糖基转移酶与糖苷酶课件.ppt
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- 糖基转移酶 糖苷酶 课件
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1、第二节糖基转移酶及其应用糖基转移酶及其应用主要内容主要内容l糖转移酶简介 l糖基转移酶在合成中的应用 Glycosyltransferases 应用activated sugar phosphates 作为糖供体,合成 glycosidic linkage,糖受体通常为 nucleophilic group,usually an alcohol.生成的糖苷可以为 O-,N-,S-,or C-glycoside 糖转移酶简介糖转移酶简介功能:催化糖苷键的合成(功能:催化糖苷键的合成(O-,N-,S-,or C-glycoside)供体:活化的糖磷酸供体:活化的糖磷酸受体:亲核基团(蛋白、脂、核酸
2、、糖、小分子),通常为受体:亲核基团(蛋白、脂、核酸、糖、小分子),通常为-OHNon-Leloir donors:Leloir donors:糖供体底物糖供体底物糖基转移酶糖基转移酶根据根据糖供体糖供体中是否含有中是否含有核苷酸核苷酸分为分为两类两类。Leloir:阿根廷生物化学家,研究核苷酸代谢,1970,诺贝尔化学奖l 分为94 家族(distinct sequence-based families)(CAZy server,http:/rs-mrs.fr/CAZY)l 人类拥有约 270多种糖基转移酶序列,属于 33个家族。l Alpha-1,4-葡萄糖转移酶;beta-1,4-半乳糖
3、转移酶;2,3-唾液酸转移酶糖基转移酶分类糖基转移酶分类根据氨基酸序列相似性进行分类:根据氨基酸序列相似性进行分类:根据蛋白结构相似性进行分类:根据蛋白结构相似性进行分类:根据糖供体和糖苷键连接方式进行分类:根据糖供体和糖苷键连接方式进行分类:l GT-A,GT-B,其他类型Rossmann-type domains(for nucleotide binding)NDP-binding domain generally contains a conserved DXD amino acid motifGT-A fold:SpsA from Bacillus subtilusGT-B fold:
4、beta-glucosyltransferase from bacteriophage T4Leloir GTsTransglycosylase from Staphylococcus aureusOligosaccharyltransferase STT3 from Pyrococcus furiosiusNon-Leloir GTs催化机理催化机理 Glycosyltransferases catalyze the transfer of glycosyl groups to a nucleophilic acceptor with either retention or inversio
5、n of configuration at the anomeric centre.This allows the classification of glycosyltransferases as either retaining or inverting enzymes.鎓 催化机理催化机理Inverting:SN2 nucleophilic attack at the C1 atomRetaining:double displacement mechanism 糖基转移酶辅因子糖基转移酶辅因子l Many,but not all,glycosyltransferases utilize
6、divalent metal ion cofactors such as Mn2+and Mg2+.mainly in glycosyltransferases that are diphosphonucleoside-dependent.l metal ion is coordinated to an oxygen of each of the two phosphate groups,as well as to side-chain carboxylates derived from the protein.糖基转移酶抑制剂糖基转移酶抑制剂 直接抑制糖基转移酶活性直接抑制糖基转移酶活性底物
7、类似物;过渡态类似物alpha-2,6-唾液酸转移酶抑制剂Beta-1,4-半乳糖转移酶抑制剂 阻断糖供体的合成阻断糖供体的合成N-Glycan 合成过程中,首先要合成:dolichol-pp-N-acetylglucosamineUDP-GlcANc+dolichol-p-dolichol-pp-GlcNAcN-acetylglucosamine phosphorotransferase糖基转移酶在合成中的应用糖基转移酶在合成中的应用 寡糖的酶法合成寡糖的酶法合成 具有生物活性含糖天然产物的酶法合成具有生物活性含糖天然产物的酶法合成 生物制药生物制药-糖蛋白药物生产策略糖蛋白药物生产策略 生
8、物制药生物制药-糖疫苗生产策略糖疫苗生产策略OAcOAcOOAcOAcOOAcOAcOOAcOAcOHOOAcOAcOOAcOAcOOAcN3OOAcOOAcOAcOOAcOAcOOAcN3OBnOBnOBnOOBnOOHOOHOHOOHOHOOHNHAcOHOHOHOOH2679N33 steps6 stepsglycosylation4 stepsChemical Synthesis of a-Gal规模小,过程复杂,立体选择性难规模小,过程复杂,立体选择性难OOHHOHOHOO P O PONNHOOOOHHOHOHOOOHHONHAcOOROOHHOHOHOOOHHOOOHOOHHON
9、HAcOOROOOO-O-HO P O PONNHOOOOOO-O-OHHOOHHOGal1,4GlcNAc-R,acceptor-Gal epitopeUDPUDP-Gal Donor1,3-galactosyltransferaseMn2+Reaction Catalyzed by 1,3-Galactosyltransferase碳水化合物的合成碳水化合物的合成 Organic Synthesis Biosynthetic process Derivative synthesis Versatile Not very flexible Process Expensive and mult
10、istep Economic and short Environment problem Chemical waste Environment-friendly Carbohydrate polymer synthesis Not applicable Practical approach 体内糖供体合成途径体内糖供体合成途径 Glc,GlcNAc&ManSugar-6-pSugar-1-pSugar-NDPkinaseMutasepyrophorylase Gal,GalNAc&FucSugar-1-pSugar-NDPkinasepyrophorylase Neu5AcNeu5AcCMP-
11、Neu5AcpyrophorylaseCTP 糖供体相互转化:GalE:UDP-Gal UDP-Glu GalNAcE:UDP-GalNAc UDP-GlcNAc UGD(UDP-Glc dehydrogenase):UDP-Glc UDP-GlcA UDP-GlcA decarboxylase:UDP-GlcA UDP-Xyl糖基转移酶介导的寡糖合成糖基转移酶介导的寡糖合成 PhosphorylasesGlucosyltransferasesFructosyltransferasesCyclodextrin glucanotransferasesMany微生物中的糖供体微生物中的糖供体天然糖
12、苷化合物中的糖一般为 C2,C3,C4 and/or C6 脱氧糖,而且大部分为6-deoxyhexoses family(Rhamnose)原核生物糖转移酶具有糖供体糖供体的广泛性 6-deoxyhexoses 一般通过 TDP-sugars进行底物活化(TDP-Rhamnose)优点优点:*区域、立体选择性*大量生产不足不足:*糖基转移酶在大量表达方面存在困难 糖供体比较昂贵糖供体比较昂贵.副产物抑制(i)消除副产物抑制(碱性磷酸酶)消除副产物抑制(碱性磷酸酶)(ii)原位产生糖供体原位产生糖供体.针对以上不足解决策略针对以上不足解决策略糖基转移酶在工业应用中优势与弱点糖基转移酶在工业应用
13、中优势与弱点可作为LgtC底物 碱性磷酸酶酶法再生糖供体策略酶法再生糖供体策略 UDP-sugar (A)and CMP-sugar(B)糖供体的合成糖供体的合成糖供体的合成糖供体的合成糖供体的合成糖供体的合成糖基转移酶在糖基转移酶在寡糖合成中的应用寡糖合成中的应用(一)(一)具有生物活性寡糖的酶法合成具有生物活性寡糖的酶法合成(for details visit:wang.chem.wayne.edu)OHOOHHOHOOHOOHOHOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOResearch on Carbohydrates in Human Immunity in Wangs
14、LaboratoryOHOOHHOHOOHOOHOOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOBlood type B antigenType B bloodType A bloodAnti-B antibody Barrier in blood transfusion Barrier in organ transplantation Cause of hyperacute rejection in animal to human xenotransplantation Human natural immunity against pathogens,tumors,etc.Non-p
15、rimate mammals(pig,mouse,dog etc.)New world monkeyHumanApeOld world monkeyAnti-Gal antibody(the most abundant natural Ab)1-2%total IgG,3-8%total IgM-Gal epitopeabundant,1 million/cellHuman-HumanHuman-AnimalOHOOHOHOHOOHHOHOOHOOHOHOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOThe specificity of glycosyltransferases dete
16、rmine the sugar sequenceOHOOHHOHOOHOOHOOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOBlood type B antigenOHOOHOH-Gal antigenOOHOHHOOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOOHOOHOHOOHOHHOHOOOOHHONHACOHOOHOHOOOOHHOHOhuman 1,3GalTpig 1,3GalTAnti-Gal productionmillion years ago 5-15 20-30 30-40 60-70 70-80120-130mammals-gal epitopesynt
17、hesishumansapesmonkeysOld WorldNew WorldmonkeysprosimiansmarsupialsnonprimateplacentalmammalsInactivation of 1,3 GTBiomedical use of-Galu soluble-Gal antagonist to anti-Galu -Gal conjugates in immunotherapy against bacteria,virus,and cancer cells.人工合成的必要性人工合成的必要性OOHHOHOHOO P O PONNHOOOOHHOHOHOOOHHOO
18、HOOROOHHOHOHOOOHHOOOHOOHHOOHOOROOOO-O-HO P O PONNHOOOOOO-O-OHHOOHHOReaction Catalyzed by 1,3-GalactosyltransferaseGal1,4Glc-R,acceptor-Gal epitopeUDPUDP-Gal Donor1,3-galactosyltransferaseMn2+1,3GalT 催化合成-Gal Epitopes 及其衍生物HOOOHHOHOOUDPHOOOHHOHOOUDPOHOOHHOOOOHHOR1R2HOOHOOHHOHOOHOOHOHOOOOHHOR1R2UDP-Ga
19、l4-epimeraseUDP 1,3GalTR1R2OHOHOHOHNHAcN3SPhOAllylabcdNHAcOHeNH2OHfUDP-Gal100mg/$416 UDP-Glc5g/$529.5EC 5.1.3.2Fang J,Chen X,Wang PG,et al.:J.Org.Chem.1999,64,4089-4094.OOHOHOHOOOHOHHON3OHOOOHNHAcHOOOHOHOHOOOHOHHON3OOOOHNHAcHOOOH OHOHOOOH OHOHHOOOH OHOHOOOHOHHON3OOOOHNHAcHOOOH OHOHHOHOOOHHOHOOUDPHOO
20、OHHOHOOPO3=OPO3H-COOHOCOOH2PiUTPUDP-Gal4-epimeraseUDP1,4 galactosyltransferase1,3 galactosyltransferasePPiUDP-GlcUDP-GlcPyrophospho-rylasePyruvateKinaseInorganicPyrophos-phatase通过原位再生合成 a-Gal 五糖Fang J,Li J,Chen X,Wang PG,et al:J.Am.Chem.Soc.1998,120,6635-6638.其他生物活性寡糖的合成(应用)其他生物活性寡糖的合成(应用)In Human m
21、ilkOOHOHOOHOOHOHOOHOHHOOOHOOOHOHOHOOH1,4GalTlgtC gene(a)globotriose Gb3OHOHOAcHNOHOOHOHOOHOOHOHOOHOHOHOOHOOH1,3GalNAcTlgtD gene(b)globotetrose Gb4OHOOHOOHOOHOHOOHOHHOOHOAcHNOH(c)LNT-21,3GlcNAcTlgtA geneOHOOHOOHOOHOHOOHOHOOHOAcHNOH(d)LNnT:Lacto-N-neotetraose1,4GalTlgtB geneHOOHOHOOHOHOOHOOHOOHOHOOHOH
22、OHOAcHNOH2,3transialidase(e)LSTDOHOAcHNHOOHHOHO2COH(Without the B subunits,the A subunit has no way of attaching to or entering the cell,and thus no way to exert its toxic effect.)Stx is an AB5 subunit toxin.The pentamer of(small)B subunits binding to its receptor glycosphingolipid(GSL),globotriaosy
23、l ceramide(Gb3)in glomerular endothelial cell membranes,initiates A subunit-mediated cell death leading to HUS(hemolytic uremic syndrome),but induction of inflammatory pathways is also key.Gb3 is heterogenous in its lipid structure and membrane organization,such that different Gb3 formats are differ
24、entially recognized by Stx family members,particularly Stx2,which is more frequently associated with clinical disease.血型相关抗原酶法合成血型相关抗原酶法合成Fluorescently labeled sLex conj sLex在转移性结肠癌高表达转移性结肠癌高表达二价肿瘤抗二价肿瘤抗原酶法合成原酶法合成(用于检测肿瘤位置)(用于检测肿瘤位置)糖基转移酶应用乳腺癌、前列腺癌上高表达Globo-HP-凝集素凝集素 配体配体防治黑色素瘤防治黑色素瘤l 寡糖的合成常常需要多种糖基转
25、移酶寡糖的合成常常需要多种糖基转移酶l 为了增加产量还有用其他一些酶为了增加产量还有用其他一些酶l 分步合成费时费力分步合成费时费力?一锅多酶法一锅多酶法-Super beads-Super bugJ.Am.Chem.Soc.1995,117,5869-5870一锅多酶法合成透明质酸(hyaluronic acid)E1,hyaluronic acid synthase;E2,UDP-Glc dehydrogenase;E3,UDP-Glc pyrophosphorylase;E4,UDP-GlcNAc pyrophosphorylase;E5,pyruvate kinase;E6,lacta
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