理解多细胞生物糖生物学的突破

在多细胞生物中，有三种类型的蛋白质糖基化。N-糖基化，O-甘露糖基化和C-甘露糖基化。所有这些过程都发生在内质网中，并且在所有这些过程中，酶将糖残基附着在新形成的蛋白质的特定位点上。

虽然N-和O-糖基化得到了很好的研究，但第三种形式，色氨酸侧链的C-甘露糖基化，长期以来一直是研究人员的谜。虽然20%的分泌蛋白，以及 膜蛋白，都受到它的影响，直到最近还不清楚更改是为了什么，具体如何 蛋白 识别序列以及如何关联 酶 反应在化学上是可能的。

在一个 国际合作，来自苏黎世联邦理工学院，澳大利亚沃尔特和伊丽莎霍尔医学研究所(WEHI)，芝加哥大学和伯尔尼大学的研究人员现在已经阐明了负责酶“色氨酸C-甘露糖基转移酶”(CMT)的结构和功能。相应的研究发表在最新一期的期刊上 自然化学生物学.

CMT是C类(GT-C)糖基转移酶的成员，是三个糖基转移酶超家族之一。最突出的成员是寡糖转移酶(OST)，它负责N-糖基化。

与OST类似，CMT也识别蛋白质中高度特异性的序列，然而，不同的是，在哺乳动物中，四种不同的CMT同时发生，它们也识别不同的蛋白质序列。

糖帮助免疫受体到达细胞表面

直到最近几年，才开发了必要的工具，例如特殊抗体和质谱测试方法，以便能够研究C-甘露糖基化的程度。结果表明，该过程几乎只发生在细胞 - 细胞通讯必不可少的地方，特别是在免疫系统的细胞因子受体和粘附GPCR中。后者充当生长神经元的“感觉触角”，这些神经元通过大脑。

“这个话题是炙手可热的，特别是对于我们对免疫系统的细胞 - 细胞通讯的理解，”苏黎世联邦理工学院结构生物学教授Kaspar Locher解释说：“细胞因子等信号分子在感染期间指导免疫反应。虽然这些受体及其相关受体已经深入研究了几十年，但长期以来一直忽视C-甘露糖基化决定细胞因子受体是否达到 细胞表面 发挥其功能。

“凭借我们对所涉及的酶结构的深入了解，我们现在对C-甘露糖基化如何到达这些受体有了近乎完整的了解，”研究第一作者Joël Bloch补充道，他是Locher小组的前高级科学家。

量身定制的分子构建试剂盒

ETH研究人员成功地生产了纯净形式的CMT酶。在WEHI(AUS)和伯尔尼大学的化学家的帮助下，他们构建了模仿CMT特异性蛋白质序列和糖底物的定制分子。这使他们能够首次在试管中测试酶的特定特性。

研究人员很快意识到，CMT的酶化学性质一定是新颖的，与OST完全不同。“在这种情况下，我们只能使用高分辨率结构阐明来找出酶的机制。然而，问题在于CMT直到现在才能结晶，并且冷冻电镜的质量太少，因为这种技术特别难以应用于100 kDa以下的蛋白质，“Locher解释说。

抗体可实现高分辨率电子显微镜

一个技巧终于带来了突破：ETH科学家与芝加哥大学的研究人员合作，生产了一种与CMT特异性结合的合成抗体。这种抗体大大增加了酶的质量，以至于可以在冷冻电镜的帮助下阐明其结构。在冷冻电镜结构的帮助下，由Kaspar Locher领导的小组终于能够破译不同的CMT变体如何识别不同的蛋白质序列。

基于这些见解，研究人员现在可以更精确地预测人类中的哪些蛋白质携带这种修饰。由此，他们希望能够在不久的将来捕获“C-甘露糖基蛋白质组”。

通过破译CMTs的肽结合机制，研究人员还希望在CMT特异性抑制剂的生产方面取得进展。这些分子可能有助于药物生产的进步，例如对抗疟疾病原体恶性疟原虫的分子，该病原体具有自己的CMT，需要它附着在宿主上。

也可以使用人类CMT变体CMT2的序列和器官特异性，因为它在精子发育中起着关键作用。因此，新发现可用于开发CMT2抑制剂作为男性避孕药。

一种新的酶机制

科学家的另一个谜团是CMT的酶机制。这在蛋白质和糖之间产生了独特的碳-碳键。使用定制的CMT抑制剂分子，科学家们能够在糖基转移反应中间“捕获”CMT，并阐明其冷冻电镜结构。

这使他们能够可视化CMT反应机理：一种以前未知的亲电芳烃取代形式，由精确排列的侧链实现。这些见解可能有助于开发催化碳原子之间键的设计酶。

糖基转移酶的进化保守保护机制

通过CMT的四种不同结构，科学家们首次成功地可视化了GT-C超家族酶的几乎完整的催化循环。

在这个过程中，他们发现了一个惊人的机制：CMT的糖底物由于其脂质结合而生产复杂，因此特别有价值。事实证明，CMT最初将它们绑定在一个非反应性受保护的绑定口袋中。只有当待修饰的蛋白质或肽停靠在CMT上时，糖底物才会被肽传感器移动并进入高反应状态。

科学家们认为，这种机制在GT-C酶中进化上是保守的，并防止有价值的底物分子过早消耗。“三年前发现了GT-C酶的一般结构，我们现在对它们的酶化学有了全面的了解。这是糖生物学的另一个里程碑，“Locher解释说。

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