【预备知识】
- 糖生物学 #80
经过三十多亿年的进化，每个自由生活的细胞和真核生物体内的每种细胞类型仍然覆盖着一层致密而复杂的聚糖层。即使是从受感染细胞出芽的有包膜病毒，也带有宿主的糖基化模式。此外，大多数分泌分子都是糖基化的，多细胞生物的细胞外基质富含聚糖和糖缀合物。单细胞生物聚集时分泌的基质（例如细菌生物膜）也含有聚糖。
因此，进化一再且始终选择聚糖作为位于细胞与细胞外环境界面上最多样化和最灵活的分子。可能的原因包括它们在水环境中的相对亲水性、柔性和流动性，以及它们极高的多样性，使得它们能够轻松地对变化的环境和病原体机制进行短期和长期适应。
在细菌、古菌和真菌中，聚糖在细胞壁中发挥着关键的结构作用，并抵抗细胞质与环境之间巨大的渗透压差异。在真核生物中，分泌蛋白和膜蛋白通常都会经过内质网 (ER) – 高尔基体途径，这是发生许多主要糖基化反应的细胞系统。
动物血浆中的大多数蛋白质（白蛋白除外）也经过大量糖基化，这些和其他分泌蛋白的糖基化可以提供溶解性、亲水性和负电荷，从而减少不必要的分子间相互作用并防止蛋白水解。细胞表面膜蛋白，如受体、粘附分子和通道，通常是糖基化的，这种修饰可以促进它们正确的折叠、确保它们的稳定性并影响功能。
真核生物的 ER–高尔基体途径
乔治·帕拉德 (George Palade) 的经典研究表明，真核细胞中的大多数细胞表面和分泌蛋白是共翻译转运到 ER 中，在那里它们被折叠、修饰并接受质量控制机制的检查。然后，它们通过中间隔室 (IC) 穿过多层高尔基体，最终从反式高尔基网络 (TGN) 分配到各种目的地。
分泌途径蛋白质可以进行 N-糖基化、O-糖基化，和糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚修饰，有些被称为蛋白聚糖的蛋白质则用附着的糖胺聚糖链修饰。
N-连接聚糖和 GPI 锚在转移到蛋白质上之前进行预组装，然后在 ER–高尔基体途径中进一步修饰。O-连接聚糖和糖胺聚糖的逐步组装，以及脂质的糖基化，涉及 ER 和高尔基体中的反应。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 4.1. 主要类型真核糖缀合物在 ER–高尔基体–质膜途径中与亚细胞运输相关的起始和成熟。该图概述了动物细胞中主要聚糖类别的起始、修剪和延伸的不同机制和拓扑结构。星号表示在高尔基体中向聚糖添加外层糖。
N-聚糖和糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚是通过将一个大的预制前体聚糖整体转移到新合成的糖蛋白上来起始的。O-聚糖和硫酸化糖胺聚糖的起始是通过向丝氨酸或苏氨酸（在 O-聚糖的情况下）或向特定的四糖连接子（在硫酸化糖胺聚糖的情况下）添加单个单糖，然后进行延伸。最常见的鞘糖脂是通过将葡萄糖添加到 ER–高尔基体隔室外表面的神经酰胺上起始的，然后聚糖翻转到内腔中进行延伸。
在 ER–高尔基体途径中，一些聚糖链是在细胞内膜的细胞质侧合成的，并翻转到另一侧，但大多数是添加到 ER 或高尔基体内部内腔中不断生长的链上。无论如何，分子面向 ER 或高尔基体内腔内部的部分最终将面向细胞外部或分泌颗粒或溶酶体的内部。迄今为止，没有明确记录的例外情况违反这一拓扑规则。
当然，对于核和细胞质糖基化，这些拓扑学考虑因素是相反的，因为这些反应的相关糖基转移酶的活性位点面向细胞质。
一些注定要进入细胞外空间的“无前导序列分泌蛋白”从未进入 ER 内腔，而是通过质膜直接转移，通过尚未明确的机制，包括细胞因子如 IL−1β 和 IL−18、生长因子如成纤维细胞生长因子 2 (FGF2) 和半乳糖凝集素。有趣的是，其中许多蛋白质具有聚糖结合特性，如果它们反而穿过富含聚糖的 ER–高尔基体途径，这可能会引起问题。
糖基化反应的供体
大多数糖基化反应都使用活化形式的单糖（通常是核苷酸糖，在某些情况下是脂质-磷酸连接的糖，如磷酸多萜醇甘露糖）作为糖基转移酶的供体。
自然界中也发生各种聚糖修饰。其中，最常见的是由硫基转移酶、乙酰转移酶和甲基转移酶产生的，它们分别使用活化形式的硫酸根（3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸盐；PAPS）、乙酸酯（乙酰辅酶 A；acetyl−CoA）和甲基基团（S-腺苷甲硫氨酸；AdoMet）。
几乎所有用于糖基化反应和聚糖修饰的供体都是在细胞溶质隔室内，由内源性前体合成的。在真核生物中，大多数这些供体通过特定的多跨膜转运蛋白被主动转运穿过膜双层，从而在 ER–高尔基体途径的内腔中可用于反应。
真核生物的核和细胞质糖基化
多年来，细胞核和细胞溶质（通过核孔在拓扑学上半连续）被认为是缺乏糖基化能力的。
事实上，O-GlcNAc在数量上很可能是许多细胞中最常见的糖缀合物类型。负责在核和细胞质蛋白质上合成 O-连接 GlcNAc 的 O-GlcNAc 转移酶 (OGT) 和去除该单糖的 O-GlcNAc 酶 (OGA) 都是这些隔室中的可溶性蛋白质。
此外，特定的细胞溶质蛋白质可以被 O-Glc、O-Fuc 或 O-Man 修饰。
质膜上的糖基化反应
由于原核细胞没有 ER–高尔基体途径，它们通常在细胞质膜与细胞质的界面或在周质空间中生成其细胞表面聚糖。
其他糖缀合物，如脊椎动物细胞中的透明质酸、无脊椎动物细胞中的几丁质和植物细胞中的纤维素，是在质膜的细胞质侧合成的，并同时被挤出穿过膜到外部。参与这些糖缀合物合成的酶似乎介导了这种挤出。
典型的真核高尔基体糖基化酶也已在细胞表面或作为可溶性形式在细胞外空间中发现。这些糖基转移酶是否会常规地拥有足够的核苷酸糖供体来修饰细胞表面聚糖尚不清楚，但至少有一个例子已被记录。
另一方面，有动物细胞中细胞表面聚糖重塑的例子——例如，修饰硫酸乙酰肝素糖胺聚糖的内硫酸化酶 (Sulf 酶)和去除细胞表面唾液酸的内源性唾液酸酶。
一些原生动物寄生虫，如锥虫，使用转唾液酸转移酶将唾液酸从宿主糖缀合物转移到它们的细胞表面聚糖上。
真细菌和古菌中的糖基化途径
原核生物多糖和寡糖的组装途径与真核生物 ER 和质膜中发现的途径非常相似。它们在细胞质中组装，然后转运穿过质膜。
对于许多生物合成途径，例如革兰氏阴性菌中的 O-抗原生物合成、古菌和一些革兰氏阴性菌中的 N-连接蛋白质糖基化，或革兰氏阳性菌中的 S-层生物合成，寡糖在质膜内侧的脂质载体上组装，然后翻转到周质空间侧。寡糖的合成可以在周质空间中继续进行，但对于这些反应，类异戊二烯连接的单糖充当活化底物，就像在放线菌（分枝杆菌）的细胞壁生物发生中一样。
意料之外亚细胞定位的糖基化
有一些关于意料之外位置糖基化的零星报道——例如，线粒体中的神经节苷脂以及细胞核中的 GAGs 和 N-聚糖。其中许多说法基于不完整的证据。一种可能性是，在这些意料之外的位置确实存在聚糖，但它们的真实结构是新颖的。反之，尽管结构证据可能很强，但可能没有足够的证据来确定所声称结构的拓扑结构。
【进阶】
- 真核生物分泌途径中的糖基化 #93
- 聚糖的周转和回收 #100
