糖基转移酶

一号

【预备知识】

糖基化在生物体中普遍存在 #92

糖基转移酶（Glycosyltransferases）和糖苷酶（glycosidases）负责糖链的组装、加工和更新。此外，还有一些转移酶通过添加乙酰（acetyl）、甲基（methyl）、磷酸（phosphate）、硫酸（sulfate）等基团来修饰糖链。

糖链的生物合成主要由糖基转移酶（glycosyltransferases）决定，它们将单糖基团组装成线性或分支的糖链。

糖基转移酶构成了一个非常庞大的酶家族。在许多情况下，它们催化一种基团转移反应，其中简单的核苷酸糖供体（电亲体）底物（例如 UDP-半乳糖（UDP-Gal）、GDP-岩藻糖（GDP-Fuc）或 CMP-唾液酸（CMP-Sia））的单糖基团被转移到受体（亲核体）底物上。在某些情况下，供体底物包含一个脂质基团，例如与甘露糖或葡萄糖连接的多戊烯醇磷酸（dolichol-phosphate）。对于其他糖基转移酶，供体底物是与寡糖连接的多戊烯醇二磷酸（dolichol-pyrophosphate），在这些情况下，整个寡糖会以块状形式转移到受体底物上。类似地，其他脂质连接的糖作为供体底物，参与细菌糖基转移酶的催化，这些酶涉及肽聚糖（例如，GlcNAc-MurNAc（五肽）-十一烯醇二磷酸）、脂多糖和荚膜的组装。

已经表征了使用单糖、寡糖、蛋白质、脂质、小分子有机物和DNA作为受体底物的糖基转移酶（也有提议的RNA活性）。在这些酶中，绝大多数负责延长这些糖缀合物的糖链部分；其余的则负责将单糖或寡糖直接转移到多肽或脂质上。一般而言，延长糖链的酶按顺序作用，使得一个酶的产物成为下一个酶的优选受体底物。最终结果是由单糖通过糖苷键相互连接形成的线性和/或分支结构。当受体底物具有多肽或脂质基团时，糖链延长的糖基转移酶通常不识别这些基团，尽管有一些显著的例外，具体如下所述。

去除单糖以形成中间体并进一步被糖基转移酶作用的糖苷酶（glycosidases）也在某些糖链类型的生物合成中发挥作用。这些与参与糖链降解的糖苷酶（例如，溶酶体中的糖苷酶有所不同。

此外，糖链还可以被许多其他类型的酶修饰，包括

硫转移酶（sulfotransferases）
磷酸转移酶（phosphotransferases）
O-乙酰转移酶（O-acetyltransferases）
O-甲基转移酶（O-methyltransferases）
丙酮酸转移酶（pyruvyltransferases）
磷酸乙醇胺转移酶（phosphoethanolamine transferases）

糖基转移酶的特异性

大多数糖基转移酶对其供体和受体底物具有高度的特异性，这促使 Saul Roseman 及其同事提出了“一个酶–一个连接”（one enzyme–one linkage）假说。人类B血型α1-3半乳糖基转移酶（human B blood group α1-3 galactosyltransferase）就是这一概念的典型例子。该酶催化一种糖基化反应，将半乳糖通过α连接添加到受体底物上半乳糖残基的C-3羟基。然而，该酶只作用于由岩藻糖在α1-2连接修饰的半乳糖。

回复并刷新后可见

人类B血型α1-3半乳糖基转移酶对受体底物的严格特异性。B转移酶将半乳糖通过α1-3连接添加到H抗原上，形成B抗原（右上）。该酶需要H抗原的α1-2连接岩藻糖修饰才能发挥活性，因为B转移酶不会添加到未修饰的2型前体（左上）或被唾液酸修饰的前体或其他单糖上。

也有一些情况，一个以上的糖基转移酶可以使用相同的受体生成相同的连接。例如，人类岩藻糖基转移酶III–VII都会将岩藻糖通过α1-3连接添加到糖链上的N-乙酰乳糖胺（N-acetyllactosamine）基团。某些糖基转移酶对受体的宽松特异性表现在α2-3唾液酸转移酶和β1-4半乳糖基转移酶上，分别广泛作用于β连接的半乳糖和N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine）。

在一些罕见的情况下，一个酶可以催化多种反应。例如，人类岩藻糖基转移酶III可以将岩藻糖通过α1-3或α1-4连接添加，而一种名为EXTL2的酶可以将N-乙酰半乳糖胺或N-乙酰葡萄糖胺通过α连接添加到葡萄糖醛酸（glucuronic acid）。参与N-乙酰乳糖胺合成的β1-4半乳糖基转移酶显示出在特异性上的不寻常灵活性。当β1-4半乳糖基转移酶与α-乳白蛋白结合（该复合物被称为乳糖合酶）时，它将其受体特异性从N-乙酰葡萄糖胺转变为葡萄糖，从而在乳汁生产过程中合成乳糖和其他寡糖。

最后，一些糖基转移酶具有两个不同底物特异性的独立活性位点。例如，合成肝素硫酸（heparan sulfate）（EXT1）和透明质酸（hyaluronan）（HAS）骨架的酶具有一个催化N-乙酰葡萄糖胺与葡萄糖醛酸连接的活性位点，另一个则将葡萄糖醛酸与N-乙酰葡萄糖胺连接。然而，以上所描述的例子都是大多数糖基转移酶所表现出的通常严格的供体、受体和连接特异性的例外，而这种特性有助于定义和限制在特定细胞类型或有机体中观察到的糖链结构的数量和类型。

将单糖或寡糖直接转移到多肽或脂质基团上的糖基转移酶也显示出高度的底物特异性。

参与糖鞘氨脂（glycosphingolipids）合成的糖基转移酶将单糖基团转移到原本为鞘氨醇脂质前体中丝氨酸（serine）残基上。由于不同的糖鞘氨脂具有不同的鞘氨醇基团，某些糖基转移酶，如唾液酸转移酶，似乎基于鞘氨醇基团的性质有选择性地识别它们的底物。

识别受体底物蛋白质部分的糖基转移酶

将糖直接转移到蛋白质或糖蛋白多肽链 (polypeptide chain) 上的糖基转移酶 (glycosyltransferases) 以多种不同方式识别其受体底物 (acceptor substrates)。所有真核 N-聚糖均由寡糖基转移酶 (OST) 启动，这通常是一种驻留于 ER 的多亚基酶，它将完整的 Glc3Man9GlcNAc2 转移到序列基序 Asn-X-Ser/Thr（其中 X 可以是除脯氨酸外的任何氨基酸）中的天冬酰胺残基侧链上。

相比之下，负责启动黏蛋白型 O-聚糖 (mucin-type O-glycans) 的多肽 GalNAc 转移酶 (polypeptide GalNAc transferases) 在蛋白质折叠并转运到高尔基体 (Golgi) 之后才发挥作用。多肽 O-GalNAc 转移酶不识别特定的序列基序，通常将GalNAc 转移到折叠蛋白质中相对非结构化区域 (relatively unstructured regions) 的丝氨酸 (serine) 和苏氨酸 (threonine) 残基的侧链羟基上。一些多肽 O-GalNAc 转移酶拥有一个凝集素结构域 (lectin domain)，用于将糖基转移酶引导至已具有 O-聚糖链的多肽区域。通过这种方式，可以合成具有高度 O-聚糖取代的黏蛋白结构典型区域。

除了多肽 O-GalNAc 转移酶形成的 O-GalNAc 键外，许多其他糖基转移酶可以将糖基添加到丝氨酸和苏氨酸的侧链羟基上，从而生成 O-GlcNAc、O-Fuc、O-Glc、O-Man 和 O-Xyl 键。对于特定丝氨酸或苏氨酸残基的特异性 (Specificity) 是通过不同的方式实现的。例如，在硫酸软骨素 (chondroitin) 和硫酸乙酰肝素 (heparan sulfate proteoglycans) 蛋白聚糖中将丝氨酸残基进行 O-木糖基化 (O-xylosylates) 的木糖基转移酶 (xylosyltransferase)，绝对需要丝氨酸羧基端的甘氨酸残基和/或糖基化位点附近的更多酸性残基。相反，负责将 N-乙酰葡糖胺添加到数千种核和细胞质蛋白质 (nuclear and cytoplasmic proteins) 的丝氨酸和苏氨酸残基上的 O-GlcNAc 转移酶 (OGT)，缺乏任何明显与受体底物结合特异性相关的共有序列 (obvious consensus sequence)。

表. 用于形成糖肽键的氨基酸共有序列或糖基化基序

Glycopeptide bond	Consensus sequence or peptide motif
N-linked:
GlcNAc-β-Asn	Asn-X-Ser/Thr (X = any amino acid except Pro)
Glc-β-Asn	Asn-X-Ser/Thr
O-linked:
GalNAc-α-Ser/Thr	repeat domains rich in Ser, Thr, Pro, Gly, Ala with no specific sequence
GlcNAc-α-Thr	Thr-rich domain near Pro residues
GlcNAc-β-Ser/Thr	Ser/Thr-rich domains near Pro, Val, Ala, Gly
	EGF modules (Cys-X-X-G-X-Ser/Thr-G-X-X-Cys)
Man-α-Ser/Thr α	Ser/Thr-rich domains
Fuc-α-Ser/Thr	EGF modules (Cys-X-X-X-X-Ser/Thr-Cys) TSR modules (Cys-X-X-Ser/Thr-Cys-X-X-Gly)
Glc-β-Ser	EGF modules (Cys-X-Ser-X-Pro/Ala-Cys)
Xyl-β-Ser	Ser-Gly (in the vicinity of one or more acidic residues)
Glc/GlcNAc-Thr	Rho: Thr-37; Ras, Rac; Cdc42: Thr-35
Gal-Thr	Gly-X-Thr (X = Ala, Arg, Pro, Hyp, Ser) (vent worm)
Gal-β-Hyl	collagen repeats (X-Hyl-Gly)
Ara-α-Hyp	repetitive Hyp-rich domains (e.g., Lys-Pro-Hyp-Hyp-Val)
GlcNAc-Hyp	Skp1: Hyp-143
Glc-α-Tyr	glycogenin: Tyr-194
GlcNAc-α-1-P-Ser	Ser-rich domains (e.g., Ala-Ser-Ser-Ala)
Man-α-1-P-Ser	Ser-rich repeat domains
C-linked:
Man-α-C-Trp	Trp-X-X-Trp

驻留于内质网的 O-岩藻糖基转移酶 POFUT1 和 POFUT2 分别特异性地岩藻糖基化EGF样结构域和血小板反应蛋白 1 型重复序列 (TSRs)，它们与其他大多数糖基转移酶有根本的不同。除了识别包含靶向丝氨酸或苏氨酸残基的特定序列基序外，这些酶只作用于正确折叠并形成二硫键的 EGF 样结构域和 TSRs。向 EGF 样结构域中其他丝氨酸和苏氨酸残基添加 O-Glc 和 O-GlcNAc 的糖基转移酶也存在，这些酶也识别特定的序列基序并需要折叠的 EGF 样结构域。

许多作用于糖蛋白的聚糖延伸糖基转移酶 (glycan-elongating glycosyltransferases) 也识别其受体底物中的多肽部分。

糖蛋白激素 GalNAc 转移酶（β1−4GalNAcTs 家族的成员）提供了一个有趣的例子：N-聚糖的修饰取决于被修饰 N-聚糖氨基端 (amino-terminally) 几个氨基酸位置上是否存在蛋白质序列基序 Pro-X-Arg/Lys。该基序通常紧接着额外的带正电荷残基 (positively charged residues)。其受体底物人绒毛膜促性腺激素 (human chorionic gonadotropin，hCG) 的 X 射线晶体结构表明，Pro-X-Arg/Lys 基序位于一个短的表面暴露螺旋 (short surface-exposed helix) 的开头，该螺旋也包含额外的带正电荷残基（图 6.2）。

回复并刷新后可见

图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 6.2. 人绒毛膜促性腺激素 (hCG)上的糖蛋白激素 N-乙酰半乳糖胺基转移酶 (GalNAc) 所使用的识别决定簇 (determinants of recognition)。hCG片段（残基 34–58）的带状图 (Ribbon diagram)（蛋白质数据库 PDB ID 1HRP）。其中的 Pro40-Leu41-Arg42 三肽以及残基 Lys44 和 Lys45 对应于糖蛋白激素 GalNAc 转移酶识别所必需的关键残基。残基 Asn52-Val53-Thr54 对应于被该酶修饰的 N-聚糖（位于 Asn52 处）的 N-糖基化序列基序 (N-glycosylation sequence motif)。图中仅显示了完整受体 N-聚糖的双乙酰壳多糖核心 (chitobiose core，即 GlcNAcβ1−4GlcNAc)。

该酶转移的 N-乙酰半乳糖胺残基随后进行生物学上重要的 4-O-硫酸化反应 (4-O-sulfation reaction)，在黄体生成素 (luteinizing hormone) 和卵泡刺激素 (follicle-stimulating hormone) 的情况下，该反应会生成被特定肝脏清除受体 (liver clearance receptors) 识别的决定簇，从而将它们从血液中清除。仅延伸 POFUT1 或 POFUT2 添加的岩藻糖部分的糖基转移酶也存在。这些酶的特异性源于它们识别岩藻糖部分以及其受体底物的 EGF 样和 TSR 组分的能力。作用于特定糖蛋白底物以延伸聚糖的额外酶包括作用于神经细胞粘附分子 (NCAM) 和神经纤毛蛋白-2 (neuropilin-2) 的多唾液酸转移酶 (polysialyltransferases)，以及在蛋白聚糖上硫酸乙酰肝素生物合成的第一个决定性步骤中，将 N-乙酰葡糖胺以 α1−4 键添加到葡糖醛酸上的 N-乙酰葡糖胺转移酶 EXTL3。

GlcNAc-1-磷酸转移酶 (GlcNAc-1-phosphotransferase) 选择性修饰 (selectively modifies) 溶酶体酶 (lysosomal enzymes) 上发现的 N-聚糖，这些酶在三维结构上不同，并且缺乏任何明显且共同的蛋白质序列基序。在这种情况下，这种酶的修饰已被证明依赖于与 N-聚糖位点适当间隔和定位的赖氨酸残基。

驻留于 ER 的葡糖基转移酶 UGGT 也能够将糖转移到大量但独特的糖蛋白底物子集的 N-聚糖上。在这种情况下，该酶将一个葡萄糖部分添加到错误折叠糖蛋白 (misfolded glycoproteins) 的 N-聚糖上，使其成为 ER 驻留凝集素钙网蛋白 (calnexin) 和钙转运蛋白 (calreticulin) 的底物。这些凝集素反过来招募折叠催化剂 (folding catalysts)，促进正确的二硫键形成和脯氨酸残基的顺反异构化 (cis–trans isomerization)。

【进阶】