蛋白质糖基化修饰及生物学意义

蛋白质糖基化是一种丰度高、结构类型特别复杂的蛋白质翻译后修饰类型，具有很强的宏观不均一性和微观不均一性。据估计，细胞表达的蛋白质有50%以上为糖蛋白。但目前为止，只有不到20%的蛋白质糖基化得到了实验证实。蛋白质的糖基化酶促反应是一个复杂且精密的过程。通过对蛋白质进行复杂而精确的糖基化修饰，细胞内可以产生丰富的蛋白质类型；通过对各类糖基化信号途径的精密调控，细胞中蛋白质的功能得到了极大的拓展。丰富多样的糖蛋白在细胞内/间的信号转导、免疫调控、蛋白质稳定性维持等过程中都发挥着重要作用。

蛋白质糖基化主要类型与特点

蛋白质糖基化修饰是在糖基转移酶的催化作用下糖链分子与蛋白质氨基酸侧链活性基团反应生成糖苷键，从而使糖链连接到蛋白质上。根据糖基化发生的化学键类型，可将蛋白糖基化修饰主要分为N-糖基化和O-糖基化。

N-糖基化修饰发生在肽链的天冬酰胺（Asn）上，是最常见的糖基化修饰类型。N-糖基化具有两个重要特点：（1）位点特异性，N-糖基转移酶能识别特定的氨基酸基序Asn-X-Thr/Ser，（X可以是除脯氨酸之外任何氨基酸）进行修饰；（2）五糖核心，N-糖基化糖链都包含一个五糖核心，该核心由2个乙酰葡糖胺和3个甘露糖组成（图1红色线框），五糖核心可进一步被修饰上其他糖，形成复杂的N-糖链结构。这两个特点为N-糖蛋白/糖肽的解析提供了重要依据。

图1 | N-糖，O-糖结构与糖基转移酶

O-糖基化修饰通常发生在肽链的丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）上，糖链与Ser/Thr侧链羟基在酶催化下产生O-糖苷键。最常见的一种O-糖基化修饰起始于GalNAc，形成O-GlacNAc键，被称为mucin类O-糖基化（图1蓝色线框）。除此之外，O-糖基化修饰还能起始于甘露糖等糖型。

图2 | 人细胞中常见的糖基化类型

此外, 人细胞中还大量存在鞘糖脂和糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定糖蛋白（图2），本文不做详细展开。

在我们初步了解了蛋白质糖基化后，那么经过糖基化修饰的蛋白质在细胞中扮演什么重要的角色？又如何实现其重要功能？与疾病、生理有什么关系？

细胞中糖蛋白生物学功能

糖蛋白通过调控细胞黏附，细胞配体结合，受体二聚等过程参与细胞内外的信号转导，细胞间的互作，内吞作用，细菌-宿主识别互作等过程（图3）。[2]

图3 | 糖基化修饰调控多种蛋白功能

糖基化与癌症

与正常细胞相比，肿瘤细胞糖基化会发生大范围且多层次的变化。特别是在糖链结构方面出现糖链合成不完整或异常合成增多的现象，异常糖基化导致了癌症的发生。此外，在癌症发生、恶化过程中，糖链扮演重要角色。癌细胞表达的特异糖基化修饰帮助癌细胞破坏细胞黏连，促进其解离，激活信号通路促进肿瘤生长，帮助癌细胞入侵血管，促进癌症转移（图4）。[1]

图4 | 糖链与癌症的发生恶化

当然，在癌症的诊断与治疗中，糖蛋白也具有非常重要的作用。目前发现十余个糖蛋白血清学标志物用于癌症临床诊断。在癌症的免疫治疗中，糖蛋白和糖肽参与了包括抗-肿瘤特异糖链疫苗、抗体抑制免疫疗法、ADC药物靶向疗法、CAR-T 细胞疗法及DC细胞靶向疗法，并发挥重要功能（图5）。[3]

图5 | 糖链参与细胞免疫治疗

蛋白糖基化研究的重要意义

蛋白糖基化修饰是一个复杂多步反应，自然界存在200多种糖基化转移酶决定哪些蛋白、哪些位点被糖基化，以及形成怎样的糖链结构。而且，糖链与蛋白的初始链接通过表达不同的糖基化转移酶而被精密调控，因此，蛋白糖基化与细胞的来源和功能需求响应都有关。

通过对蛋白进行复杂蛋白糖基化修饰，细胞产生了极大丰度的蛋白质类型；通过对各类糖基化信号途径的精密调控，细胞中蛋白质的功能得到极大拓展。

此外，糖基化修饰的改变与诸多病理过程密切相关，例如癌症的发生、转移；包括治疗性抗体在内的糖蛋白在肿瘤免疫治疗方面发挥重要作用。

综上，对细胞中的蛋白糖基化类型、位点、含量变化开展全面、深入研究具有重大的科研与临床转化价值。

由于糖蛋白上糖链结构的多样与复杂，对其结构与功能的研究一直以来是研究者难以攀登的高峰。近年来，得益于快速发展的多种组学技术，研究者们开启了发现糖基化修饰功能的新途径，基于质谱技术的糖蛋白组学研究帮助人们鉴定糖基化酶的底物，进而研究糖蛋白的功能。以上内容，百小蓁将在下一期继续为大家解读。欢迎关注~

参考文献

[1]Pinho, S., Reis, C. Glycosylation in cancer: mechanisms and clinical implications. Nat Rev Cancer 15, 540–555 (2015).

[2]Schjoldager, K.T., Narimatsu, Y., Joshi, H.J. et al. Global view of human protein glycosylation pathways and functions. Nat Rev Mol Cell Biol 21, 729–749 (2020).

[3]RodrÍguez, E., Schetters, S. & van Kooyk, Y. The tumour glyco-code as a novel immune checkpoint for immunotherapy. Nat Rev Immunol 18, 204–211 (2018)