生物学家揭示关键碳水化合物附着机制如何发生故障

研究人员发现了身体碳水化合物(糖链或“聚糖”)中一种调节其与其他分子结合方式的结构如何与关键酶相互作用，从而导致一系列疾病。

人体最重要的生化过程之一涉及碳水化合物(糖链或“聚糖”)与蛋白质和脂肪(脂质)的结合，当这一过程发生故障时，患上一系列疾病的风险就会急剧增加。研究人员最近发现，在这种结合过程中，一种关键酶与聚糖中的一种小结构相互作用，可能导致这种分解。

他们的研究成果发表在《生物化学杂志》在线版上。在线版的一篇论文中。

在生物体内，碳水化合物或“聚糖”附着在蛋白质或脂质上的过程(称为“糖基化”)在大量生理过程中起着至关重要的作用。它是细胞识别、细胞信号传导、免疫反应、蛋白质折叠、发育和受精所必需的。同时，聚糖结构的轻微改变可能导致或加重癌症、糖尿病、阿尔茨海默氏症和肌营养不良症等疾病。

事实上，聚糖及其相关过程非常重要，因此有了自己的领域：糖生物学。在这个学科中，几乎所有负责人类聚糖生产的酶(启动或加速化学反应的分子)都已被识别和分类，以及各种生产过程或“生物合成途径”。

然而，尽管糖生物学作为一个领域已经成熟，研究人员和临床医生仍然需要能够更准确地预测和微调聚糖结构，从而更好地应对糖基化功能障碍可能导致的各种疾病。因此，研究人员仍然需要更好地了解将聚糖附着到蛋白质或脂质上的酶(“糖转移酶”)的活性在细胞内是如何调节的。

在两种类型的聚糖中，N 连接聚糖(与蛋白质内的氮原子连接的聚糖)和 O 连接聚糖(与蛋白质内的氧原子连接的聚糖)，存在一种由两种糖组成的结构，称为 LacdiNAc，或简称为 LDN，位于聚糖的末端(末端位置)或半末端(次末端位置)。LDN 结构的生物合成由两种酶中的一种催化，即 B4GALNT3 或 B4GALNT4。在其他聚糖中，没有 LDN，而是略有不同的双糖结构，称为 LacNAc。

这种 LDN 结构已被证实参与一系列重要的身体过程，并且在许多疾病中其功能失调。特别是，体内循环的几种激素被 LDN 修饰，并且 LDN 似乎参与干细胞的维持。此外，催化 LDN 生物合成的 B4GALNT3 变体与骨密度降低和骨折风险增加有关，并且当 B4GALNT3 似乎被关闭时，结肠癌的风险会增加。

“鉴于所有这些与疾病和关键身体过程有关的确凿证据，我们必须了解这些酶如何合成 LDN，”本文首席研究员、岐阜大学糖核研究所 (iGCORE) 的糖生物学家 Yasuhiko Kizuka 说道。“但到目前为止，这些过程一直是个黑匣子。”

但近年来，结构生物学、酶学和糖组学的进展提供了新的工具和技术，为此类研究提供了可能性。

首先，通过对所有已知的人类糖基转移酶的结构进行筛选，研究人员发现，在两种类型的B4GALNT中，都有一个独特的特征，即在其他糖基转移酶中不常见的“PA14结构域”。

研究人员还将正常 B4GALNT3 的酶活性与他们突变的糖基转移酶版本进行了比较，突变后的版本缺乏 PA14 结构域，以了解当这种结构缺失时会发生什么。然后，他们将正常 B4GALNT3 的活性与其他正常糖基转移酶和聚糖修饰酶进行了比较。

此外，论文作者还制作了 B4GALNT3 及其 PA14 结构域的计算机模型，以研究影响酶活性的潜在结合相互作用和结构特征。他们还进行了各种生化分析，以表征 B4GALNT3 产生的聚糖的结构，包括它们的“表位”——与其他分子相互作用的识别位点——然后研究了 LDN 对这些表位制造的影响。

他们发现，缺少 PA14 结构域的 B4GALNT3 突变版本与 N 连接和 O 连接聚糖以及糖蛋白相关的活性显著降低。这表明 PA14 结构域对于酶活性至关重要。

研究人员还能够更好地理解 LDN 和 LacNAc 之间的功能差异。他们发现，LDN 取代 LacNAc 会对许多糖基转移酶在 N-聚糖末端修饰或添加糖残基的作用产生负面影响。这些末端修饰(称为“N-聚糖封端”)在确定糖蛋白的结构、功能、稳定性和相互作用方面起着至关重要的作用。

“换句话说，LDN 对与典型的 LacNAc 结构完全不同的 N-聚糖的产生有显著影响，”Yasuhiko Kizuka 说。

研究人员现在希望深入研究 B4GALNT3 和 LDN 在疾病发病机制中的作用并确定潜在的治疗靶点。