蛋白质的糖基化修饰（一）

在蛋白质的多种翻译后修饰中，糖基化（glycosylation）是非常重要的一种。糖基在酶的催化下，与蛋白质上的某些残基形成共价连接，通常是糖苷键。

需要与之区别的是糖化（glycation）。在糖尿病等情况下，葡糖糖可以与蛋白质中的赖氨酸自发反应，形成席夫碱再重排，产生糖化蛋白。此后还可以进一步反应，生成更复杂的衍生物。

蛋白质的糖化反应。Clin Chim Acta. 2013 Oct 21; 0: 64–76.

所以糖化之后糖基已经成为一种衍生物，而糖基化之后糖基仍然是完整的。其实广义的糖化包括所有将糖连接到蛋白质上的反应，即包括糖基化。不过现在一般特指上面所说的非酶促反应。

高度亲水的糖基，对于蛋白质的理化性质和生物功能都可以产生重大影响，单糖和糖链结构的多样性又很适合作为标签，所以糖基化在生物体中非常普遍。在所有的已知蛋白质中，约有50％是被糖基化的，而人类基因组中至少1％的基因参与聚糖生物合成。

据估计，哺乳动物中的糖链大约有七千多种结构，其结构单体约为10种单糖（包括糖衍生物）：葡萄糖（Glc）、半乳糖（Gal）、甘露糖（MAN）、木糖（Xyl）、岩藻糖（Fuc）、N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）、N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）、葡萄糖醛酸（GlcA）、艾杜糖醛酸（IDOA）、唾液酸（SA）。其中两种糖醛酸主要分布在蛋白聚糖中。

糖基化中的单糖构件及连接方式。Annu Rev Pathol. 2015; 10: 473–510.

在基本氨基酸中，至少有9种氨基酸残基可以被糖基修饰。糖基可以通过多种方式与蛋白质相连，例如与Asn侧链的酰胺键相连（N-糖基化），通过糖苷键与Ser、Thr、羟基赖氨酸（胶原）或Tyr（糖原蛋白）的羟基相连（O-糖基化），或通过C-C键连接到Trp的C2位置（C-甘露糖基化）。另外，还可以通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚间接与蛋白质相连。

在真核生物中，细胞中的绝大多数蛋白质糖基化都沿着分泌途径发生，从内质网开始，在高尔基体中完成。修饰的结果可以影响其定位，例如高尔基体中对甘露糖的磷酸化将导致蛋白质从默认的分泌途径转移到溶酶体途径。

N-糖基化是真核生物中最普遍的糖基化形式，相关研究也最为深入。真核生物通常在内质网进行核心糖化，即用寡糖基转移酶（oligosaccharyltransferase，OST）催化，将一段预先合成好的糖链（核心糖链）转移到目的蛋白Asn-X-（Ser / Thr）序列中的Asn上，其中X代表除Pro外的任何氨基酸。

蛋白质N-糖基化及调控。Nat Rev Mol Cell Biol. 2012 Jun 22; 13(7): 448–462.

核心糖链由多萜醇（dolichol）运载，称为脂连接寡糖（lipid-linked oligosaccharide，LLO）。多萜醇是以胆固醇合成的中间体IPP和FPP为原料合成的，被多萜醇激酶（DOLK）用CTP磷酸化，生成磷酸多萜醇（Dol-P）。

在内质网膜的胞质面上，磷酸多萜醇与UDP-GlcNAc反应，生成GlcNAc-PP-Dol结构。然后再依次与UDP-GlcNAc和5个GDP-Man反应，生成Man5 GlcNAc2-PP-Dol结构。此结构会翻转到内质网腔一侧，继续添加4个甘露糖和3个葡糖糖，形成LLO，结构为Glc3Man9GlcNAc2-PP-Dol。

LLO的合成与转移。themedicalbiochemistrypage

LLO的糖链被OST转移到新生肽链的Asn-X-（Ser / Thr）序列（也有少数情况下是ASN-X-Cys或其它非标准序列）。严格来说，这一步其实主要是共翻译糖基化（co-translational glycosylation），少数情况下才是翻译后糖基化。有文献认为，受体肽段为NXS时，糖基化效率比NXT低40倍，容易导致翻译后糖基化。

OST-易位体复合物模型。Nature. 2018 Mar 15; 555(7696): 328–333.

核心糖链转移后还需要进行一些修饰，主要是末端葡萄糖的去除。之后蛋白进入高尔基体，进行末端糖化，包括去除一些甘露糖、添加其它糖基等。末端糖化后，N-糖基化蛋白主要分为3种类型：含有全部9个甘露糖的高甘露糖型（high mannose）、含有其它糖基的杂合型（hybrid），以及含有唾液酸的复合型（complex）。

N-糖蛋白的主要糖链结构类型。themedicalbiochemistrypage

参考文献：

1. 王克夷, 糖基化(Glycosylation)和糖化(Glycation). 生命的化学(中国生物化学会通讯), 1986, 6, 38.

2. Jeanethe Anguizola, et al. Review: Glycation of human serum albumin. Clin Chim Acta. 2013 Oct 21; 0: 64–76.

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5. Lin Bai, et al. The atomic structure of a eukaryotic oligosaccharyl transferase complex. Nature. 2018 Mar 15; 555(7696): 328–333.

6. Heidi L. H. Malaby, et al. Molecular Determinants of Co- and Post-translational N-glycosylation of Type I Transmembrane Peptides. Biochem J. 2013 Aug 1; 453(3): 10.1042/BJ20130028.