糖基转移酶的研究概述

糖基转移酶的研究概述

邓传怀

（河北大学生命科学学院２０１２生物技术中国保定０７１０００）

摘要糖基转移酶在生物体内催化活化的糖连接到不同的受体分子，如蛋白、核酸、寡糖、脂上，糖基化的产物具有很多生物学功能并具有高度的底物专一性。本文综述了糖基转移酶的种类、功能、特性及其在组合生物合成中的应用与研究前景。

关键词糖基转移酶结构功能应用

Outline about research of

glycosyltransferases

Deng Chuanhuai

( College of Life Sciences , Biotechnology 2012, Hebei University ,

Baoding )

Abstract Glycosyltransferase catalyzing the biosynthesis of the sugar attached to different activated receptor molecules, such as proteins, nucleic acids, oligosaccharides, the lipid glycosylation product has many biological functions with a high degree of substrate specificity[1]. In glycosylation project, carried out by enzymatic protein glycosylation and important means of natural glycosylated glycoproteins to study the structure and function of glycoproteins[2].This article provides anoverview of the categories, functions, characteristics of Gtfs, their app lications in combinatorial biosynthesis, and the p rospects for research.

Key Words Glycosyltransferase Structure and Function Application

糖基转移酶是广泛存在于内质网和高尔基体内的一大类酶类[3]，参与体内重要的活性物质如糖蛋白和糖脂中糖链的合成。其作用是把相应的活性供体(通常是二磷酸核苷NDP-糖)

的单糖部分转移至糖、蛋白质、脂类和核酸等，完成后者的糖基化加工实现其生物学功能。

1 糖基转移酶的结构

在真核细胞中,绝大多数糖基转移酶都是位于内质网和高尔基体,除个别( 如合成G 寡糖的al,2甘露糖转移酶是I 型膜蛋白)外,它们都是Ⅱ型膜蛋白, 都有着相似的域结构。首先是一段短的留在胞质的N一末端肽端, 接着是跨膜结构域(TMD), 然后是一段所谓的“茎”(stem)区,余下则是一段很长的球形催化结构域。其中跨膜域在糖基转移酶的高尔基体膜定位中起着关键作用,而胞质尾端“茎”区的毗邻跨膜域的部分氨基酸则起着辅助作用。肤链的“茎”区氨基酸对某些蛋白水解酶敏感,易被水解,使催化结构域游离溶解出来,这在糖基转移酶的可溶化和提纯有重要意义。最近的一项研究表明ST6GalI的“茎”区域在糖蛋白受体的选择有一定作用, 可能是因为“茎”区域影响催化域的三维结构, 对这一区域意义的阐明还有待更多的研究.长期以来,人们对糖基化反应的分子机制一直不甚清楚, 最重要的原因的就是缺乏对糖基转移酶的三维结构的认识。1994年,Virelink 等利用X射线晶体衍射技术率先完成了对噬菌体T4的β-GlcT ( BGT)的3 D结构的测定。1999年至今, 人们又相继完成了另外12 种糖基转移酶的3D结构的测定结果发现这13 种糖基转移酶都是α∕β蛋白, 而且只采用了两种折叠模式GT一A 折叠和GT一B折叠( 即上文所提的两个超家族), 通过穿针引线分析(threadinganalysis)发现其余大多数糖基转移酶都采用这两种折叠模式中的一个。

核酸法测定蛋白质一级结构的迅速发展和广泛使用, 也为糖基转移酶的结构研究提供了有用的方法。因为大多数糖基转移酶是膜结合蛋白, 量很少, 不足以用经典的蛋白质化学方法测定它们的整个结构．目前认为仅是参与糖蛋白和糖脂中糖链合成的糖基转移酶就有上百种, 被克隆的哺乳动物来源的糖基转移酶只有十几种，这些糖基转移酶的cDNA的序列已被测定。它们大多有相似的域结构闭, 即：一段短的末端的肤段尾巴在细胞质中, 接着是１６－２０个残基组成的穿透膜的肤段, 然后是一段长度尚未确定的所谓的“颈”部, 余下的是很长的有催化活性的结构域, 后者在高尔基体的腔内。肽链中的“颈”部对某些蛋白水解酶敏感, 原来的膜酶经水解后成了可溶性的酶。后者比前者更为容易分离纯化, 为此多数糖基转移酶的结构研究, 是以水解得到的可溶性酶作起始材料, 得到了它们的ｃＤＮＡ后就能进一步测得酶的其它部分。兔肝ＧｎＴ１就是一个例子。在制备此酶时, 仅能得到少量纯化的酶, 大量是不吸附在分离柱上不能进一步纯化的酶克隆了编码此酶的基因,由2.5kb

cDNA的序列测定得到了此酶的蛋白质一级结构, 由４４７个残基组成。穿透膜的疏水肤段含有２５个残基, 可形成α螺旋。“颈”部的酶解点在45位残基, 在这切点和催化结构域之间的肤段中有异常多的脯氨酸。其它一些糖基转移酶也有这样高脯氨酸含量的“颈”部,这提示了糖基转移酶的“颈”部在高尔基体腔内糖基化过程中有特定的作用,例如有利于糖基化蛋白的移动。

2 糖基转移酶的分类

糖基转移酶的传统分类方法是根据其所转移的单糖分类, 如半乳糖转移酶, 唾液酸转移酶等; 国际生物化学和分子生物学学会推荐的分类方法是根据底物及产物立体化学异构性分类分为反向型(Inveritgn) 和保留型(Eratinign)这些分类方法存在一个明显的不足, 即不能揭示糖基转移酶的内在结构特征, 彼此同源性极低, 即使同一类糖基转移酶序列相似性也很低。1997年Campbell 等提出一种新的分类方法, 根据序列同源性、底物/ 产物立体化学异构性以及供体糖进行分类到目前为止，依据这种分类方法糖基转移酶被分为66家族及一个未分类族，出人意料的是如此众多的家族却只采用了两种折叠方式, 从而形成两种超家族, 分别命名为GT-A超家族和GT-B超家族。这两个超家族之间无论折叠方式, 活性位点还是催化机制都各不相同, 为如何完成糖基化反应这一问题提供了两种不同的答案.

3 糖基转移酶的作用机制

根据产物的立体化学异构性，糖基转移酶的作用机制分两种：反向型和保留型糖基转移酶。反向型糖基转移酶的作用机理是双分子亲核取代反应。利用NDP-糖活化的C-1作为亲电子基团，亲核攻击捕获带有亲核受体原子的糖苷配基，经过一个氧络正碳离子-离子样的过渡态产生一个反向的异头构型，完成一个简单的取代反应；关于保留型糖基转移酶的反应机制目前还没有确切的答案。参照糖苷酶的反应机制，糖基转移酶很可能经历了二次取代反应，首先形成一种含有共价键的糖基-酶中间体，释放核苷二磷酸，二磷酸基团将受体的羟基受体活化，而后受体再进攻糖基-酶复合体，形成糖苷键。作为底物或者产物的磷酸盐作为一种碱性催化剂在许多文献中都被报道。目前以研究保留型糖苷酶催化机制的方法去研究各种转移酶的催化机制已经做了大量工作，但仍没有得出针对参与反应的催化性亲核试剂及动力学及催化学机制层面上成立的共价中间体的最终鉴定结果。这可能可以作为反驳在糖基转移酶中不存“双取代”机制的证据，但是还有一种可能就是用于研究糖苷酶的研究方法根本不适用于糖基转移酶，因为用于研究这两种酶的底物的性质存在着根本的不同。所有的糖基转移酶都有高度的底物专一性即对糖基的供体有专一性,而且对糖基的接受体也有专一性，大多数糖基的供体是不同类型的核苷二磷酸激活的单糖不同的单糖用不同的核苷二磷酸活化但同样是葡萄糖基转移酶, 因合成的产物结构不同或合成的部位不同,所用的供体上的核苷二磷酸也不同。