浅谈蛋白质糖基化修饰与相关疾病

孙硕洋

【摘要】糖类、蛋白质、核酸是构成生物体的三类大分子物质。糖类除了供能和作为结构物质基础，还在细胞和蛋白质功能方面扮演着十分重要的角色。目前，对于蛋白质和核酸的研究比较深入，但是关于糖类的结构和生物功能的报道较少。

【关键词】蛋白质糖基化；糖尿病；神经退行性疾病；癌症1糖基化的简介

细胞内经常会发生多种修饰，包括糖基化，磷酸化，甲基化，乙酰化和泛素化等，这些修饰在多种生命活动中发挥着生物学功能[1]。

糖基化作为一种重要的修饰，广泛存在于细胞中，影响细胞的生命活动。这种修饰的具体过程就是将糖供体以糖苷键的形式连接到蛋白质、脂质或其他分子上的过程。糖苷键即指糖的羟基与其他物质之间缩合而形成的化学键。其中，蛋白质糖基化修饰通常涉及糖的羟基共价结合到丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸等的基团上[1]，此过程主要发生在内质网系统的高尔基体内。

根据蛋白与糖之间连接的基团的不同，蛋白质糖基化类型分为：C-糖基化、N-糖基化、O-糖基化和GPI（糖基磷脂酰肌醇）锚糖基化[1]。在发生糖基化的过程中，不同种类的糖称为糖供体，发生糖基化修饰的蛋白、脂质等分子即为糖受体。由于糖供体的种类，构型，连接方式多种多样，以及可以发生的糖基化的氨基酸种类也多，因此它可能是最丰富且在结构上多样的一种修饰。

蛋白质O-GlcNAc修饰是蛋白质糖基化的一种，是在后生动物中核质蛋白丝氨酸或苏氨酸上的一种单糖基化修饰。此过程的糖供体是GlcNAc （N-乙酰葡糖胺），它是以UDP-GlcNAc（尿嘧啶一5-二磷酸-N-GlcNAc）形式存在。糖受体即生物体内各种蛋白质及酶类。另外，糖基化的发生还需要两种酶类：OGT （O-GlcNAc糖基转移酶）和OGA （N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）。它们都是机体内存在的两种重要的酶，OGT负责将G1cNAc添加到蛋白质上；OGA则能够将GlcNAc从糖蛋白上水解下来，使GccNAe脱离蛋白质[2]。

总体上，发生蛋白质O-GlcNAc修饰的整体过程就是通过OGT和OGA以UDP-GlcNAc为底物催化蛋白质丝氨酸或苏氨酸的羟基，形成共价结合的过程（如图1）。通过糖基转移酶与糖苷酶共同作用完成糖基化与去糖基化的过程，从而达到动态、可逆的状态。由于UDP-GlcNAc是OGT的底物，所以此过程的发生依赖于糖供体UDP-GlcNAc的浓度。UDP-GlcNAc的浓度主要是通过HBP（己糖胺合成途径）合成[2]。在脂肪细胞中，进入细胞的2-5%的葡萄糖通过HBP转换成UDP-GlcNAc和其他代谢。因此，血糖过多时就会造成进入HBP的葡萄糖增多，进而转换成的UDP-GlcNAc增加，O-GlcNAc修饰也会增加。

自从蛋白质O-GlcNAc修饰发现后，越来越清楚丝氨酸或苏氨酸上的O-GlcNAc修饰是一种丰富的且动态的翻译后修饰过程。O-GlcNAc修饰的蛋白已经在细胞核和细胞质中检测到，且它的水平能够响应细胞中的营养水平和压力水平。

2糖基化修饰在生物学上的功能

生物体内一半以上的蛋白存在糖基化修飾，包括转录因子，糖代谢过程中的各种酶等，涉及到多种生物学过程[3]。

O-GlcNAc修饰调节转录过程。O-GlcNAc修饰通常能够调节转录过程中相关蛋白的活性，从而参与到转录过程中；O-GlcNAc修饰调控应激反应。O-GlcNAc修饰水平能够响应细胞中的营养水平和压力水平。在外界条件变化下，多种细胞也会发生迅速的O-GlcNAc修饰变化，且对细胞的功能能够产生深远的影响；O-GlcNAc修饰调节信号传导途径。激酶上的O-GlcNAc修饰与磷酸化间的平衡对于它的功能发挥具有重要作用；O-GlcNAc修饰调节细胞周期。在不同的细胞周期，OGT的分布也不同，O-GlcNAc修饰的异常会影响相关蛋白从而对细胞的生长产生抑制或促进。

3糖基化修饰与多种疾病

翻译后修饰是指蛋白质经过翻译后的化学修饰，糖基化修饰就是一种广泛存在的翻译后修饰（PTMs）过程。糖基化这种翻译后修饰影响生物体内大分子的结构和生物功能，对很多生理途径有重要意义。

3.1糖尿病

糖尿病是常见的疾病，每年有成千上万的人死于糖尿病及其并发症。其中有95%以上属于Ⅱ型糖尿病。糖尿病的病因主要是胰岛素信号通路的异常。Ⅱ型糖尿病即非胰岛素依赖型糖尿病。其典型标志是胰岛素耐受。胰岛素耐受指体内胰岛素水平正常但胰岛素信号传导受阻。这与O-GlcNAc修饰是密切相关的[4]。另外，由于糖尿病病人体内葡萄糖和UDP-GlcNAc含量异常升高，高浓度的UDP-GlcNAc增加了SP1的O-GlcNAc修饰，抑制了胰岛素信号通路，引起胰岛素耐受，使血糖升高。另外，O-GlcNAc修饰在内皮细胞中调控NO产物，促进血管并发症并会导致器官的衰竭。O-GlcNAc修饰还会影响糖代谢中很多关键酶的修饰水平，使之功能发生异常，从而使血糖浓度增高，造成病情加重。所以糖尿病患者的很多并发症可能也与O-GlcNAc修饰相关。例如，糖尿病患者心脏中O-GlcNAc修饰的异常会造成心脏功能障碍，而糖尿病相关发病率和死亡率的主要原因就是心机病变[4]。所以降低O-GlcNAc水平可能能够对糖尿病病人心脏功能的控制产生有益影响。

3.2神经退行性疾病

O-GlcNAc修饰在神经系统如大脑、神经纤维中含量丰富。通常在这些系统中的蛋白质O-GlcNAc修饰的异常就会引起神经退行性疾病的发生[5]。例如，Tau蛋白是维持微管蛋白聚合和稳定所必需的，也是引起阿尔兹海默症（AD）的主要病理。这种蛋白的多种修饰会引起它的毒性，从而使机体产生相关疾病。因此，改变这些蛋白和其他上游因子的修饰状态可能是减少阿尔兹海默症中毒性蛋白的途径。

目前，已经鉴定出一些神经蛋白存在糖基化修饰，这些蛋白存在于神经系统中的包涵体中。包涵体的特点在于能够避免泛素蛋白酶体系统，从而避免降解。从这个角度来看，底物蛋白能够通过与单个N-乙酰葡萄糖胺共价结合于丝氨酸或苏氨酸上形成糖蛋白，转运到包涵体中免于蛋白酶体降解。负责O-GlcNAc动态系统的两种酶在大脑中含量丰富，但编码这两种酶的基因在神经系统中经常突变，从而使大脑中OGT与OGA含量异常，导致O-GlcNAc修饰异常。这些数据都表明了O-GlcNAc在神经退行性疾病中具有重要作用。

3.3癌症

O-GlcNAc修饰由于涉及细胞周期、应激感应、转录调控等多种细胞途径和功能，所以可能在正常细胞癌变的过程中产生复杂的作用。很多类型的癌症中都显示出O-GlcNAc水平的增高及OGT和OGA的异常表达[3]。例如，相对于正常样品，乳腺癌细胞和病人样品的OGT水平和O-GlcNAc水平都有增高[3]。目前，也已经证明了在乳腺癌细胞中OGT和O-GlcNAc水平上的增加。

这种相似的趋势也在前列腺，结肠，膀胱，肝肿瘤，白血病，肺胰腺癌，胃癌，卵巢癌中发现[6]。与正常组织相比，前列腺癌组织中OGT mRNA表达提高，mRNA增高后能够使OGT蛋白合成增多，O-GlcNAc水平异常，促使mRNA的增加能够使患者的存活率减少五年。另外，已经有人证明了O-GlcNAc水平的提高可以作为前列腺癌病人存活的预后标志物。卵巢癌中O-GlcNAc能够促进细胞增殖[7]。总的来说，这些结果强调了OGT和O-GlcNAc水平对于临床诊断的重要性。

4展望

随着蛋白质组学的发展，蛋白质糖基化也越来越受到关注。O-GlcNAc修饰涉及生命活动的方方面面，其功能异常与糖尿病、神经退行性疾病及癌症等密切相关。但目前蛋白质糖基化修饰对于各种疾病的具体影响机制还不太清楚，只有进一步了解其更多的生物功能，才能揭示其中的奥秘，从而能够为疾病的诊断和治疗带来新的方向。

參考文献

[1]李军，杜鑫，Hosseini MoghaddamS.H.，陈玉银.蛋白质糖基化修饰研究进展[J].科技通报，2009，25 （06）： 773-778+783.

[2]张肖冰.蛋白质O-GlcNAc糖基化在紫杉醇抗肿瘤活性中的作用研究[D].山东大学，2015.

[3]张肖冰，师以康.蛋白质O-GlcNAc糖基化与肿瘤[J].肿瘤，2013， 33（11）：1027-1032.

[4]吴子君，郭润民，吴铿.蛋白翻译后修饰在糖尿病心肌病发病中的作用与机制[J].中国医学创新，2016，13（17）：146-148.

[5]李慧.己糖激酶（HK2）的O-GlcNAc糖基化位点鉴定以及HK2敲除细胞株的构建[D].山东大学，2016.

[6]章诺贝，陈新.O-GlcNAc糖基化修饰和Akt1对胃癌细胞体外增殖及侵袭力的影响[J].重庆医学，2017，46（08）：1027-1031+1035.

[7]马春，张玮，王建.O-GLcNAc糖基化介导的β-catenin水平变化对卵巢癌细胞增殖的影响[J].现代妇产科进展，2017， 26（07）： 489-492.