淺談蛋白質(zhì)糖基化修飾與相關(guān)疾病

孫碩洋

【摘要】糖類、蛋白質(zhì)、核酸是構(gòu)成生物體的三類大分子物質(zhì)。糖類除了供能和作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)基礎(chǔ)，還在細胞和蛋白質(zhì)功能方面扮演著十分重要的角色。目前，對于蛋白質(zhì)和核酸的研究比較深入，但是關(guān)于糖類的結(jié)構(gòu)和生物功能的報道較少。

【關(guān)鍵詞】蛋白質(zhì)糖基化；糖尿病；神經(jīng)退行性疾?。话┌Y1糖基化的簡介

細胞內(nèi)經(jīng)常會發(fā)生多種修飾，包括糖基化，磷酸化，甲基化，乙酰化和泛素化等，這些修飾在多種生命活動中發(fā)揮著生物學(xué)功能[1]。

糖基化作為一種重要的修飾，廣泛存在于細胞中，影響細胞的生命活動。這種修飾的具體過程就是將糖供體以糖苷鍵的形式連接到蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或其他分子上的過程。糖苷鍵即指糖的羥基與其他物質(zhì)之間縮合而形成的化學(xué)鍵。其中，蛋白質(zhì)糖基化修飾通常涉及糖的羥基共價結(jié)合到絲氨酸、蘇氨酸、天冬氨酸等的基團上[1]，此過程主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)的高爾基體內(nèi)。

根據(jù)蛋白與糖之間連接的基團的不同，蛋白質(zhì)糖基化類型分為：C-糖基化、N-糖基化、O-糖基化和GPI（糖基磷脂酰肌醇）錨糖基化[1]。在發(fā)生糖基化的過程中，不同種類的糖稱為糖供體，發(fā)生糖基化修飾的蛋白、脂質(zhì)等分子即為糖受體。由于糖供體的種類，構(gòu)型，連接方式多種多樣，以及可以發(fā)生的糖基化的氨基酸種類也多，因此它可能是最豐富且在結(jié)構(gòu)上多樣的一種修飾。

蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾是蛋白質(zhì)糖基化的一種，是在后生動物中核質(zhì)蛋白絲氨酸或蘇氨酸上的一種單糖基化修飾。此過程的糖供體是GlcNAc （N-乙酰葡糖胺），它是以UDP-GlcNAc（尿嘧啶一5-二磷酸-N-GlcNAc）形式存在。糖受體即生物體內(nèi)各種蛋白質(zhì)及酶類。另外，糖基化的發(fā)生還需要兩種酶類：OGT （O-GlcNAc糖基轉(zhuǎn)移酶）和OGA （N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）。它們都是機體內(nèi)存在的兩種重要的酶，OGT負責將G1cNAc添加到蛋白質(zhì)上；OGA則能夠?qū)lcNAc從糖蛋白上水解下來，使GccNAe脫離蛋白質(zhì)[2]。

總體上，發(fā)生蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的整體過程就是通過OGT和OGA以UDP-GlcNAc為底物催化蛋白質(zhì)絲氨酸或蘇氨酸的羥基，形成共價結(jié)合的過程（如圖1）。通過糖基轉(zhuǎn)移酶與糖苷酶共同作用完成糖基化與去糖基化的過程，從而達到動態(tài)、可逆的狀態(tài)。由于UDP-GlcNAc是OGT的底物，所以此過程的發(fā)生依賴于糖供體UDP-GlcNAc的濃度。UDP-GlcNAc的濃度主要是通過HBP（己糖胺合成途徑）合成[2]。在脂肪細胞中，進入細胞的2-5%的葡萄糖通過HBP轉(zhuǎn)換成UDP-GlcNAc和其他代謝。因此，血糖過多時就會造成進入HBP的葡萄糖增多，進而轉(zhuǎn)換成的UDP-GlcNAc增加，O-GlcNAc修飾也會增加。

自從蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾發(fā)現(xiàn)后，越來越清楚絲氨酸或蘇氨酸上的O-GlcNAc修飾是一種豐富的且動態(tài)的翻譯后修飾過程。O-GlcNAc修飾的蛋白已經(jīng)在細胞核和細胞質(zhì)中檢測到，且它的水平能夠響應(yīng)細胞中的營養(yǎng)水平和壓力水平。

2糖基化修飾在生物學(xué)上的功能

生物體內(nèi)一半以上的蛋白存在糖基化修飾，包括轉(zhuǎn)錄因子，糖代謝過程中的各種酶等，涉及到多種生物學(xué)過程[3]。

O-GlcNAc修飾調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程。O-GlcNAc修飾通常能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中相關(guān)蛋白的活性，從而參與到轉(zhuǎn)錄過程中；O-GlcNAc修飾調(diào)控應(yīng)激反應(yīng)。O-GlcNAc修飾水平能夠響應(yīng)細胞中的營養(yǎng)水平和壓力水平。在外界條件變化下，多種細胞也會發(fā)生迅速的O-GlcNAc修飾變化，且對細胞的功能能夠產(chǎn)生深遠的影響；O-GlcNAc修飾調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)途徑。激酶上的O-GlcNAc修飾與磷酸化間的平衡對于它的功能發(fā)揮具有重要作用；O-GlcNAc修飾調(diào)節(jié)細胞周期。在不同的細胞周期，OGT的分布也不同，O-GlcNAc修飾的異常會影響相關(guān)蛋白從而對細胞的生長產(chǎn)生抑制或促進。

3糖基化修飾與多種疾病

翻譯后修飾是指蛋白質(zhì)經(jīng)過翻譯后的化學(xué)修飾，糖基化修飾就是一種廣泛存在的翻譯后修飾（PTMs）過程。糖基化這種翻譯后修飾影響生物體內(nèi)大分子的結(jié)構(gòu)和生物功能，對很多生理途徑有重要意義。

3.1糖尿病

糖尿病是常見的疾病，每年有成千上萬的人死于糖尿病及其并發(fā)癥。其中有95%以上屬于Ⅱ型糖尿病。糖尿病的病因主要是胰島素信號通路的異常。Ⅱ型糖尿病即非胰島素依賴型糖尿病。其典型標志是胰島素耐受。胰島素耐受指體內(nèi)胰島素水平正常但胰島素信號傳導(dǎo)受阻。這與O-GlcNAc修飾是密切相關(guān)的[4]。另外，由于糖尿病病人體內(nèi)葡萄糖和UDP-GlcNAc含量異常升高，高濃度的UDP-GlcNAc增加了SP1的O-GlcNAc修飾，抑制了胰島素信號通路，引起胰島素耐受，使血糖升高。另外，O-GlcNAc修飾在內(nèi)皮細胞中調(diào)控NO產(chǎn)物，促進血管并發(fā)癥并會導(dǎo)致器官的衰竭。O-GlcNAc修飾還會影響糖代謝中很多關(guān)鍵酶的修飾水平，使之功能發(fā)生異常，從而使血糖濃度增高，造成病情加重。所以糖尿病患者的很多并發(fā)癥可能也與O-GlcNAc修飾相關(guān)。例如，糖尿病患者心臟中O-GlcNAc修飾的異常會造成心臟功能障礙，而糖尿病相關(guān)發(fā)病率和死亡率的主要原因就是心機病變[4]。所以降低O-GlcNAc水平可能能夠?qū)μ悄虿〔∪诵呐K功能的控制產(chǎn)生有益影響。

3.2神經(jīng)退行性疾病

O-GlcNAc修飾在神經(jīng)系統(tǒng)如大腦、神經(jīng)纖維中含量豐富。通常在這些系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)O-GlcNAc修飾的異常就會引起神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生[5]。例如，Tau蛋白是維持微管蛋白聚合和穩(wěn)定所必需的，也是引起阿爾茲海默癥（AD）的主要病理。這種蛋白的多種修飾會引起它的毒性，從而使機體產(chǎn)生相關(guān)疾病。因此，改變這些蛋白和其他上游因子的修飾狀態(tài)可能是減少阿爾茲海默癥中毒性蛋白的途徑。

目前，已經(jīng)鑒定出一些神經(jīng)蛋白存在糖基化修飾，這些蛋白存在于神經(jīng)系統(tǒng)中的包涵體中。包涵體的特點在于能夠避免泛素蛋白酶體系統(tǒng)，從而避免降解。從這個角度來看，底物蛋白能夠通過與單個N-乙酰葡萄糖胺共價結(jié)合于絲氨酸或蘇氨酸上形成糖蛋白，轉(zhuǎn)運到包涵體中免于蛋白酶體降解。負責O-GlcNAc動態(tài)系統(tǒng)的兩種酶在大腦中含量豐富，但編碼這兩種酶的基因在神經(jīng)系統(tǒng)中經(jīng)常突變，從而使大腦中OGT與OGA含量異常，導(dǎo)致O-GlcNAc修飾異常。這些數(shù)據(jù)都表明了O-GlcNAc在神經(jīng)退行性疾病中具有重要作用。

3.3癌癥

O-GlcNAc修飾由于涉及細胞周期、應(yīng)激感應(yīng)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等多種細胞途徑和功能，所以可能在正常細胞癌變的過程中產(chǎn)生復(fù)雜的作用。很多類型的癌癥中都顯示出O-GlcNAc水平的增高及OGT和OGA的異常表達[3]。例如，相對于正常樣品，乳腺癌細胞和病人樣品的OGT水平和O-GlcNAc水平都有增高[3]。目前，也已經(jīng)證明了在乳腺癌細胞中OGT和O-GlcNAc水平上的增加。

這種相似的趨勢也在前列腺，結(jié)腸，膀胱，肝腫瘤，白血病，肺胰腺癌，胃癌，卵巢癌中發(fā)現(xiàn)[6]。與正常組織相比，前列腺癌組織中OGT mRNA表達提高，mRNA增高后能夠使OGT蛋白合成增多，O-GlcNAc水平異常，促使mRNA的增加能夠使患者的存活率減少五年。另外，已經(jīng)有人證明了O-GlcNAc水平的提高可以作為前列腺癌病人存活的預(yù)后標志物。卵巢癌中O-GlcNAc能夠促進細胞增殖[7]?？偟膩碚f，這些結(jié)果強調(diào)了OGT和O-GlcNAc水平對于臨床診斷的重要性。

4展望

隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，蛋白質(zhì)糖基化也越來越受到關(guān)注。O-GlcNAc修飾涉及生命活動的方方面面，其功能異常與糖尿病、神經(jīng)退行性疾病及癌癥等密切相關(guān)。但目前蛋白質(zhì)糖基化修飾對于各種疾病的具體影響機制還不太清楚，只有進一步了解其更多的生物功能，才能揭示其中的奧秘，從而能夠為疾病的診斷和治療帶來新的方向。

參考文獻

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