N연계 글리코실화

N-linked glycosylation
다른 유기체에서 생성되는 다양한 종류의 지질연계 올리고당(LLO) 전구체.

N-연계 글리코실레이션(N-linked glycosylation)은 생화학에서 연구된 N-glycosylation(N-glycosylation)[1]이라고 하는 과정에서 글리칸(glycan)이라고도 불리기도 하는 여러 개의 설탕 분자로 구성된 탄수화물인 올리고당류를 질소 원자(Asparagine(Asn) 잔류물의 아미드 질소)에 부착한다. 이러한 종류의 연계는 많은 진핵 단백질의 구조와[2] 기능[3] 모두에 중요하다. N-연계 글리코실화 과정은 진핵생물에서 광범위하게 발생하지만 박테리아에서는 매우 드물다. 당단백질에 부착된 N연계 글리칸의 성질은 당단백질이 발현되는 단백질과 세포에 의해 결정된다.[4] 그것은 또한 종마다 다르다. 다른 종들은 다른 종류의 N-연계 글리칸을 합성한다.

본드 형성의 정력

당단백질에는 두 가지 종류의 결합이 있다: 당단백질 잔류물 사이의 결합과 당단백질 사슬과 단백질 분자의 연결이다.

설탕모에티는 글리코시드 결합을 통해 글리칸 체인의 서로 연결된다. 이러한 결합은 일반적으로 설탕 분자의 탄소 1과 4 사이에 형성된다. 글리코시드 결합의 형성은 정력적으로 불리하며, 따라서 그 반응은 두 ATP 분자의 가수분해와 결합된다.[4]

한편, 단백질에 글리칸 잔류물을 부착하는 것은 일치된 순서의 인식을 필요로 한다. N 연계 글리칸은 거의 항상 Asn-X-Ser/Thr 컨센서스 시퀀스의 일부로 존재하는 아스파라긴(Asn) 사이드 체인의 질소 원자에 부착되며, 여기서 X는 프롤라인(Pro)을 제외한 모든 아미노산이다.[4]

동물 세포에서 아스파라긴에 부착된 글리컨은 거의 필연적으로 β-구성에서 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)이다.[4] 이 β-링크는 위에서 설명한 것처럼 글리칸 구조에서 설탕 모이에티 사이의 글리코시드 결합과 유사하다. 설탕 하이드록실 그룹에 부착되는 대신에, 변칙적인 탄소 원자는 아미드 질소에 부착된다. 이 연결에 필요한 에너지는 화인산 분자의 가수분해로부터 온다.[4]

생합성

N 연계 당단백질의 생합성 경로: N연계 글리칸의 합성은 내소성 망막에서 시작하여 골기에서 계속되며 혈장 막에서 끝나며, 여기서 N연계 글리코프로틴이 분비되거나 혈장 막에 삽입된다.

N 연계 글리칸의 생합성은 다음 3가지 주요 단계를 통해 발생한다.[4]

  1. 돌리콜 연계 전구체 올리고당 합성
  2. 전구체 올리고당 단백질 일괄 전이
  3. 올리고당 처리

전구 올리고당 합성, 일괄 전이 및 초기 트리밍은 소포체 망막(ER)에서 발생한다. 골기 장치에서는 과당 체인의 후속 처리와 개조가 이루어진다.

따라서 당단백질의 합성은 서로 다른 세포 구획에서 공간적으로 분리된다. 따라서, N-글리컨의 유형은 이러한 세포 구획 내에 존재하는 다른 효소에 대한 접근성에 따라 달라진다.

그러나, 다양성에도 불구하고, 모든 N-글리칸은 공통 코어 글리칸 구조를 가진 공통 경로를 통해 합성된다.[4] 핵심 글리칸 구조는 기본적으로 2개의 N-아세틸 글루코사민과 3개의 마노오스 잔류물로 이루어져 있다. 이 핵심 글리칸은 더 정교하고 변형되어 다양한 범위의 N글리칸 구조가 만들어진다.[4]

전구체 올리고당합성

N연계 글리코실화 과정은 돌리콜연계 글락나크 설탕의 형성으로 시작한다. 돌리콜은 반복적인 이솝렌 단위로 구성된 지질 분자다. 이 분자는 ER의 막에 붙어 있는 것을 발견한다. 당분자는 화인산염 연계를[4] 통해 돌리콜에 부착된다(한 개의 인산염은 원래 돌리콜과 연결되었고, 두 번째 인산염은 뉴클레오티드 설탕에서 나왔다). 그리고 나서 과당 체인은 단계적 방법으로 다양한 설탕 분자의 추가를 통해 확장되어 전구적인 과당 체인을 형성한다.

이 전구체 과당류의 조립은 두 단계로 이루어진다. 1단계와 2단계.[4] 1단계는 ER의 세포질 측면에서, 2단계는 ER의 내강 쪽에서 일어난다.

단백질로 전이될 준비가 된 전구 분자는 2개의 GlcNAc, 9개의 만노오스, 3개의 포도당 분자로 구성되어 있다.

N 연계 글리코실레이션 동안 ER 루멘에서 전구체 올리고당류의 단계별 합성: 도표는 표에 설명한 1단계와 2단계 모두에서 발생하는 단계를 보여준다.
1단계
단계
위치
  • ER 막에 내장된 돌리콜 분자에 UDP-GlcNAc 잔류물 2개가 부착되어 있다. 설탕과 돌리콜은 화인산염 연계를 형성한다.
  • GlcNAc 이당류에는 5개의 GDP-Man 잔여물이 부착되어 있다.이 단계들은 글리코실 트랜스퍼레이즈에 의해 수행된다.
  • 제품: Dolichol - GlcNAc2 - Man5
ER의 세포질 측
이때 지질과 연결된 글리칸이 막에 걸쳐 번역되어 소포체 망막 내 효소가 접근할 수 있게 된다. 이 번역 과정은 여전히 잘 이해되지 않지만, 플리파아제라고 알려진 효소에 의해 수행될 것을 제안한다.
2단계
  • 성장하는 글리컨은 ER 막의 내강 쪽에 노출되고 후속 당분(4만노스와 포도당 3개)이 첨가된다. 돌피맨

만노세 잔여물 기증자(형식:돌-P + GDP-Man → 돌-P-Man + GDP)이며, 돌-글루크는 포도당 잔여물 기증자(형식:돌-P + UDP-Glc → 돌-P-Glc + UDP)이다.

  • 이 추가 당분들은 돌리콜 분자에 부착된 후 플리파제 효소의 도움으로 루멘으로 변환되어 ER의 세포질에서 루멘으로 이동된다.(막내의 다양한 돌리콜은 여러 당분을 한 번에 번역하는 데 사용된다.
  • 제품: Dolichol - GlcNAc2 – Man-Glc93
ER의 루미날 측

글리칸이 단백질로 전이

전구체 올리고당류가 형성되면 완성된 글리칸은 ER 막의 루멘에 있는 초기 폴리펩타이드로 전달된다. 이 반응은 돌리콜-글리칸 분자 사이의 화인산 결합의 갈라진 틈에서 방출되는 에너지에 의해 추진된다. 글리컨이 초기 폴리펩타이드로 전달되기 전에 충족해야 할 세 가지 조건이 있다.[4]

  • 아스파라긴은 1차 구조(Asn-X-Ser 또는 Asn-X-Thr)의 특정 합의 순서에 위치해야 한다(Asn-X-Cys 또는 드문 경우).[5]
  • 아스파라긴은 단백질의 3차원 구조에 적절히 위치해야 한다(수거는 극성분자여서 단백질 표면에 위치한 아스파라긴에 부착해야 하며 단백질 내에 매장되지 않아야 한다).
  • 아스파라긴은 N-연계 글리코실레이션이 시작되려면 소포체 망막의 내강에서 발견되어야 한다. 표적 잔류물은 분비 단백질이나 루멘과 마주하는 투과성 단백질 영역에서 발견된다.

올리고사카릴전달효소는 내소성 망막루멘에서 번역되고 있는 폴리펩타이드 수용체에 대한 컨센서스 시퀀스의 인식과 전구 글리칸의 전달을 담당하는 효소다. 따라서 N-연계 글리코실레이션은 공동 변환 사건이다.

글리칸 가공

ER과 Golgi에서 글리칸 가공.

N글리칸 가공은 소포체 망상체 및 골기체에서 수행한다. 전구 분자의 초기 트리밍은 ER에서 발생하며 이후 처리 과정은 골기에서 발생한다.

완성된 글리칸을 초기 폴리펩타이드에 옮겨 놓으면 두 개의 포도당 잔류물이 구조물에서 제거된다. 글리코시다제라고 알려진 효소는 설탕 잔류물을 제거한다. 이 효소들은 물 분자를 사용함으로써 글리코시드의 연결을 끊을 수 있다. 이 효소들은 글리칸의 비감소 끝에 위치한 단당 잔류물에만 작용하기 때문에 엑소글리코사이드다.[4] 이 초기 트리밍 단계는 ER에서 단백질 접힘을 감시하는 품질 관리 단계로 작용하는 것으로 생각된다.

단백질을 올바르게 접으면 글루코시다제 I, II에 의해 포도당 잔류물 2개가 제거된다. 마지막 세 번째 포도당 잔류물을 제거하면 당단백질이 ER에서 시스골기로 이동할 준비가 되었음을 알 수 있다.[4] ER 만노시다제는 이 최종 포도당 제거를 촉진한다. 그러나 단백질이 제대로 접히지 않으면 포도당 잔류물이 제거되지 않아 당단백질도 내소성 망막을 떠나지 못한다. 체퍼론 단백질(칼넥신/칼레티쿨린)은 펼치거나 부분적으로 접힌 단백질에 결합해 단백질 접기를 돕는다.

다음 단계에는 시스골기에 설탕 잔류물을 더 추가하고 제거하는 작업이 포함된다. 이러한 수정은 각각 글리코실전달효소와 글리코시다아제에 의해 촉매화된다. 시스-골기에서는 일련의 마노시다제가 α-1,2 링크에 있는 4개의 마노오스 잔여물의 일부 또는 전부를 제거한다.[4] 반면 골기의 내적 부분에서는 글리코실 트랜스퍼레이즈가 핵심 글리칸 구조에 설탕 잔류물을 첨가하여 높은 마노오스, 잡종, 복합 글리칸의 세 가지 주요 유형의 글리칸을 발생시킨다.

글리칸의 세 가지 주요 유형.
  • 고만뇨는 본질적으로 마노오스 잔류물이 많은 N-acetylglucosamin 2개에 불과하며, 종종 단백질에 부착되기 전의 전구 올리고당에서 볼 수 있는 양만큼 많다.
  • 복합 올리고당은 원래 두 종류의 N-acetylglucosamine 이상을 포함한 거의 많은 수의 다른 종류의 사당류를 포함할 수 있기 때문에 그렇게 이름이 붙여진다.
  • 하이브리드 올리고당류는 가지 한쪽의 마노오스 잔류물을 함유하고 있고, 다른 한쪽에서는 N-아세틸글루코사민이 복잡한 가지를 개시한다.

성장하는 글리칸 체인에 설탕을 첨가하는 순서는 효소의 기질 특수성과 그들이 분비물 경로를 통해 이동하면서 기질에 접근하는 것에 의해 결정된다. 그러므로 세포 내의 이 기계의 구성은 어떤 글리칸이 만들어지는지를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

골기의 효소

골지효소는 다양한 종류의 글리칸의 합성을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 효소의 작용 순서는 골지 스택의 위치에 반영된다.

효소 골기내 위치
만노시다세 1세 시스골기
GlcNAC 전송 메디알 골지
갈락토실전달효소 및 시알릴전달효소 쩐골기

고고학 및 원핵생물에서

유사한 N글리칸 생합성 경로도 원카리오테와 아르케아에서 발견되었다.[6] 그러나 진핵생물에 비해 진핵생물과 고대의 최종 글리칸 구조는 소포체 망막에서 만들어진 초기 전구체와 큰 차이가 없는 것 같다. 진핵생물에서 원래의 전구체 과당류는 세포 표면으로 이동하는 과정에서 광범위하게 변형된다.[4]

함수

N-연계 글리칸은 내적인 기능과 외적인 기능을 가지고 있다.[4][7]

면역 시스템 내에서, 면역 세포 표면에 있는 N-연계 글리칸은 세포의 이동 패턴을 지시하는데 도움이 될 것이다. 예를 들어, 피부로 이동하는 면역 세포는 그 부위에 호밍하는 것을 선호하는 특정한 글리코실레이션을 가지고 있다.[8] IgE, IgM, IgD, IgA 및 IgG를 포함한 다양한 면역글로불린의 글리코실화 패턴은 Fc 및 기타 면역 수용체에 대한 친화력을 변경하여 고유한 이펙터 기능을 부여한다.[8] 글리칸은 또한 "자신"과 "비자신" 차별에도 관여할 수 있는데, 이는 다양한 자가면역질환의 병태생리학과도 관련이 있을 수 있다.[8]

N-연계 글리칸의 함수
내재가 있는
  1. 세포벽 및 세포외 매트릭스에 구조 구성요소 제공.
  2. 안정성, 용해성[9] 등의 단백질 성질을 수정한다(고온, pH 등 보다 안정적).
외인성
  1. 당단백질 밀매를 지시한다.
  2. 셀 신호 전달(셀-셀 및 셀-매트릭스 상호작용)을 매개한다.

N글리칸과 단백질의 상호작용은 복잡한 전자적 효과를 통해 단백질을 안정시킨다.[10]

임상적 유의성

N연계 글리코실레이션의 변화는 류마티스 관절염,[11][12] 제1형 당뇨, 크론병,[13] 암 등 다양한 질병과 연관되어 왔다.[14][15]

N연계 글리코실레이션과 관련된 18개 유전자의 돌연변이는 다양한 질병을 유발하며, 그 대부분은 신경계를 수반한다.[3][15]

치료 단백질의 중요성

시중에는 N연계 당단백질인 항체가 많다. 예를 들어 Etanercept, Infliximab, Rituximab은 N-glycosylated 치료 단백질이다.

인간과 동물 세포가 생산하는 글리칸의 차이. 인간의 세포는 Neu5Gc 모자가 부족하다.

N 연계 글리코실화의 중요성은 의약품 분야에서 점점 더 뚜렷해지고 있다.[16] 박테리아나 효모 단백질 생산 시스템은 높은 수율과 낮은 가격과 같은 상당한 잠재적 이점을 가지고 있지만, 관심 있는 단백질이 당단백질일 때 문제가 발생한다. 대장균과 같은 대부분의 원핵 발현 시스템은 변환 후 수정을 수행할 수 없다. 반면 효모나 동물세포 같은 진핵 발현 숙주는 당화 패턴이 다르다. 이러한 표현 숙주에서 생성된 단백질은 종종 인간의 단백질과 같지 않기 때문에 환자에게 면역 유발 반응을 일으킨다. 예를 들어, S.cerevisiae (yeast)는 면역성이 강한 고만두 글리칸을 종종 생산한다.

CHO나 NS0 세포와 같은 비인간 포유류 표현 시스템은 복잡한 인간형 글리칸을 추가하는 데 필요한 기계를 가지고 있다. 그러나 이러한 시스템에서 생산되는 글리칸은 N-글리콜리닐네우라민산(Neu5Gc)과 N-아세틸네우라민산(Neu5Ac)으로 모두 캡을 씌울 수 있는 반면, 인간 세포는 N-아세틸네우라민산을 함유한 글리코프로틴만 생산하기 때문에 인간에서 생산되는 글리칸과는 다를 수 있다. 나아가 동물세포는 갈락토스알파-1,3갈락토스 에피토프를 함유한 당단백질도 생산할 수 있어 알파갈 알레르기가 있는 사람에게 아나필락틱 쇼크를 비롯한 심각한 알레르기 반응을 유발할 수 있다.

이러한 단점은 유전적 녹아웃을 통해 글리칸 구조를 생성하는 경로를 제거하는 것과 같은 몇 가지 접근방식에 의해 해결되었다. 게다가, 다른 표현 시스템은 인간과 유사한 N-연계 글리칸으로 치료용 당단백질을 생산하도록 유전적으로 설계되었다. 이것들은 피치아 목사님,[17] 곤충 세포선, 녹색 식물,[18] 그리고 심지어 박테리아와 같은 효모들을 포함한다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Glycosylation". UniProt: Protein sequence and functional information.
  2. ^ Imperiali B, O'Connor SE (December 1999). "Effect of N-linked glycosylation on glycopeptide and glycoprotein structure". Current Opinion in Chemical Biology. 3 (6): 643–9. doi:10.1016/S1367-5931(99)00021-6. PMID 10600722.
  3. ^ a b Patterson MC (September 2005). "Metabolic mimics: the disorders of N-linked glycosylation". Seminars in Pediatric Neurology. 12 (3): 144–51. doi:10.1016/j.spen.2005.10.002. PMID 16584073.
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Drickamer K, Taylor ME (2006). Introduction to Glycobiology (2nd ed.). Oxford University Press, USA. ISBN 978-0-19-928278-4.
  5. ^ Mellquist JL, Kasturi L, Spitalnik SL, Shakin-Eshleman SH (May 1998). "The amino acid following an Asn–X–Ser/Thr sequon is an important determinant of N-linked core glycosylation efficiency". Biochemistry. 37 (19): 6833–7. doi:10.1021/bi972217k. PMID 9578569.
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  8. ^ a b c Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, et al. (February 2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity: a critical review". Journal of Autoimmunity. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.
  9. ^ Sinclair AM, Elliott S (August 2005). "Glycoengineering: the effect of glycosylation on the properties of therapeutic proteins". Journal of Pharmaceutical Sciences. 94 (8): 1626–35. doi:10.1002/jps.20319. PMID 15959882.
  10. ^ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Louis; Powers, Evan T.; Kelly, Jeffery W. (2021-03-15). "Stereoelectronic effects in stabilizing protein– N -glycan interactions revealed by experiment and machine learning". Nature Chemistry: 1–8. doi:10.1038/s41557-021-00646-w. ISSN 1755-4349. PMC 8102341.
  11. ^ Nakagawa H, Hato M, Takegawa Y, Deguchi K, Ito H, Takahata M, et al. (June 2007). "Detection of altered N-glycan profiles in whole serum from rheumatoid arthritis patients". Journal of Chromatography B. 853 (1–2): 133–7. doi:10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID 17392038.
  12. ^ Bermingham ML, Colombo M, McGurnaghan SJ, Blackbourn LA, Vučković F, Pučić Baković M, et al. (January 2018). "N-Glycan Profile and Kidney Disease in Type 1 Diabetes". Diabetes Care. 41 (1): 79–87. doi:10.2337/dc17-1042. PMID 29146600.
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외부 링크