N-länkad glykosylering

Biosyntesväg för N-länkade glykoproteiner: Syntesen av N-länkade glykaner börjar i det endoplasmatiska retikulumet, fortsätter i Golgi och slutar vid plasmamembranet, där de N-länkade glykoproteinerna antingen utsöndras eller blir inbäddade i plasmamembranet.

Biosyntesen av N-länkade glykaner sker via tre huvudsteg:

1. Syntes av dolichol-länkad prekursoroligosackarid
2. En bloc-överföring av prekursoroligosackarid till protein
3. Bearbetning av oligosackariden

Syntesen, en bloc-överföringen och den initiala trimmningen av prekursoroligosackariden sker i det endoplasmatiska retiklet (ER). Efterföljande bearbetning och modifiering av oligosackaridkedjan sker i Golgiapparaten.

Syntesen av glykoproteiner är således rumsligt åtskild i olika cellulära kompartment. Vilken typ av N-glykan som syntetiseras beror därför på dess tillgänglighet för de olika enzymer som finns i dessa cellutrymmen.

Trots mångfalden syntetiseras dock alla N-glykaner genom en gemensam väg med en gemensam kärnglykanstruktur.

Kärnglykanstrukturen består i huvudsak av två N-acetylglukosamin- och tre mannosarester. Denna kärnglykan utarbetas och modifieras sedan ytterligare, vilket resulterar i ett varierat utbud av N-glykanstrukturer.

Syntes av prekursoroligosackaridEdit

Processen för N-länkad glykosylering startar med bildandet av dolichol-länkat GlcNAc-socker. Dolikol är en lipidmolekyl som består av upprepade isoprenenheter. Denna molekyl återfinns fäst vid ER:s membran. Sockermolekylerna är knutna till dolichol genom en pyrofosfatlänkning (en fosfat var ursprungligen knuten till dolichol och den andra fosfaten kom från nukleotidsockret). Oligosackaridkedjan förlängs sedan genom tillsats av olika sockermolekyler stegvis för att bilda en prekursoroligosackarid.

Sammansättningen av denna prekursoroligosackarid sker i två faser: Fas I och II. Fas I sker på den cytoplasmatiska sidan av ER och fas II sker på den luminal sidan av ER.

Den prekursormolekyl som är redo att överföras till ett protein består av 2 GlcNAc-, 9 mannosemolekyler och 3 glukosmolekyler.

Stegvis syntes av prekursoroligosackariden i ER-lumen under N-bunden glykosylering: diagrammet illustrerar de steg som sker i både fas I och fas II enligt beskrivningen i tabellen.

Överföring av glykan till proteinRedigera

När prekursoroligosackariden har bildats överförs den färdiga glykanen sedan till den framväxande polypeptiden i ER-membranets lumen. Denna reaktion drivs av den energi som frigörs från klyvningen av pyrofosfatbindningen mellan dolichol-glykanmolekylen.Det finns tre villkor som måste uppfyllas innan en glykan överförs till en begynnande polypeptid:

• Asparagin måste finnas i en specifik konsensussekvens i den primära strukturen (Asn-X-Ser eller Asn-X-Thr eller i sällsynta fall Asn-X-Cys).
• Asparagin måste vara lämpligt placerat i proteinets tredimensionella struktur (sockerarter är polära molekyler och måste därför fästas vid asparagin som är placerat på proteinets yta och inte begravet i proteinet)
• Asparagin måste finnas på den luminala sidan av det endoplasmatiska retikulumet för att N-länkad glykosylering ska kunna inledas. Målrester finns antingen i sekretoriska proteiner eller i de regioner av transmembranproteiner som vetter mot lumen.

Oligosackaryltransferas är det enzym som är ansvarigt för att känna igen konsensussekvensen och överföra prekursorglykanen till en polypeptidacceptor som håller på att översättas i lumen av det endoplasmatiska retikulumet. N-länkad glykosylering är därför är en co-translationell händelse

Bearbetning av glykanEdit

Glykanbearbetning i ER och Golgi.

N-glykanbearbetning sker i endoplasmatiska retikulum och Golgikroppen. Den inledande trimningen av prekursormolekylen sker i ER och den efterföljande bearbetningen sker i Golgi.

När den färdiga glykanen överförs till den framväxande polypeptiden avlägsnas två glukosrester från strukturen. Enzymer som kallas glykosidaser avlägsnar vissa sockerrester. Dessa enzymer kan bryta glykosidiska bindningar med hjälp av en vattenmolekyl. Dessa enzymer är exoglykosidaser eftersom de endast arbetar på monosackaridrester som befinner sig i den icke-reducerande änden av glykanen. Detta inledande trimningssteg tros fungera som ett kvalitetskontrollsteg i ER för att övervaka proteinets veckning.

När proteinet är korrekt veckat avlägsnas två glukosrester av glukosidas I och II. Avlägsnandet av den sista tredje glukosrestigen signalerar att glykoproteinet är redo för transit från ER till cis-Golgi. ER mannosidas katalyserar avlägsnandet av denna sista glukos. Om proteinet inte är korrekt veckat avlägsnas dock inte glukosresterna och därmed kan glykoproteinet inte lämna den endoplasmatiska retikulan. Ett chaperonprotein (calnexin/calreticulin) binder till det oveckade eller delvis veckade proteinet för att underlätta proteinveckningen.

Nästa steg innebär ytterligare tillsats och avlägsnande av sockerrester i cis-Golgi. Dessa modifieringar katalyseras av glykosyltransferaser respektive glykosidaser. I cis-Golgi tar en serie mannosidaser bort några eller alla av de fyra mannosaresterna i α-1,2-länkningar. Medan glykosyltransferaser i den mediala delen av Golgi lägger till sockerrester till kärnglykanstrukturen, vilket ger upphov till de tre huvudtyperna av glykaner: högmannoseglykaner, hybridglykaner och komplexa glykaner.

De tre huvudtyperna av glykaner.

• Hög mannos är i huvudsak bara två N-acetylglukosaminer med många mannosrester, ofta nästan lika många som ses i oligosackariderna i föregångaren innan den fästs vid proteinet.
• Komplexa oligosackarider heter så eftersom de kan innehålla nästan hur många som helst av de andra typerna av sackarider, inklusive fler än de ursprungliga två N-acetylglukosaminerna.
• Hybridoligosackarider innehåller en mannosarest på ena sidan av förgreningen, medan en N-acetylglukosamin på andra sidan inleder en komplex förgrening.

Förordningen för tillsättning av sockerarter till de växande glykankedjorna bestäms av enzymernas substratspecificiteter och deras tillgång till substratet när de rör sig genom den sekretoriska vägen. Således spelar organisationen av detta maskineri inom en cell en viktig roll för att bestämma vilka glykaner som tillverkas.

Enzymer i GolgiEdit

Golgienzymer spelar en nyckelroll för att bestämma syntesen av de olika typerna av glykaner. Enzymernas verkningsordning återspeglas i deras position i Golgi-stapeln:

I archaea och prokaryoterEdit

Samma N-glykanbiosyntesvägar har hittats i prokaryoter och archaea. Jämfört med eukaryoter verkar dock den slutliga glykanstrukturen i eubakterier och archaea inte skilja sig mycket från den ursprungliga prekursorn som tillverkas i det endoplasmatiska retikulumet. I eukaryoter modifieras den ursprungliga prekursoroligosackariden i stor utsträckning på vägen till cellytan.