糖基转移酶的研究概述汇总

河北大学生命科学学院 ２０１２生物技术 中国 保定 ０７１０００）

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
脂上，糖基化的产物具有很多生物学功能并具有高度的底物专一性。本文综述了糖基转


糖基转移酶 结构 功能 应用
about research of

( College of Life Sciences , Biotechnology 2012, Hebei University ,
)

receptor molecules, such as proteins, nucleic acids, oligosaccharides, the lipid
[1].
glycosylated glycoproteins to study the structure and function of glycoproteins[2].This
the p rospects for research.

Structure and Function Application
[3]，参与体内重要的活性物
(通常是二磷酸核苷NDP-糖)

糖基转移酶的结构
,绝大多数糖基转移酶都是位于内质网和高尔基体,除个别( 如合成G 寡
al,2甘露糖转移酶是I 型膜蛋白)外,它们都是Ⅱ型膜蛋白, 都有着相似的域结构。首先
N一末端肽端, 接着是跨膜结构域(TMD), 然后是一段所谓的“茎”
区,余下则是一段很长的球形催化结构域。其中跨膜域在糖基转移酶的高尔基体膜定
,而胞质尾端“茎”区的毗邻跨膜域的部分氨基酸则起着辅助作用。肤链
,易被水解,使催化结构域游离溶解出来,这在糖基
ST6GalI的“茎”区域在糖蛋白受
, 可能是因为“茎”区域影响催化域的三维结构, 对这一区域意义的阐
.长期以来,人们对糖基化反应的分子机制一直不甚清楚, 最重要的原
1994年,Virelink 等利用X射线晶体衍射技
T4的β-GlcT ( BGT)的3 D结构的测定。1999年至今, 人们又相继完
12 种糖基转移酶的3D结构的测定结果发现这13 种糖基转移酶都是α∕β蛋白,
GT一A 折叠和GT一B折叠( 即上文所提的两个超家族), 通过穿
(threadinganalysis)发现其余大多数糖基转移酶都采用这两种折叠模式中的一

核酸法测定蛋白质一级结构的迅速发展和广泛使用, 也为糖基转移酶的结构研究提
因为大多数糖基转移酶是膜结合蛋白, 量很少, 不足以用经典的蛋白质化
目前认为仅是参与糖蛋白和糖脂中糖链合成的糖基转移酶就有
, 被克隆的哺乳动物来源的糖基转移酶只有十几种，这些糖基转移酶的cDNA的序列已
它们大多有相似的域结构闭, 即：一段短的末端的肤段尾巴在细胞质中, 接着是１
, 然后是一段长度尚未确定的所谓的“颈”部, 余下的
, 后者在高尔基体的腔内。肽链中的“颈”部对某些蛋白水解
, 原来的膜酶经水解后成了可溶性的酶。后者比前者更为容易分离纯化, 为此多数糖
, 是以水解得到的可溶性酶作起始材料, 得到了它们的ｃＤＮＡ后就
兔肝ＧｎＴ１就是一个例子。在制备此酶时, 仅能得到少量纯
, 大量是不吸附在分离柱上不能进一步纯化的酶克隆了编

码此酶的基因,由2.5kb
的序列测定得到了此酶的蛋白质一级结构, 由４４７个残基组成。穿透膜的疏水肤段含
, 可形成α螺旋。“颈”部的酶解点在45位残基, 在这切点和催化结构域之间
其它一些糖基转移酶也有这样高脯氨酸含量的“ 颈”部,这提
“ 颈”部在高尔基体腔内糖基化过程中有特定的作用,例如有利于糖基化

糖基转移酶的分类
, 如半乳糖转移酶, 唾液酸转
; 国际生物化学和分子生物学学会推荐的分类方法是根据底物及产物立体化学异构
(Inveritgn) 和保留型(Eratinign)这些分类方法存在一个明显的不足,
, 彼此同源性极低, 即使同一类糖基转移酶序列相
1997年Campbell 等提出一种新的分类方法, 根据序列同源性、底物/ 产物立
依据这种分类方法糖基转移酶被分为66
个未分类族，出人意料的是如此众多的家族却只采用了两种折叠方式, 从而形成两种超
, 分别命名为GT-A超家族和GT-B超家族。这两个超家族之间无论折叠方式, 活性位点还
, 为如何完成糖基化反应这一问题提供了两种不同的答案.
糖基转移酶的作用机制
糖基转移酶的作用机制分两种：反向型和保留型糖基转移
NDP-糖活化的C-1作为亲
-离子样的
完成一个简单的取代反应；关于保留型糖基转移酶的反应
参照糖苷酶的反应机制，糖基转移酶很可能经历了二次取代反
-酶中间体，释放核苷二磷酸，二磷酸基团将受体的羟
-酶复合体，形成糖苷键。作为底物或者产物的磷酸盐作
目前以研究保留型糖苷酶催化机制的方法去研究
但仍没有得出针对参与反应的催化性亲核试剂及
这可能可以作为反驳在糖基
“双取代”机制的证据，但是还有一种可能就是用于研究糖苷酶的研究方法根
因为用于研究这两种酶的底物的性质存在着根本的不同。所有的糖
,而且对糖基的接受体也有专一
大多数糖基的供体是不同类型的核苷二磷酸激活的单糖不同的单糖用不同的核苷二磷酸
, 因合成的产物结构不同或合成的部位不同 ,所用的供体上

糖基转移酶的功能
糖基转移酶在糖类合成中的应用
用作肿瘤疫苗和抗病毒等方面都有其独特的功效。现在普遍使用
: 化学合成和酶促合成。化学合成近年来取得一些进展, 提出了一种
, 但在天然复合产物中以一种糖代替另一种糖仍然困难。酶促合成凭借其
产物的特异立体化学异构性而愈来愈受人们的青睐。本来人们以为糖基转移酶的高
, 但事实并非如此。首先,GT一A 超家族的部分糖
, 它们能用于合成一些非天然寡糖，而且根据糖基转移
,通过改变这些区域的结构, 可以设计出新
酶促合成的另一个难题就是糖基供体的获取上, 最
1-己糖核苷转移酶不严格的底物专一性生成结

构多样的ＴＤＰ一糖或Ｕ
另外有人提出一种新的方法可以原位重生核苷一糖供体, 减少了合成核苷一糖供
相信在不久的将来, 利用糖基转移酶和产生糖基供体的酶人们将建立糖聚合物数


, 并可作为某些疾病的诊断标
, 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
; 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
, 并且被认为是肿瘤迁移恶化的重要原因. 因此设计
, 对于寻找抗肿瘤、抗免疫系统等新药研究有重要意义.

α1一3 G T 的活性在人体内的重现会引发自身免疫反应.相反, 如果人体内βl一4 半乳
, 致使正常的免疫球蛋白G（IgG )分子中的糖链半乳糖含量降低.IgG
, 它的糖含量不高, 约5 % , 最主要的糖链是在ＣＨ 一2 结构域中的Asn一
上的二分支复杂型的糖链, 即使是这样比较简单的糖链也至少有30 种结构类似仅有极
, 每种结构被称为一种糖型(glycoform).这种半乳糖缺少的异质体对正
, 因此, 它能诱导抗体的产生, 从而也会出现自身免疫, 其症状是类
.糖基转移酶的表达和细胞的周期密切有关.在细胞分化阶段, 许多糖基转移酶的基因
, 为此出现了一系列糖类异质体作为分化抗原; 一旦发育成熟, 在细胞表面出现
.如果糖基转移酶在成熟细胞中活性很高, 就会产生癌变, 同时出现了
.在N一糖普键连接的糖链中多聚N一乙酞乳糖胺链的出现被看成是肿瘤的重
, 这类糖链可以降低细胞和基质间的粘着,有利于癌细胞的进一步的入侵.
(BHK) 被Rous肉瘤病毒感染后,GnTV的活性升高２．５倍;一些有转移倾
,GnTV 的活性高出3一10 倍.岩藻糖基转移酶的活性在肿
.糖基转移酶的研究还处于起步阶段, 仅知道一些酶的结构还是远远不
.更为重要的是了解这些糖基转移酶在多酶系统中是如何协调的, 以及这些酶的表达是
.这是糖基转移酶今后研究的方向。
糖基转移酶在抗生素方面的应用
抗生素糖苷在临床上主要用于抗菌和抗肿瘤, 在抗生素生物合成基因簇中已经发现
, 但人们对抗生素糖基转移酶(antibioticglycosyltransferases,
的特异性和催化机制了解不多。糖基与不同配基的结合能大大增加天然产物的结构多
在功能上, 这些糖组分通常参与目的细胞的分子识别, 影响化合物的生物活性。目前,
耐药菌也在逐年增加, 迫切需要寻找新的抗生素来与之抗衡。通过
探讨糖苷类抗生素的产
有望为发现和改造新活性的抗生素奠定基础。
在这一生物反应
糖基转移酶催化其结构中的糖基以单糖、双糖和寡糖链的形式结合到配基上从而形成特
2、N 2和O2苷(F ig. 1)。糖苷类抗生素的生物合成途径中, 糖基化通常是后修饰的最后
, 如万古

霉素( vancomycin )、替考拉宁( teicop lanin) 的糖链都是在生物合成的最后引入
。糖苷类抗生素的作用机制主要有两类, 一类是通过抑制革兰阳性菌肽聚糖的合成, 如
2lanin）; 另一类是抑制DNA 促旋酶的活性, 如新生霉素(novobiocin)
。
第一, 增加化合物的水溶性。己糖衍生物
增加了抗生素的亲水性利于药效的发挥,典型的有替考拉宁环七
-乙酰葡萄糖胺(N-acetyl-glucosam ine, GlcNA c) 和雷莫拉宁骨架上的甘露糖链;第二,
生物合成途径中的甘露糖基转移酶(mannosyltransferase) 特异识
2syl2PP2C作为糖供体, 使糖基化的抗生素利于分泌。第三, 糖基化是产生菌的一种自
在竹桃霉素
的产生过程中, 糖基转移酶O leD 使中间态抗生素糖
, 造成其在胞内短暂失活, 抗生素分泌后, 再由糖苷酶水解去除糖基, 使其恢复活性
。
, 类似功能的酶还有M gtA。
糖基转移酶在组合生物合成的应用
, 表面上看重组生
但是和聚酮、多肽合成酶的复杂性相比, 由
因此重组合成糖基化的化合物更有实践意
研究组已经建立了成功的基因克隆和表达系统用来生产活化的去氧糖,
通过启动子的控制可以在链霉菌中表达。在链霉菌S trep tom y
中整合糖基转移酶基因oleGI I , 导入合成L 2夹竹桃糖(L 2oleandrose) 的质粒后, 合
而整合糖基转移酶基因elm GT 后再导入生物合成L 2橄榄
(L 2o2livose) 的质粒pOLV 可以成功生产特曲霉素( tetracenomycin C)Staurosporine (十字孢
) 类化合物的结构是由一个糖分子和一个杂环的吲哚卡唑单元组成, 通过化学手段较难得
通过在一个生物体内共表达rebecca2mycin 和其它staurosporine 类化合物生物合成基因,
种staurosporine 类衍生物。通过遗传学方法改变Gtfs 的特异性有
研究组通过共表达糖基生物合成基因盒、Gtfs 基因(
和staG) 和
的生物合成基因成功地替代了天然附加在吲哚卡唑基团上的糖基, 为糖基转移
证明重组生物合成在生产新的糖基化产物中较药

糖基转移酶的研究前景
, 在糖肽的生物合成系统中得到了 Gtfs 的晶体, 结构测定表明这类Gtfs 家族有两
NDP2糖结合到C2端, 糖苷配基结合到 N2端 (A GVgGtfB,DVVgGtfA ) 。
两个肽连接到一起, 提示混合和匹配各自的结构域是 可以实现的。
,DNA shuffling 或相关酶定向 进化可以构建看似荒诞的 Gtfs, 改变其对己糖单元和配
, 大大提高糖苷类化合物的结构多 样性, 为筛选到新活性糖苷类抗生素奠
, 在生物合成中研究糖基化模式的多样性需要满足三个要求。
建立糖基转移酶库 通过重组生物合成生产新的抗生素糖苷, 必须建立糖基转移酶
, 才能使之在工业上得到深入应用。随着更多基因簇的序列 测定, Gtfs 的数目也会
, 发现具有混合和匹配 的N2或C2端的 Gtfs 区域

用于构建杂合催化体系, 改变配
, 可以为特定的去氧糖单元寻 找新结合位点[34]。 (2)建立配基的化合物
这些化合物包括简单的氨基香豆素类骨架(am inocoum arin scaffolds)、非核 糖体肽
以及芳香化的聚酮配基[25]。但是, 由相 似酶催化进行C2N , C2C 糖基化还有待于进

(3)建立糖供体的化合物库 糖供体要包括很多 UDP 或 TDP 活化的糖和去氧糖。天
配基上以后, 赋予了配基新的活性。去氧糖的氨甲酰化 在很多类型的化合
(新生霉素)、非核糖体肽 (如替考拉宁) 等抗生素中都存在, 因此所有TDP2D2 和
去氧己糖衍生物在库中都值得准备．
, 但现有的研究还不深
, 对糖基化生物学意义、糖基转移酶结构和功能关系、催化机制、糖苷的活化形式以及组
,
体培养时却检测不到．催化三种不同类型
存在那些异同, 都有赖于
, 离实用化、产业化还有很长的一段路要走。

曹飞飞 陈小龙.糖基转移酶的性质、作用机制及其在抗生素中的应用.中国抗生素杂志
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