8 第八章 O-聚糖.ppt

1、第8章 O-聚糖,关锋 ,本章详述丝氨酸/苏氨酸（O）-连接聚糖（O-聚糖）的生物合成与生物学，包括GalNAc-肽的连接，其重点是脊椎动物系统；并进一步说明有关各种O-聚糖核心结构形成的途径，还将概述O-聚糖的生物学功能。,背景,通过连接GalNAc残基而对蛋白质上丝氨酸或苏氨酸残基进行的修饰产生了O-连接聚糖或O-聚糖。这个定义因此不同于在丝氨酸和苏氨酸残基上其它类型的蛋白质糖基化。,O-聚糖的生物合成比N-聚糖的产生简单，因为它不需要将脂连接的寡聚前体转移到蛋白质上。它合成的初始步骤是在多肽GalNAc转移酶催化作用下，单糖GalNAc与丝氨酸和苏氨酸残基连接。,许多O-聚糖延伸成带有可

2、变末端的长链，这种末端可能与N-聚糖的末端相似。但与大多数N-聚糖相比，O-聚糖结构的分支较少，通常是双天线结构。O-糖基化能导致黏蛋白型分子的生成。,人类小肠黏蛋白。多数的O-聚糖(波折线）在整个多肽链上都有分布。图中三叉型表示少数N-糖基化位点。二硫桥可以发生在分子内和分子间。,黏蛋白是细胞表面的或分泌的、具有大量成簇状O-聚糖的糖蛋白。黏蛋白上的O-聚糖形成簇状的一部分理由是在无糖黏蛋白的蛋白质部分上，存在大量的丝氨酸和苏氨酸。 并不是所有的O-聚糖都位于经典的黏蛋白上，因为有些蛋白质也含相对较少而且分散的O-聚糖，这样的O-聚糖或者是带有极少残基的短链，或者是延长的双天线结构。事实上，

3、在一些细胞上，如特定的循环血细胞，O-聚糖可以同N-聚糖一样也大量存在。,O-聚糖与其他类型苏氨酸和丝氨酸糖基化的比较,蛋白质上丝氨酸和苏氨酸的糖基化发生在所有已被研究的真核细胞的分泌途径中。本书的O-糖基化指GalNAc单糖以-键与蛋白质上丝氨酸或苏氨酸残基的羟基相连接。但是其他类型的糖基化也涉及蛋白质中丝氨酸和苏氨酸残基的修饰。如细胞内的许多蛋白质也是通过O-连接GalNAc加到丝氨酸和苏氨酸残基上，而该残基也是可以被磷酸化的部位。,酵母通常连接甘露糖使丝氨酸糖基化，而哺乳动物既能产生O-连接岩藻糖，还能产生O-连接甘露糖。 植物丝氨酸和苏氨酸残基的糖基化包括GalNAc的连接，但其变化更

4、多。,O-糖基化部位的预测,为了确定引导O-聚糖形成的序列模体，人们比较了已知的O-聚糖基化部位周围的氨基酸序列，虽然没有发现共有序列，但获得了一些预测能力。这种能力部分来自于比较研究，包括建立了一个包含对各种蛋白质的已知糖基化位点分析结果的数据库（O-Glycbase）。,与脯氨酸残基临近，就很可能与O-糖基化位点有关。许多脯氨酸位于-1和+3位置，而带电荷的氨基酸残基通常不在-1和+3位置上。脯氨酸通过破坏螺旋的形成、促进 转角和片层的形成来影响蛋白质构象，大多数O-糖基化发生在被推测是 转角的地方。丙氨酸、丝氨酸和苏氨酸一般与发生糖基化的氨基酸残基相邻。,多肽GalNAc转移酶家族,多肽

5、GalNAc活性的纯化和鉴定首先以牛为原料完成。这导致了编码多肽GalNAcT活性的基因被克隆和鉴定，并被命名为多肽GalNAcT-1。 由牛多肽GalNAcT-1基因推测的氨基酸序列与其它已被鉴定的糖基转移酶的同源性不高，但是这个酶同所有糖基转移酶一样，表现的是型跨膜蛋白，并带有朝向胞液的小片段。,正如人们所期望的那样，在脊椎动物细胞类型中，O-聚糖是无处不在的。此后的研究也揭示在各种生物中，至少存在8个同源的多肽GalNAcT基因（多肽GalNAcT-1-8）。,在所有被研究的多细胞生物中，多个多肽GalNAcT启动O-糖基化。至少8个高度同源的基因存在于线虫、小鼠和人类基因组中。,理解O

6、-聚糖的功能可能要求必须理解为什么存在那么多各自都能启动O-聚糖生物合成的基因。现已测定了4个哺乳动物同工酶具有多肽GalNAc活性；秀丽新小杆线虫中发现至少5个具有编码多肽GalNAcT的基因。 这些同工酶之间底物的结构特异性有所不同，但是GalNAc转移到丝氨酸或苏氨酸的倾向无明显差别。,存在多种多肽GalNAcT的事实可以反映出，一种或少数糖蛋白的糖基化有个体的组织特异性或细胞类型特异性作用。这些不同的多肽GalNAc转移酶同工酶也可能在亚细胞区室，包括在内质网和高尔基体的定位不同。,在脊椎动物中O-聚糖的多样性变化：核心结构亚型的形成,在多肽GalNAcT作用下产生的O-聚糖有多种共同

7、的核心结构亚型，这些亚型的产生是基于单糖与未取代的GalNAc之间有不同的连接反应。,Core1和Core2 O-聚糖亚型的生成受控于Core GalT和Core GalNAcT酶的活性。进一步的生物合成能产生带有岩藻糖基化和唾液酸化乳糖胺的O-聚糖。,Mucin type Core 1,Mucin type Core 2,Mucin type Core 3,Mucin type Core 4,大多数O-聚糖含有Core1亚型结构，它由半乳糖与GalNAc以1-3键相连而成。对应的糖基转移酶是Core1 1-3半乳糖基转移酶（Core1GalT）。 Core2型O-聚糖的产生是通过GlcNAc

8、以1-6键与GalNAc相连，并要求以Core1型结构为底物。 Core3型O-聚糖的生成受Core3GlcNAcT酶活性的控制，该酶用GalNAc-Ser/Thr作底物。 Core4型O-聚糖是在Core3的基础上由GlcNAcT酶作用生成双天线形式的Core4型O-聚糖。,Core1和Core2 O-聚糖亚型的生成受控于Core1 GalT和Core2 GalNAcT酶的活性。进一步的生物合成能产生带有岩藻糖基化和唾液酸化乳糖胺的O-聚糖。,Core3和Core4 O-聚糖亚型的生成受控于Core3GlcNAcT和Core4GlcNAcT酶的活性。进一步O-聚糖的生物合成能产生双天线形式，

9、有时与Core2亚型相似。,较不常见的O-聚糖核心结构亚型,从Core1到Core4 O-聚糖组成了体内产生的O-聚糖的大多数结构，而其中多数是Core2亚型，但是，已有报道对 GalNAc-Ser/Thr结构还有其它的修饰。,较不常见的核心结构O-聚糖亚型的寡糖结构,在几种脊椎动物中已发现有Core5 O-聚糖；在人类胚胎肠道和卵巢囊肿的黏蛋白中也发现有Core6 O-聚糖；在研究牛颌下腺的O-聚糖中，也描述了Core7 O-聚糖。此外，还有人观察到岩藻糖以1-2键与GalNAc-Ser/Thr相连，但这种修饰似乎并不阻止其它核心结构O-聚糖的生成。,由于O-聚糖多样性变化的不断复杂化，不断

10、有新的核心结构亚型出现和被发现，尽管其中的大多数的含量相对很低而且分散于特定的组织和细胞类型中。,O-聚糖的生物合成与T抗原的形成,在生物合成的相对早期，O-聚糖能被连接上唾液酸残基而被修饰和终止。这些唾液酸的连接生成了一系列的O-聚糖结构，通常限制了进一步的合成步骤，而被共同称为肿瘤相关（T）抗原。,在O-聚糖的合成中，早期和补救途径导致生成肿瘤相关（T）抗原。特异性的唾液酸转移酶能生成唾液酸Tn和二唾液酸T抗原。这些似乎是生物合成的终端（方框中），它不能被进一步修饰。,T抗原的产生可能与对同一底物多个糖基转移酶之间的竞争有关，与其它寡糖包括N-连接寡糖的生物合成相似，这些在高尔基体内的糖基

11、转移酶的表达水平和亚细胞分布可能决定最终的结果。,黏蛋白多肽基因,在上皮细胞黏蛋白形成的过程中，无糖黏蛋白被O-聚糖高度修饰。已经发现，人类编码这些黏蛋白的蛋白部分的基因超过8个，并且有4个人类黏蛋白基因呈簇状地存在于染色体11p15.5上。尽管目前不是所有的黏蛋白基因都已被完全测序，但它们的O-糖基化位点已被定位于多肽中的串联的重复序列上（如富含脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸的序列）。,在已发现和确定黏蛋白的脊椎动物物种中，黏蛋白基因不是高度保守的。并且每个黏蛋白都有各自独特的重复序列，它们可重复数十次至数百次。人类的黏蛋白也有多态性，其重复的数目因人而异。,O-聚糖的物理的和结构的功能,分泌后的黏

12、蛋白一般保留在上皮细胞的顶端表面，对上皮细胞起保护屏障的作用。 唾液黏蛋白还为上皮细胞提供润滑作用，可以调控口腔微生物的感染性质。 O-聚糖在ABO-血型抗原的形成中也发挥作用。 各种病原体都能利用细胞表面上O-聚糖的寡糖结构作受体以结合和感染宿主。,O-聚糖在内源性凝集素-配体相互作用中的功能,已有报道，O-聚糖在精卵结合中发挥功能。 脊椎动物的造血系统在其发育和发挥功能时利用O-聚糖。 O-聚糖在淋巴细胞和免疫反应中也发挥功能。,通过利用一些遗传手段改变体内O-聚糖生成的研究正在提供关于O-聚糖功能的有用信息。在各种生理系统中，特异性的O-聚糖连键似乎起着独特的作用。,在脊椎动物O-聚糖生物合成中的酶的缺失及其效应。,发展方向,在脊椎动物O-聚糖生物合成中最常见的合成步骤已