每种蛋白质糖基化工程都要糖基化吗?

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蛋白质糖基化的研究进展_王家红
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蛋白质糖基化修饰研究进展
第25卷’第6期2009年11月BUI科技通报―V01.25No.6J肌N0F SClENCE AND TECHNOLOCYNOV.2009蛋白质糖基化修饰研究进展李 军,杜 鑫,Hosseini S.H.,陈玉银+Moghaddam(浙江大学动物科学学院.杭州310029)摘要:蛋门质翻译后修饰是蛋白质组学的一个组成部分.而蛋白质糖基化是生命体中最重要的一种 蛋白质翻译后修饰之一。糖基化在细胞免疫、信号传导、蛋白翻译调控、蛋白降解等诸多生物过程中起 着重要作用。随着蛋白质组学技术的不断发展。糖基化研究也越来越受到广泛的关注。本文综述了糖基化的分类、在生命体中的作用、最新的研究技术及进展。关键词:蛋白质糖基化;免疫;糖基捕获;质谱 中图分类号:Q51文献标识码:A 文章编号:1001―7119(2009)06―0773―06The Research Progress in Protein GlycosylationModificationLI Jun,DU Xin,Hosseini Moghaddam&H.,CHEN】,“剪n+ (College of Animal Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 31 0029,China)Abstract:Glycosylation isoneof the most important post-translational modifications of the protein.It playsimportantrolein many activities of life,including cell immune,signaltransduction,regulationareof protein translation,proteinondegradation.With the rapid advance in the proteomies,more and more studiestypes of glycosylation,its function and the techniquestofocusingglycosylation.This article reviewed thestudy glycosylation.Key words:protein glycosylation;immune;glyco-catching;massspectrometry基因组计划的提}n到现在已经有近20年的 时间.科学家在基凶组学领域的研究已经取得了 巨大的成就.完成了包括人类、秀丽隐杆线虫、小 鼠、果蝇、蚊子、水稻、家蚕和蜜蜂等物种的基因 组测序工作。但仅仅拥有基因序列,仍然无法很动规律。因为作为生命体现者的蛋白质与基因之 间并不存在严格的线性关系.所以研究人员也逐渐从基因组学研究转向了蛋白质组学研究.研究生命的体现者蛋白质的表达模式和功能模式。但 是蛋白质在生命体内又是动态变化的.并存在多好的解释其生物功能。也不能解释牛物的生命活种翻译后修饰。包括磷酸化、糖基化、泛素化、脂收稿日期:2008―06―20 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(编号2005CBl21003)作者简介:李军(1984一),男,浙江萧山人,博士研究生,主要从事蛋白质组学研究。 }通讯作者:陈玉银,教授、博士生导师,E-mail:chenyy@zju.edu.ca万   方数据 774科技通报第25卷基化、甲基化和乙酰化等修饰。因此有必要对蛋 白质的翻译后修饰进行系统研究。而糖基化是蛋 白质翻译后修饰中最主要的一种修饰之一。对生 命体起着非常重要的作用。50%以上的蛋白质存 在糖基化现象…。涉及到细胞免疫、蛋白翻译调 控、蛋白降解等许多生物过程。本文就糖基化的锚通过与蛋白C端部位结合把蛋白连接到细胞膜 上。不同GPI锚结构中的多糖成分是不同的。GPI 锚的一般结构主要是由乙醇胺.糖核心和肌醇连 接而成.肌醇最终通过磷酸基团与细胞膜中的磷 脂结构相连.乙醇胺则与蛋白质的羧基端相连。生 物体中.许多蛋白质存在此类糖基化.包括一些 水解酶、黏附蛋白、免疫蛋白、补体调节蛋白等。分类及在生命体的作用和糖基化的主要研究技术进行了综述。2糖基化在生命体中的作用蛋白糖基化是蛋白质翻译后修饰中最重要1糖基化类型糖蛋白中的糖部分被称为聚糖。而己糖则是 聚糖中最常见的组分。包括葡萄糖、半乳糖和甘 露糖以及他们的一些简单修饰形式,如葡萄糖的 仅.羟基被酰化氨基取代生成N一乙酰葡糖胺。根据 蛋白质被糖类修饰形式的不同可以把蛋白质糖 基化分成以下四类[2]:1.1的修饰之一.在生命体中起着非常重要的作用。 在生物体中50%以上的蛋白质存在糖基化现象 …,包括染色质蛋白、核孔蛋白、RNA聚合酶II、 转录因子、蛋白翻译调控因子等等.涉及到细胞 免疫、蛋白翻译调控、蛋白降解等许多生物过程。2.1参与免疫分子的成熟包装 未组装主要组织相容性复合体I类分子(ma.o位糖基化: 聚糖与丝氨酸或苏氨酸残基上的氧连接来ior histocompatibilitv complex class I,MHC I)需要修饰蛋白质。此糖基化多发生在临近脯氨酸的丝 氨酸或苏氨酸残基上.但并没有发现特异的序列 作为糖基化位点.O位多聚糖以逐步加接单糖的 形式形成低聚糖。但也有些只连接一个单糖的。1.2通过与天冬酰胺残基相连的糖链的帮助与内质 网分子伴侣钙联素cainexin.Clx)相互作用.然后 此糖链与Clx分离.并与另一分子伴侣钙网素 (calreticulin.Clr)相结合。这两种分子伴侣或其 中一种捕获二巯基氧化酶ERp57.使MHC I重链 链内二硫键的形成。同时MHC I的轻链&M与重 链相连接。而轻链启:M又与包括TAP运载体和跨 膜糖蛋卢1tapasin在内的复合体相连。外来的蛋白 被细胞的蛋白酶体摄取并酶解成肽段.然后被 TAP结合并转运到内质网,使其与MHC I相连。结 果导致MHC I轻链与TAP.tapasin复合体解离。最 终形成了成熟的MHC I:多肽复合体…。 2.2信号传导途径调控 II型糖尿病中.研究人员认为高血糖引起了 异常的O―GlcNAc修饰.导致一些信号事件被缓 冲,使胰岛素受体底物下降,最终胰岛素不能很 好的利用大量的葡萄糖。蛋白O―GIcNAc修饰的 水平对氨基己糖的生物合成途径非常敏感.可以 把O―GIcNAc当作是能量(葡萄糖)可用性的感受 器。在这个模型中.O―GlcNAc修饰的状态和水平 很大程度上依赖与UDP―GlcNAc的可用性.而且 能表现出反映细胞营养状态的调节点。如果O― GIcNAc修饰全面上升或下降,那这将对细胞对外 界刺激的反应能力产生非常大的影响。因此.O一N位糖基化 聚糖与天冬酰胺侧链的酰胺氮连接而修饰蛋白质。在动物细胞中。与天冬酰胺连接的糖,几 乎都是N.乙酰葡糖胺(GleNAc),而且连接方式总 是8构型。 N位糖基化根据其末端精细结构的不同又 可分为高甘露糖型、复合型和杂合型。在N位糖 基化中Asn―Xaa.Ser/Thr(Xaa是除Pm外的任何氨 基酸)被认为是N位糖基化的先决条件.不过少 数情况下Asn.Xaa―Cys序列也可以糖基化。 1.3 C位糖基化㈣ 一分子甘露糖基通过C―C键连接到色氨酸 吲哚环2号位C上,以此形式修饰蛋白质。这种糖 基化多发生在W―X―X―W W―X―X―C或者W―X― X―F序列的第一个色氨酸残基上。在生命体中, 这种糖基化并不多见。1.4糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphophatidyl 糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosph叩hatidyli―inosit01.GPI)锚定连接 nosit01.GPI)锚定连接是指包含糖核心在内的GPI万   方数据 第6期李军等.蛋白质糖基化修饰研究进展775GIcNAc修饰能被看成是细胞内的一种信号.它能 很大程度上决定细胞如何去削减外界对自身的 刺激【51。 2.3参与细胞壁的合成 研究人员把构巢曲霉的编码甘露糖基转移 酶的基因阻断了.结果导致甘露糖基转移酶的活 性只有原来的6%,使一些蛋白无法糖基化.细胞 发生异常现象,细胞壁无法正常形成【6】。 2.4蛋白降解调控 许多关键蛋白都受合成速率和降解速率控 制。而拥有PEST序列或者富含P、E、S、T残基的肽 很容易被磷酸化或其他机制降解.而研究表明被 O―G1cNAc糖基化的蛋白序列富含P、E、S、T残基 而未被降解.这可能是因为蛋白的糖基化阻碍了 其磷酸化。使蛋白不那么容易被降解【引。 2.5参与蛋白质的翻译调控 真核起始因子e IF一2参与了蛋白质合成起 始.但是它的磷酸化能抑制蛋白合成。Gupta的实 验室鉴定了一个能保护e IF一2不受磷酸化的67kDa的e IF一2关联蛋向p67.他们后来发现这个化。把p67蛋白与一种凝集素WGA共培养后.发 现抑制了p67蛋白保护e IF一2的能力.从而导致 其磷酸化,抑制蛋白其始合成[s.9]。 2.6糖基化与疾病 一些疾病也被发现与糖基化异常有关。如第一 个被鉴定为糖基化异常引起的疾病I一细胞病就是 因为N一糖链不能进一步进行甘露糖―6-磷酸修饰而 导致蛋白分解代谢失常所引发的一类贮积病[10]。在 囊性纤维病中,也被证实存在异常糖基化:岩藻糖 增多而唾液酸下降…】。这也成了该病的一种标志。 正因为某些疾病中存在着异常的糖基化现 象.一些针对糖基化的抑制剂也已开始运用于到 疾病的治疗试验中。如仅一葡萄糖苷酶抑制剂阿卡 玻糖,米格列醇等被用于糖尿病治疗临床试验。 N一丁基脱氧野尻霉素和6―0一丁基脱氧野尻霉素 也都已被运用于治疗艾滋病的临床试验中【12】。 3糖基化修饰的研究方法3.1糖蛋白分离 3.1.1“糖基捕获”(glyco.catching)EB3法糖链部分p67蛋白有参与调控e IF一2活性的0一GIcNAc糖基―l一?了②凝集素亲和层析⑥后续研究(曼)HPLC图1Fig.1“糖基捕获”法【倒示意图Schematic diagram of glyco-catching method万   方数据 776科技通报 此法主要根据凝集素能特异性识别并结合第25卷液相色谱(CapLC)等等。几种色谱串连可以形成 多维液相色谱,提高分离效果。Takahashi等f18】建 立三维糖谱图技术分离并鉴定人血清糖蛋白.用 N一寡聚糖糖肽酶消化糖肽释放出聚糖。经PA衍 生在HPLC上.先后经过二乙基氨基乙基离子交 换柱、C18疏水柱和硅酰胺亲水柱分离.洗脱数据 分别列在z、x和y轴,获得人血清糖蛋白的三维液 相糖谱图.借助连续的外切糖苷酶消化目标聚糖 点获得结构信息。 3.2糖基化位点分析 随着质谱技术的不断发展.质谱已成为蛋白 质组中最主要的技术之一。同时它也是分析糖蛋 白应用最广泛的技术。特别是在糖基化位点分 析.质谱技术有其独特的优势。其基本原理是通 过电泳、层析等方法先富集糖蛋白,然后进行质 谱分析.由于在质谱中,糖蛋白骨架包括糖骨架 和蛋白骨架都会有一定的断裂规律.所以根据质 谱所得到的图谱我们可以进行糖基化位点。蛋白 序列.糖结构等分析工作。质谱发展到现在已经 形成了多种体系,可以满足不同的研究需要。目 前主要的电离方法是ESI和MALDI.主要的质量 分析器飞行时间(time.obflight)、四级杆 (quadrupole)、离子阱(ion trap)和傅立叶变换离 子回旋共振质谱(fourier transformion cy.一个或几个特异糖基这一性质.对糖蛋白进行的 分离纯化。常用的凝集素有菜豆凝集素(phaseo.1us vulgaris agglutinin,PHA),麦芽凝集素(wheatgermagglutinin,WGA),伴刀豆凝集素A(Con.canavalin,ConA)等。“糖基捕获”法的基本步骤如图1所示.首先是把样品通过第一次凝集素亲和层析.然后进行酶解,再把酶解的肽段进行第二次凝集素亲和层析.所用的凝集素与第一次的 相同.最后再通过高效液相色谱分离.进入后续 质谱测序等研究工作。3.1.2荧光染料染色法该方法建立在蛋白质组学技术基础上,利用高通量的双向凝胶电泳技术先分离总蛋白.然后 再结合一些特殊荧光染料对糖蛋白进行染色。如 Pro一0 Emerald 488染料能够与高碘酸氧化后的 糖蛋白共价结合,产生高荧光共轭化合物,此共 轭化合物在473 nm或者488 nm波长激发下能产 生绿色荧光信号.这样就能很好的将糖蛋白在凝 胶上显示出来了.此凝胶还可以用SYPRORuby染 料等进行后染色,显示总蛋白。此方法能检测到5~8ng的糖蛋白,这主要取决于蛋白糖基化程度 mechanism.高碘酸Schiff’S的不同和糖成分的不同。该灵敏度比标准的PAS法 (eriodicacid Schiff’S法)高出8~16倍【t 4|。Zhou等[15俐用此方法比较了 正常人肝细胞系Chang’s liver.无转移潜能人肝 细胞肝癌细胞系Hep3B和高转移潜能人肝细胞 肝癌细胞系MHCC97H三者之间的糖蛋白差异. 并发现了一些差异.为肝细胞性肝癌的诊治打下 了良好的基础。 3.1.3液相色谱技术 该技术主要根据糖蛋白的独特性质把它从 蛋白混合物中分离出来.包括分子排阻层析 (SEC)n6】。亲水作用液相色谱(HILIC)[173,毛细管NHclotron)。另外还有一些主要的解离技术.如碰 撞诱导解离(CID)、电子捕获解离(ECD)、电子转 移解离(ETD)和红外线多光子解离(IRMPD)等。 他们之间的不同组合可以产生不同的信息。在实 际研究中我们可以根据需要选用不同的质谱技 术。例如,在分析糖蛋白时,我们只需要糖骨架信 息时.我们可以选用低能量的碰撞诱导解离肽段 (或者用红外线辐射解离),然后用ESI―Q―TOF MS即可.因为此种条件主要只是糖骨架的段裂, 肽骨架很少发生段裂。但是如果同时还需要肽段NHPNGaseR―GIcNAc―N-CO-CH2-CH H C=O◇[》H20H1sO-CO―CH2一CHC=OGlycosylated Asn‘80_tangged Asp1112Fig.2PNGase参与下糖基化天冬酰胺的转变示意图toPNGase-mediated conversion of the glycosylated asparagines1sO from the solvent aspartic acid and concomitant incorporation ofH20万   方数据 第6期李军等.蛋白质糖基化修饰研究进展777的信息时.就要用高能量的碰撞诱导解离肽段或 者选用MALDI―TOF/TOF MS.当然ECD和ETD也 可以参考使用【19]。在得到质谱图后,后面的分析 工作同样非常繁重。需要借助计算机,用软件(如: GlycoMod[驯、GlycoX[21])来帮助完成。Wada等[恐】 利用MALDI离子阱质谱仪.将经酶消化后的糖肽 段.通过碰撞诱导解离(CID),将其变为小片段, 再经过多级串联质谱技术分析。有效地鉴定了 B2.糖蛋白I及其4个N一糖基化位点。Suzuki等[为J用 木瓜蛋白酶酶解小鸡血浆中的IgG,通过HPLC纯 化后.采用MALDI―TOF技术分析了小鸡血浆 IgG的N.糖基化类型及其特异性糖基化位点。现Fut8基因的敲除导致一些生长迟缓.最终导致 死亡[圳。 (2)基因沉默,利用RNA干扰(RNAi)技术. 通过双链RNA(dsRNA)作用与同源基因的特异 性序列.使其沉默。该技术由Fire等例于1998年在 研究线虫基因抑制表达时发现并命名的。随后此 技术在全球得到了广泛的应用.也使得RNAi技术 在控制基因表达方面有了很大的进步㈨。Mori等 用RNAi技术干扰0【一1.6岩藻糖基转移酶基因 (Fut8)的表达。建立了Fut8基因的mRNA表达水 平只有原来20%的中国仓鼠卵巢细胞系。并用于生产IgG。选择的细胞系产生了约60%的去岩藻糖基化的抗体f3lJ。Cieniewski.Bernard等协刷用MALDI一‘rOF鉴定出老鼠骨骼肌中的14种0一糖基化蛋白.分别参与信 号转导、能量代谢和肌肉收缩等生理过程。 另外.同位素标记结合质谱分析在糖基化位 点分析中也起着重要作用。主要过程同glyco. catching法类似。只是在第二次亲和层析之后,增 加了用特异性酶(如PNGase F)在H罗O中酶解糖 基化蛋白这一过程如图2所示.然后再进入LC― MS过程㈣。这样在质谱图中通过H':SO所引起的24展望随着蛋白质组学研究的不断进步.蛋白质糖基化也将越来越受到人们的关注。由于蛋白糖基 化在生命体中的广泛作用.使得蛋白质糖基化也 将成为一个重要课题。但与核酸和蛋白质研究相 比。要全面研究蛋白糖基化存在相当大的困难。个单位分子量的差异就可以鉴定糖基化位点的存在。 3.3糖链结构分析 除了质谱外.核磁共振法是确定糖链结构的 另一有效方法。核磁共振主要是由原子核的自旋 运动引起的.原子核在吸收了一定的能量后,能 从能量较低的平行状态跃迁到能量较高的反平 行状态,而且能量的吸收是量子化。核磁共振法 根据其图谱信息能够准确的计算出聚糖的单糖 组分、环大小、异头碳构象、单糖之间的连接类型 等等。在实际应用中一般采用?3C谱㈨。但是此法 最主要的缺陷在于需要样品量较大.这很大程度 上限制了该法在糖分析上的使用[圳。 当然在糖链结构分析中还可以用其他一些 方法.如酶法和凝集素分析法等等。但这主要取 决于酶或凝集素的已知特性。只限于分析已用其 他方法鉴定过的类似结构。 3.4糖基化功能分析 (1)基因敲除,利用糖基转移酶基因的敲除 是研究糖基化功能的一种重要工具。为了研究核 心岩藻糖的生理作用.Wang等建立了敲除了a― l。6岩藻糖转移酶基因(Fut8基因)的小鼠,并发首先.糖蛋白中的糖成分并没有合成模板.而是通过一系列单个的催化作用进行组装的.而且产 生的结构不是唯一的,具有异质性。第二是糖的 结构与其功能之间并没有一一对应的线性关系. 糖结构中构象和不均一性.给功能研究带来了不 少的麻烦。第三.目前的糖组研究几乎都是静态 的.而生物体糖基化过程是动态的.研究方法的 动态化也是一种必然的发展趋势。不过随着分离 技术和相关仪器的不断发展前进.相信在不久的 将来.人们将能获得糖蛋白更多结构和信息。对蛋白质糖基化的生物功能也将有更多的了解.从而真正揭示其参与生命活动的奥秘.为疾病诊断 和治疗带来新途径。最终造福人类。 参考文献:[1]ApweilerR,Hermjakob H and Sharon N.On the fre- glycosylation.鹪deduced from analy―quency of protein sis 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