Glykosylaatio

Glykosylaatio on proteiinin posttranslationaalinen eli proteiinisynteesin jälkeinen muokkaus, jossa polypeptidiketjun tai -ketjujen tiettyihin aminohappotähteisiin kiinnitetään entsyymiohjatusti glykaaneita eli sokerirakenteita. Glykaanit kiinnittyvät aminohappotähteisiin O- tai N-glykosidisilla sidoksilla muodostaen glykoproteiineja. O-glykosidisidoksella tapahtuvaa kiinnittymistä kutsutaan O-glykosylaatioksi ja N-glykosidisidoksella tapahtuvaa N-glykosylaatioksi. Myös lipidit voivat glykosyloitua.

Useat proteiinit toimisivat oikein ilman glykosylaatiota, mutta glykosylaatiolla on kuitenkin oleellinen osa proteiinien rakenteessa ja toiminnassa. Glykoproteiineja tarvitaan solujen keskinäisessä viestinnässä, jossa ne toimivat tunnistavien proteiinien eli reseptorien ligandeina sekä myös itse reseptoreina erilaisten välittäjäaineiden, solutyyppien ja kudosten tunnistuksessa. Eri kudoksissa proteiinit glykosyloituvat eri lailla. Sairauksissa, kuten syövässä, solujen pintaproteiinien glykosylaatio muuttuu normaalista.^[1] Elimistön immuunipuolustus voi aloittaa epänormaalien solujen tuhoamisen tunnistettuaan ne väärän tyyppisistä glykaaneista.

Glykaanien tehtävät:

1. Lisätä proteiinien liukoisuutta, jotta solun pinnan proteiinit olisivat helpommin lähestyttävissä solun ulkoisessa nesteessä.
2. Toimia lektiinien ligandeina muun muassa valkosolujen hidastaessa ennen niiden tunkeutumista tulehduspaikalle.
3. Toimia apuna proteiinien laskostumisessa solulimakalvoston kaperonien eli laskostumista avustavien proteiinien sitoutumista varten. Kaperoniproteiinien, muun muassa kalneksiinin ja kalretikuliinin, ligandeina asparagiiniin sitoutuneet glykaanit auttavat laskostumisessa ja oikein laskostuneiden molekyylien tunnistamisessa. N-glykaanien läsnäolo laskostumisessa edistää β-levyjen muodostumista.
4. Toimia kuljetuksen signaalimolekyyleinä esimerkiksi lysosomeihin tarkoitetuissa proteiineissa.
5. Valmiissa proteiinissa niiden läsnäolo auttaa stabiloimaan proteiinia esimerkiksi estämään proteolyysiä.
6. Aiheuttaa proteiinin biologinen aktiivisuus.

O-glykaanit kiinnittyvät eri tavoilla polypeptidiketjuun:

1. Glykoproteiineissa seriini- tai treoniiniaminohappotähteen hydroksyyliryhmä muodostaa O-glykosidisidoksen N-asetyyligalaktosamiinin kanssa.
2. Proteoglykaaneissa esiintyy seriinin ja ksyloosin välinen O-glykosidisidos.
3. Kollageeneissa esiintyy hydroksilysiinin ja galaktoosin välinen O-glykosidisidos.

Glykoproteiinit syntetisoidaan usein solulimakalvostoon kiinnittyneissä ribosomeissa. O-glykaanit rakennetaan liittämällä vaiheittain nukleotidilla aktivoituja monosakkarideja muodostuvaan glykaaniin, jonka ensimmäinen monosakkaridi on kiinnittyneenä aminohappotähteeseen. Ihmisen yleisimmät glykoproteiinien synteesissä käytettävät nukleotidisokerit ovat UDP-Gal (galaktoosi, jossa liittyneenä uridiinidifosfaatti), UDP-Glc (glukoosi, jossa liittyneenä uridiinidifosfaatti), GDP-Man (mannoosi, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti), CMP-NeuAc (N-asetyylineuramiinihappo, jossa liittyneenä sytidiinimonofosfaatti), GDP-Fuc (fukoosi, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti), UDP-GalNAc (N-asetyyligalaktosamiini, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti) ja UDP-GlcNAc (N-asetyyliglukosamiini, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti). Sokerien kiinnittymisreaktioita katalysoivat glykoproteiini-glykosyylitransferaasientsyymit. Ensimmäisten sokerien kiinnittäminen polypeptidiin alkaa jo translaation aikana. O-glykaanien synteesi saatetaan loppuun Golgin laitteessa, jossa niiden häntäosiin liitetään esimerkiksi N-asetyylineuramiinihappoja eli sialihappoja.

N-glykosylaatiossa polypeptidiketjun tai -ketjujen asparagiiniaminohappotähteisiin kiinnittyy sokeriosia eli glykaaneita N-glykosidisilla sidoksilla. Asparagiiniin kiinnittyvä monosakkaridi on yleensä aina N-asetyyliglukosamiini, joka siis aloittaa N-glykaanin. N-glykoproteiinit eli proteiinit, joissa on kiinnittyneenä N-glykaaneita, ovat glykoproteiinien pääluokka. Plasman proteiineista pääosa kuuluu N-glykoproteiineihin. N-glykoproteiineja on kiinnittyneinä myös solukalvoissa. Proteiinien oikeassa laskostumisessa on N-glykaaneilla suuri merkitys.

Kun glykoproteiinin translaatio alkaa ribosomissa, sen alussa on usein signaalipeptidi, joka ohjaa ribosomin ja peptidin solulimakalvostoon. Solulimakalvoston kalvossa on translokoni, jonka läpi peptidiketjua aletaan syöttää solulimakalvoston onteloon. Juuri kalvon sisäpuolella on joukko proteiineja, jotka tutkivat uutta peptidiketjua etsien tiettyä sekvenssiä, johon blokkina paikalle tuotava glykaanikimppu kiinnittyy. Kiinnityskohtana toimii Asn-X-Ser/Thr sekvenssi, jossa asparagiinin ja seriinin/treoniinin välissä voi olla mikä tahansa aminohappo paitsi proliini. Asparagiinin vapaa aminoryhmä ottaa glykaanin vastaan, koska vielä laskostumaton peptidisäie taipuu niin, että seriinin hydroksyyliryhmä tekee asparagiinin aminotypestä nukleofiilisemmän, johon sokeriketju sitten voi sitoutua N-glykosidisella sidoksella.

Glykaanirakenne tuodaan peptidiketjuun kantajaan kiinnitettynä. Kantajana toimii dolikolipyrofosfaatti, joka on pitkäketjuinen polyisoprenoidi (lipidi), joka on ankkuroitunut solukalvoon siten, että fosfaattiryhmät ovat solulimakalvoston lumenin eli ontelon puolella. Glykaaniketjua aletaan rakentaa dolikoliin sytosolin puolella, jossa UDP-GlcNAc (N-asetyyliglukosamiini, johon on kiinnittynyt uridiinidifosfaatti) luovuttaa siihen ensin kaksi N-asetyyliglukosamiinia, jotka spesifi glykosyylitransferaasi kiinnittää paikoilleen. Sitten GDP-Man (mannoosi, johon on kiinnittyneenä guanosiinidifosfaatti) transferaasien avustuksella kiinnittää siihen yksi kerrallaan viisi mannoosia. Viidennen mannoosin jälkeen flippaasi entsyymi kääntää glykaanidolikolin solulimakalvoston kalvon sisäpuolelle, jossa siihen lisätään edelleen neljä mannoosia, joten kaiken kaikkiaan muodostuvassa glykaanissa mannooseja on yhdeksän. Mannoosit on järjestetty kolmeen runkoon eli haaraan, joista ensimmäiseen lisätään yksi kerrallaan vielä kolme glukoosia. Seitsemän viimeisen monosakkaridin, neljän mannoosin ja kolmen glukoosin, kantajana toimii nukleotidin asemesta dolikoli-P. Kun glukoositkin ovat paikoillaan, oligosakkaryylitransferaasi siirtää glykaanikimpun peptidirunkoon.

Kun glykaani on liitetty peptidirunkoon, aletaan siitä trimmata glukooseja irti. Uloimmaisen glukoosin poistaa endoglykaasi I ja seuraavan endoglykaasi II. Jäljelle jää yksi glukoosi kaperonin sitomista varten. Myös A-rungossa olevat kolme mannoosia ovat tarpeellisia, jotta glykaani sitoutuisi kaperoniin riittävällä affiniteetilla.

Laskostamista avustavat joko BiP (tunnetaan myös kaperoni Grp78:na) tai kalneksiini/kalretikuliini ja niihin liittyvät tioli-disulfidi-oksidoreduktaasit. Molemmat kaperonisysteemit ovat tarjolla. Ensin peptidiketjuun sitoutumaan ehtivä systeemi, aloittaa laskostumisen auttamisen. Myöhemmissä vaiheissa kaperoni voi vaihtua toiseksikin. Jos glykaaniketju on lähellä NH₂-terminusta, peptidiin sitoutuu ensin kalneksiini tai kalretikuliini, ja jos glykaani on sitten COOH-päässä peptidiä, BiP aloittaa kaperonina.

Kalneksiini on tyyppi I transmembraaniproteiini solulimakalvossa (ER), kooltaan 88–90 kDa. Kalretikuliini on liukoinen proteiini, jonka molekyylipaino on 55–60 kDa, ja joka pysyy ER:ssä C-terminaalisen Lys-Asp-Glu-Leu-sekvenssin ansiosta. Molemmat proteiinit ovat monomeerisia, C-tyypin lektiinejä (sitovat kalsiumia) ja muistuttavat toiminnaltaan ja rakenteeltaan suuresti toisiaan. Molemmat tarjoavat glykoproteiinille suojan, jossa sen hydrofobiset osat voivat laskostua rauhassa oikein sen sijaan, että vapaana ollessaan ne aggregoituisivat toisten hydrofobisten jaksojen kanssa liukenemattomiksi möykyiksi.

Molemmissa kaperoneissa on kolme erilaista domeenia:

1. N-terminaalinen globulaarinen β-kerrosdomeeni, johon sokeriosa sitoutuu,
2. C-terminaalinen domeeni, jossa on kalsiumia sitova osa ja
3. käsivartta muistuttava P-domeeni, joka muodostuu neljästä tai kolmesta toistojaksosta, jotka sisältävät paljon proliinia.

P-domeeni sitoo tioli-disulfidi-oksidoreduktaasi ERp57:ää, joka muodostaa disulfidisidoksia peptidiketjussa olevien kysteiinien välille. Glykaanin glukoosi ja kolme viereistä mannoosia tarttuvat N-domeenin β-levyssä oleviin aminohappoihin sitä paremmalla affiniteetilla mitä enemmän mannoosia rungossa on. Kaikkien kolmen mannoosin kanssa sitoutuminen on paras, mutta kaperoni tunnistaa myös rakenteen, jossa on vähemmän mannoosia. Silloin sitoutuminen on tosin huomattavasti heikompaa ja peptidiketju saattaa irrota kaperonista väärin laskostuneena. Kun laskostuminen on kunnossa tai sen pitäisi olla kunnossa, endoglykaasi II katkaisee glukoosin mannoosista, ja laskostettu peptidi pääsee irti kaperonista.

UDP-Glukoosi Glykoproteiini-Glukosyylitransferaasi (UGGT) tarkastaa laskostumisen. Se osaa tunnistaa pinnalla olevat hydrofobiset jaksot ja pinnan mahdollisen epästabiiliuden, mutta ei kuitenkaan reagoi tuoreeseen, laskostamattomaan peptidiketjuun tai vapaisiin glykaaneihin. Oikein laskostunut peptidiketju päästetään ER:stä eteenpäin Golgin laitteelle, jossa sen glykosylaatiota trimmataan edelleen ja sille voidaan tehdä muitakin posttranslationaalisia modifikaatioita eli muokkauksia. Väärin laskostuneeseen peptidimassaan UGGT lisää glukoosin, joka palauttaa sen takaisin kalneksiini/kalretikuliini-kiertoon. Samaan aikaan UGGT:n kanssa toimivat mannosidaasit, jotka poistavat väärin laskostuneen peptidin glykaanista mannoosia. Yleensä UGGT lisää glukoosin hyvin nopeasti, mutta jos laskostuminen ei onnistu ja peptidi joutuu kiertämään reittiä monta kertaa, mannosidaasi ehtii toimia. Muodostunut (Man)₈(GluNAc)₂ toimii signaalina epäonnistuneen peptidin poistamiselle ERAD-järjestelmän (engl. ER associated degradation, solulimakalvostoon liittyvä proteiinin hajotus) kautta. Peptidi kuljetetaan ER:n ulkopuolelle, ubikitinaatioidaan eli se merkitään kuljetettavaksi ja hajotettavaksi proteasomiin.

N-glykaanit jaotellaan kolmeen päätyyppiin glykaaniosan koostumuksen perusteella:

1. Paljon mannoosia sisältävät (High-mannose),
2. Kompleksiset eli monia sokereita sisältävät ja
3. Hybridit eli edellisten sekoitukset, jossa on paljon mannoosia, mutta myös muita monosakkarideja esiintyy.

Kaikille yhteistä on kahden N-asetyyliglukosamiinin ja kolmen mannoosin muodostama asparagiiniin kiinnittyvä pentasakkaridiosa. Paljon mannoosia sisältävien glykaanien muokkaus ei välttämättä vaadi viimeistelyjä, mutta muiden tyyppien viimeistely edellyttää mannoosien poistamista mannosidaaseilla ja muiden monosakkaridien liittämistä glykaaniin glykosyylitransferaasientsyymien, kuten N-asetyyliglukosamiini-, fukosyyli-, galaktosyyli- ja sialyylitransferaasien, avustuksella.

• Glykoproteiini
• Glykaani
• Kehittyneet glykaation lopputuotteet

• The Williams Laboratory, Department of Biochemistry, The University of Toronto (Arkistoitu – Internet Archive)
• Helenius, Aebi (2004), "Roles of N-linked glykans in the endoplasmic reticulum", Annu Rev Biochem 73: 1019–49.
• Molinari, Helenius (2000), "Chaperone Selection During Glycoprotein Translocation into the Endoplasmic Reticulum", Science 288: 331–333.
• David B. Williams Beyond lectins, "The calnexin/calreticulin chaperone system of the endoplasmic reticulum", J Cell Sci 119: 615623.
• Murray R. K. et al.: Harper’s Biochemistry, 23rd Edition. Chapter 56: Glycoproteins. Appleton & Lange, 1993. ISBN 0-8385-3562-3

• N-glykaanien rakenne, englanniksi, luettu 15.3.2007^{[vanhentunut linkki]}