Гликаны могут регулировать собственную биосинтез, модифицируя активность ферментов

Гликаны — это цепи сахаров, присоединяющиеся к клеткам через белки или липиды и меняющие их химические характеристики. Структура гликанов может быть невероятно сложной и разветвленной, что способствует стабильности внеклеточного домена клеток и белков. То, как и почему происходит гликозилирование белков и липидов (модификация гликанами после синтеза), в значительной степени остается неизвестным.

Гликозилирование белков с образованием гликопротеинов — очень распространенный процесс, связанный с изменениями в клеточной адгезии, передаче сигналов, сворачивании белков и активации рецепторов. Нарушения гликозилирования также ассоциируются с заболеваниями, например, с нейродегенеративными болезнями.

Чтобы лучше понять процесс гликозилирования белков, исследователи из Института исследований глико-ядра (iGCORE) Университета Гифу, Университета Миссисипи, Университета Хиросимы и Университета Осаки изучили уникальные гликан-связывающие домены в N-ацетилглюкозаминилтрансферазе-IVa (GnT-IVa или MGAT4A) и GnT-IVb (MGAT4B). Эти два фермента гликозилирования отвечают за присоединение гликановой ветви β1-4-GlcNAc к специфическим гликанам на гликопротеинах.

Исследование было опубликовано 27 сентября в журнале iScience.

"У большинства ферментов гликозилирования (гликозилтрансфераз) нет дополнительного лектинового, или сахар-распознающего домена, в отличие от GnT-IVa и GnT-IVb. У большинства есть только каталитический домен, который просто гликозилирует субстратный белок. Мы стремились выяснить функции уникального лектинового домена гликозилирующих ферментов GnT-IVa и GnT-IVb", — пояснил профессор iGCORE Университета Гифу Ясухико Кидзука, старший автор работы.

Другой вопрос, который рассматривался в исследовании, — распознают ли ферменты гликозилирования белковую часть гликопротеинов, которые они модифицируют. Многие биохимические исследования показали, как ферменты гликозилирования специфически распознают гликаны на своих субстратах, но механизмы выбора белка (если они есть) неизвестны.

Команда создала серию мутантов GnT-IVa и GnT-IVb с нарушенной только лектин-связывающей активностью, чтобы определить, необходима ли она для активности фермента. Без функциональных лектиновых доменов оба фермента показали значительно более низкую активность гликозилирования в отношении гликопротеинов по сравнению с нормальными ферментами. Дополнительные эксперименты показали, что лектиновый домен нормальных GnT-IVa и GnT-IVb мало влияет на фактическое образование ветви β1-4-GlcNAc на субстратных гликопротеинах.

Команда также провела молекулярно-динамическое моделирование, чтобы выяснить, могут ли N-гликаны (множественные молекулы сахаров, присоединенные к аминокислоте аспарагину (Asn) в белках) на самих ферментах GnT-IVa и GnT-IVb мешать работе их лектинового домена. Моделирование предсказало такую возможность, но она зависела от типа N-гликана на ферменте.

В дополнительных экспериментах использовали GnT-IVa с разными N-гликанами, способными связываться с ее лектиновым доменом: один с олигоманнозой (слабое связывание), другой с GlcNAc (сильное связывание). Важно, что анализ активности показал: фермент GnT-IVa с гликановыми ветвями GlcNAc (сильное связывание) около лектинового домена снижает свою активность в отношении субстратных гликопротеинов. Проще говоря, GlcNAc, присоединенный к самому GnT-IVa, уменьшал добавление гликана GlcNAc к белкам, которые фермент обычно гликозилирует.

"Мы обнаружили, что GnT-IVa и GnT-IVb используют свои лектиновые домены для распознавания субстратных белков, демонстрируя уникальный механизм узнавания субстратного гликопротеина гликозилтрансферазой. Другое интересное открытие: распознавание субстратного гликопротеина может ингибироваться собственными гликанами фермента, присоединяющимися к его лектиновым доменам. То есть их активность саморегулируется их же гликанами. Насколько мне известно, это первый случай, когда специфический гликан саморегулирует свой собственный биосинтез", — сказал Кидзука.

Несмотря на открытия, в этой области еще многое предстоит узнать о механизмах гликозилирования белков. В конечном итоге авторы хотели бы изучить другие гликозилтрансферазы, обладающие уникальными некаталитическими доменами.

"Наше исследование показало, что у некоторых гликозилтрансфераз есть уникальные механизмы, с помощью которых вспомогательные домены регулируют их активность. Это может привести к лучшему пониманию того, как гликозилтрансферазы выбирают свои субстратные белки в клетках", — заключил Кидзука.