糖基转移酶和糖苷酶课件(PPT 111页).pptx
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1、TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY第八章第八章 糖基转移酶和糖苷酶糖基转移酶和糖苷酶第1页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY第一节第一节 糖基转移酶糖基转移酶(Glycosyltransferases)l糖基转移酶是一系列参与催化双糖、聚糖和糖复合糖基转移酶是一系列参与催化双糖、聚糖和糖复合物中糖链合成的一类酶。物中糖链合成的一类酶。l负责将活性供体负责将活性供体(通常是通常是NDP-NDP-糖糖)的单糖转移到的单糖转移到糖、蛋白质、脂类、核酸分子上,完成糖基化反糖、蛋白质、脂类、核酸分子上,完成糖基化反应。应。l目前发现的糖基转移酶有目前发现的糖基转移酶有1
2、00100多种,其主要分多种,其主要分布在内质网和高尔基体。布在内质网和高尔基体。第2页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY第3页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY第4页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY一、糖基转移酶的命名与分类一、糖基转移酶的命名与分类l糖基转移酶的传统分类方法是根据其所转移的单糖基转移酶的传统分类方法是根据其所转移的单糖类型进行分类的。糖类型进行分类的。l如半乳糖转移酶,唾液酸转移酶等。如半乳糖转移酶,唾液酸转移酶等。l另外一种方法是根据序列的同源性、底物另外一种方法是根据序列的同源性、底物/产产物立体
3、化学异构性以及供体糖进行分类。物立体化学异构性以及供体糖进行分类。l这种分类法糖基转移酶被分为这种分类法糖基转移酶被分为6666个家族及一个未分个家族及一个未分类族。类族。l所有家族只采用两种折叠方式,形成了两个所有家族只采用两种折叠方式,形成了两个超家族,分别为超家族,分别为GT-A和和GT-B超家族。超家族。第5页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的命名糖基转移酶的命名lGlcNAc T-I的全称为:的全称为:lUDP-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺:-3-甘露糖基甘露糖基-1,2N-乙乙酰葡糖胺转移酶。酰葡糖胺转移酶。lGlcNAc T-II的全称为:的全称
4、为:lUDP-N-乙酰乙酰葡糖胺葡糖胺:-6-甘露甘露糖基糖基-1,2N-乙乙酰葡糖胺转移酶。酰葡糖胺转移酶。第6页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY -1,4-Galactosyltransferase Family第7页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY Fucosyltransferase Family 第8页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY All members of the sialyltransferase genes cloned第9页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGYThe Ev
5、olutionary History of Glycosyltransferase Genes后生动物后生动物后口动物后口动物脊椎动物脊椎动物哺乳动物哺乳动物原始昆虫原始昆虫无脊椎动物无脊椎动物非哺乳动物非哺乳动物第10页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY二、糖基转移酶特性二、糖基转移酶特性l一个基一个基因因 一种转移一种转移酶酶 一种连接键一种连接键l糖链的合成不是由基因编码合成的,而是由基因编码的糖糖链的合成不是由基因编码合成的,而是由基因编码的糖基转移酶通过糖基化作用,将糖基由其供体转移到受体上基转移酶通过糖基化作用,将糖基由其供体转移到受体上完成的。完成的。l每
6、个糖基转移酶都有自己特异供体、受体和联接键,这就每个糖基转移酶都有自己特异供体、受体和联接键,这就保证了在没有模板的情况下合成特异性的糖。保证了在没有模板的情况下合成特异性的糖。l糖链可以认为是基因的次级产物糖链可以认为是基因的次级产物,一个基因编码一个糖基转一个基因编码一个糖基转移酶移酶,一个糖基转移酶专一地催化一个糖苷键的合成,一条一个糖基转移酶专一地催化一个糖苷键的合成,一条糖链的合成就需要一个多酶系统糖链的合成就需要一个多酶系统,也就对应了一个基因组。也就对应了一个基因组。第11页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶特性糖基转移酶特性l糖基转移酶绝大部分
7、是糖基转移酶绝大部分是II型膜结合蛋白,即较型膜结合蛋白,即较短的短的N-端在胞浆,有一穿膜部分通过内质网或端在胞浆,有一穿膜部分通过内质网或高尔基体膜,长的高尔基体膜,长的C-端在内质网或高尔基体的管端在内质网或高尔基体的管腔内。腔内。l有少数糖基转移酶是有少数糖基转移酶是I型膜结合蛋白,其较短型膜结合蛋白,其较短的的N-端在内质网腔,而很长的端在内质网腔,而很长的C-端则定位于端则定位于胞浆。胞浆。第12页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGYBiological Functions of a Soluble Form of N-acetylglucosaminyltr
8、ansferase V(GnT-V)第13页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGYRegulation of High Branching in N-linked Oligosaccharides第14页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY第15页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY大鼠不同组织中三种大鼠不同组织中三种-乙酰葡糖胺基转移酶乙酰葡糖胺基转移酶(GlcNAc T)组织组织活力活力(pmolmg蛋白蛋白h)GlcNAc T-IIGlcNAc T-IVGlcNAc T-V肾肾1840 3301.9 1.630 6脑脑660
9、 488.7 0.738 1胃胃500 1508.2 0.725 1小肠小肠280 9917 1.568 11肺肺104 4.62.6 0.738 4脾脾100 2.520 821 2睾丸睾丸52 2.98.2 0.837 4心心11 1.19.4 1.410 1肝肝81 0.92.8 0.78.2 0.8第16页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 三、糖基转移酶的结构域三、糖基转移酶的结构域l属于属于II-型膜结合蛋白的糖基转移酶分成四个型膜结合蛋白的糖基转移酶分成四个结构域。结构域。l氨基端的胞浆域,氨基端的胞浆域,一般少于一般少于2525个个(最少最少4 4个个)
10、氨基氨基酸,含正电荷的碱基氨基酸较多;酸,含正电荷的碱基氨基酸较多;l穿膜域,穿膜域,有少量氨基酸残基,富含疏水氨基酸;有少量氨基酸残基,富含疏水氨基酸;l颈区域,颈区域,位于内质网或高尔基体管腔内,含甘氨位于内质网或高尔基体管腔内,含甘氨酸和脯氨酸残基,有的带有酸和脯氨酸残基,有的带有N-糖链。糖链。第17页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的结构域糖基转移酶的结构域l催化域,催化域,为管腔中的最大结构域,呈球状,约为管腔中的最大结构域,呈球状,约含含310-430310-430个个(最长可达最长可达720720个左右个左右)氨基酸残基,氨基酸残基,为糖基
11、转移酶最重要的催化区域。为糖基转移酶最重要的催化区域。第18页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY克隆的哺乳动物糖基转移酶的结构域克隆的哺乳动物糖基转移酶的结构域第19页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 四、糖基转移酶的催化特性与功能四、糖基转移酶的催化特性与功能(1)(1)底物专一性底物专一性l糖复合物中糖基的顺序和连接键是由糖基转移酶糖复合物中糖基的顺序和连接键是由糖基转移酶的底物专一性和催化特性来决定的。的底物专一性和催化特性来决定的。l对对底物专一底物专一性,性,一个酶的产物常作为下一个酶一个酶的产物常作为下一个酶的底物,这样就保证了糖链
12、中糖基的特定顺序。的底物,这样就保证了糖链中糖基的特定顺序。l因合成的产物结构不同或合成的部位不同,所用因合成的产物结构不同或合成的部位不同,所用的供体和受体也不同。的供体和受体也不同。第20页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的催化特性糖基转移酶的催化特性l合成糖原时,葡萄糖的供体是合成糖原时,葡萄糖的供体是UDP-Glc,合成合成淀粉时,则是淀粉时,则是ADP-Glc,合成纤维素时是合成纤维素时是GDP-Glc。l对受体的专一性对受体的专一性,在糖蛋白的在糖蛋白的N-糖苷糖苷键连接的键连接的糖链的外周有糖链的外周有6 6种不同的方式连接的种不同的方式连接
13、的N-乙乙酰酰葡葡糖胺糖胺(GIcNAc),GIcNAc),它们连接在不同甘露糖基它们连接在不同甘露糖基(Man)Man)的不同的不同糖糖基上基上,分别有分别有6 6个不同的个不同的糖糖基转移酶负责基转移酶负责它它们的转移们的转移,每个酶又对应不同的受体每个酶又对应不同的受体。第21页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY不同的糖基转移酶所催化的糖基转移反应不同不同的糖基转移酶所催化的糖基转移反应不同第22页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY人人B B血型的血型的 1-3半乳糖基转移酶对受体底物的专一性半乳糖基转移酶对受体底物的专一性第23页,共11
14、1页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的催化特性糖基转移酶的催化特性l唾液酸化唾液酸化Lewis X四糖抗原合成时,一四糖抗原合成时,一般先生成唾液酸化的般先生成唾液酸化的N-乙酰乳糖胺,再乙酰乳糖胺,再由由-1,3Fuc T在在G1cNAc上加入上加入Fuc,而不而不能先合成岩藻糖化的能先合成岩藻糖化的N-乙酰乳糖胺后再加乙酰乳糖胺后再加上上NeuAc。因。因-2,3 NeuAc T不能以不能以-1,3岩藻糖化糖链为底物。岩藻糖化糖链为底物。第24页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的催化特性糖基转移酶的催化特性l糖基转移酶也可作用
15、于人工底物,如参与糖蛋白糖糖基转移酶也可作用于人工底物,如参与糖蛋白糖链合成的糖基转移酶也可利已除去蛋白质而还原末链合成的糖基转移酶也可利已除去蛋白质而还原末端标记端标记(荧光和放射性核素荧光和放射性核素)的底物。的底物。l不少糖基转移酶对底物的识别实际上只涉及不少糖基转移酶对底物的识别实际上只涉及受体底物中接受糖基邻近的少数糖基,故一受体底物中接受糖基邻近的少数糖基,故一些人工合成的寡糖衍生物也可作为这些酶的些人工合成的寡糖衍生物也可作为这些酶的底物。底物。第25页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶的催化特性糖基转移酶的催化特性(2)(2)二价金属离子的需
16、求二价金属离子的需求l大多数的糖基转移酶都需二价金属离子作为大多数的糖基转移酶都需二价金属离子作为辅助因子,缺乏二价金属离子时辅助因子,缺乏二价金属离子时(如在如在EDTA存在下存在下)酶活力很低或丧失。酶活力很低或丧失。l二价金属离子中二价金属离子中Mn2+的激活作用最强,其次是的激活作用最强,其次是Co2+,Mg2+,Ni 2+。l糖基转移酶糖基转移酶 T-V不需要二价金属离子。不需要二价金属离子。第26页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 五、糖基转移酶同源性和抗原性五、糖基转移酶同源性和抗原性l糖基转移酶在结构上的最大特点是不同糖糖基转移酶在结构上的最大特点是不
17、同糖基转移酶一级结构之间的同源性很少,即基转移酶一级结构之间的同源性很少,即使转移相同糖基的糖基转移酶也很少有同使转移相同糖基的糖基转移酶也很少有同源性。源性。l血型血型A抗原的抗原的GalNAc T和血型和血型B抗原的抗原的Gal T同源性达同源性达9999,在,在353353个氨基酸残基个氨基酸残基中只有中只有4 4个不同。个不同。第27页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY 糖基转移酶同源性和抗原性糖基转移酶同源性和抗原性l不同种属中同一糖基转移酶的同源性极大,不同种属中同一糖基转移酶的同源性极大,其催化结构域的同源性一般均在其催化结构域的同源性一般均在8080以上
18、。以上。l如人、小鼠和兔中如人、小鼠和兔中-1,2GlcNAc T-I四个四个结构域的同源性分别为结构域的同源性分别为100%100%、90%90%、80%80%和和95%95%。第28页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY六、糖基转移酶和疾病六、糖基转移酶和疾病l-1,3 T的活性在人体内的重现会引发自身免的活性在人体内的重现会引发自身免疫反应。相反,如果人体内疫反应。相反,如果人体内-1,4半乳糖基转半乳糖基转移酶的活性下降,致使正常的免疫球蛋白移酶的活性下降,致使正常的免疫球蛋白G(IgG)分子中的糖链半乳糖含量降低。分子中的糖链半乳糖含量降低。l它能诱导抗体产生,
19、从而也会出现自身免疫,其症它能诱导抗体产生,从而也会出现自身免疫,其症状是类风湿。状是类风湿。第29页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶和疾病糖基转移酶和疾病l细胞癌变过程中常伴有糖链结构改变细胞癌变过程中常伴有糖链结构改变,如糖如糖链分支末端出现重复链分支末端出现重复N-乙酰半乳糖胺结构、唾乙酰半乳糖胺结构、唾液酸和岩藻糖含量增加,这些变化在临床上液酸和岩藻糖含量增加,这些变化在临床上常用作肿瘤标记物。常用作肿瘤标记物。l糖基转移酶就是通过影响糖链的改变糖基转移酶就是通过影响糖链的改变,而间接而间接关系到癌瘤发生和发展。关系到癌瘤发生和发展。第30页,共11
20、1页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶和疾病糖基转移酶和疾病l糖基转移酶的表达和细胞周期密切相关。糖基转移酶的表达和细胞周期密切相关。l在细胞分化阶段在细胞分化阶段,如果糖基转移酶在成熟细胞如果糖基转移酶在成熟细胞中活性很高中活性很高,就会产生癌变就会产生癌变,同时出现早期的同时出现早期的分化抗原。分化抗原。l多聚多聚N-乙酰半乳糖胺链的出现被看成是肿瘤的重乙酰半乳糖胺链的出现被看成是肿瘤的重要标志。要标志。l这些糖链可以减低细胞与基质间的粘着,有利于这些糖链可以减低细胞与基质间的粘着,有利于癌细胞的进一步侵入。癌细胞的进一步侵入。第31页,共111页。TOOLS FOR
21、 GLYCOBIOLOGY糖基转移酶和疾病糖基转移酶和疾病l与肝癌发生有关的糖基转移酶与肝癌发生有关的糖基转移酶l糖基转移酶在肝癌中活性有明显改变,如糖基转移酶在肝癌中活性有明显改变,如GnT-、GnT-和和-1,6岩藻糖基转移酶。岩藻糖基转移酶。lGnT-和和GnT-能将一个能将一个N-乙酰葡糖胺转移至乙酰葡糖胺转移至N-糖链五糖核心糖链五糖核心1,3和和1,6臂甘露糖上臂甘露糖上,分别形成分别形成-1,4和和1,6键,使键,使N-糖链天线数增多,糖链天线数增多,-1,6 FucT则将岩藻糖转移至糖链最内侧则将岩藻糖转移至糖链最内侧(与天冬酰胺相与天冬酰胺相邻邻)的的N-乙酰葡糖胺上形成核心
22、岩藻糖。乙酰葡糖胺上形成核心岩藻糖。第32页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶和疾病糖基转移酶和疾病l这些结构异常的糖链出现在肿瘤细胞的糖蛋白这些结构异常的糖链出现在肿瘤细胞的糖蛋白上上,使肿瘤细胞表面性质变化使肿瘤细胞表面性质变化,导致细胞粘导致细胞粘附、侵袭和迁移能力改变附、侵袭和迁移能力改变,是造成肿瘤细胞是造成肿瘤细胞具有侵袭性和转移能力的一个重要原因。具有侵袭性和转移能力的一个重要原因。第33页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY七、糖基转移酶的应用七、糖基转移酶的应用l糖基转移酶在肝癌研究中的应用糖基转移酶在肝癌研究中的应用l
23、恶性肿瘤中糖基转移酶表达及活性改变所致肿瘤细恶性肿瘤中糖基转移酶表达及活性改变所致肿瘤细胞表面糖链结构的变化在肿瘤的诊断、胞表面糖链结构的变化在肿瘤的诊断、预防预防方面方面有重要意义有重要意义。l将糖基转移酶基因转染入肝癌细胞将糖基转移酶基因转染入肝癌细胞,过表达的过表达的糖基转移酶使细胞内某些蛋白发生糖基化糖基转移酶使细胞内某些蛋白发生糖基化,产生不产生不同糖型同糖型,通过双向电泳和凝集素免疫印迹相结通过双向电泳和凝集素免疫印迹相结合合,比较转染组和非转染组糖蛋白改变比较转染组和非转染组糖蛋白改变,从从而确定蛋白质和糖基化的功能关系而确定蛋白质和糖基化的功能关系,研究研究为糖基为糖基化改变在
24、肝癌发生中的作用研究奠定了基础。化改变在肝癌发生中的作用研究奠定了基础。第34页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶的应用糖基转移酶的应用l采用同样技术路线研究与乳腺癌转移相关的糖基化采用同样技术路线研究与乳腺癌转移相关的糖基化改变改变,并从结构上描述糖链并从结构上描述糖链,旨在将其作为乳旨在将其作为乳腺癌和其他实体肿瘤诊断工具和免疫治疗靶腺癌和其他实体肿瘤诊断工具和免疫治疗靶点点。第35页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGYl糖基转移酶在糖基转移酶在糖糖类合成中的应用类合成中的应用l糖类药物在治疗炎症、用作肿瘤疫苗和抗病糖类药物在治疗炎症
25、、用作肿瘤疫苗和抗病毒等方面都有其独特的功效。毒等方面都有其独特的功效。l现在普遍使用的糖类合成方法有两种现在普遍使用的糖类合成方法有两种:化学合成和酶促合成化学合成和酶促合成l化学合成近年来取得一些进展化学合成近年来取得一些进展,提出了一种全提出了一种全自动寡自动寡糖糖合成法合成法,但在天然复合产物中以一种糖但在天然复合产物中以一种糖代替另一种糖仍然困难。代替另一种糖仍然困难。l酶促合成酶促合成的的产量高、产物产量高、产物具有具有特异立体化学异构特异立体化学异构性。性。糖基转移酶的应用糖基转移酶的应用第36页,共111页。TOOLS FOR GLYCOBIOLOGY糖基转移酶的应用糖基转移酶
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