多发生在内质网和高尔基体不同，近年来在细胞核和细胞质中发现存在另一种O连接N-乙酰氨基葡萄糖糖基化(O-GlcNAc)过程。O-GlcNAc糖基化修饰在细胞内分布广泛，指通过OGT将单个N-GlcNAc添加到蛋白质的Ser或Thr残基上。这种作用与蛋白磷酸化作用类似，O-GlcNAc修饰很可能通过改变蛋白的细微结构或形成空间位阻从而抑制该肽链临近位置的磷酸化，从而共同参与转录调控、信号转导等生命活动。这种被称作“阴阳调控”的关系在全细胞水平和特定蛋白的特定位点上都已得到验证。

2.糖基化

糖基化是蛋白质的一种重要的翻译后修饰。根据糖链和肽链的连接方式的不同,蛋白质

的糖基化可分为N-糖基化和O-糖基化。

N-糖基化是通过糖链的还原端的N-乙酰氨基葡萄糖(Glc-NAc)和肽链中某些Asn侧链酰氨基上的氮原子相连。能接有糖链的Asn必须处于Asn-X-Ser/Thr3残基构成的基序(motif)中,其中X可为除Pro的任意的氨基酸残基。

O-糖基化的结构比N-糖基化简单,一般糖链较短,但是种类比N-糖基化多得多。肽链中可以糖基化的主要是Ser和Thr,此外还有酪氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸,连接的位点是这些残基侧链上的羟基氧原子。

2.1 蛋白质糖基化过程

蛋白质分子表面的糖链可对蛋白质分子的结构产生深远的影响，由此衍生了一种所谓的蛋白质糖基化工程，其是通过对蛋白质表面的糖链进行改造,从而改良蛋白质性质的一种技术。常用的对糖链进行改造的方法有：(1)通过定点突变技术增加或减少蛋白质的糖基化位点,从而增加或减少蛋白质表面的糖链。(2)在体外通过化学或酶法[对糖链进行修饰。(3)细胞内由一系列糖苷酶和糖基转移酶组装成糖基化途径(glycosy lation pathway)来催化蛋白质的糖基化。通过基因工程手段改变宿主细胞内糖基化途径中糖苷酶和糖基转移酶的表达，即可改变在该系统中表达的糖蛋白的糖基化形式。目前已通过该方式对酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母、昆虫细胞、CHO细胞及转基因植物等多个表达系统进行了糖基化工程的改造。

(4)研究表明，糖基化还受到细胞培养条件的影响。可通过改变细胞培养过程中培养基的糖分、激素及氨离子浓度等条件来改变蛋白质的糖基化。