Interakce glykan-protein - Glycan-protein interactions - Wikipedia

Spike (S) protein zodpovědný za vazbu na receptory ACE2 v COVID-19. Glycany zvýrazněny modře. Struktura převzata ze záznamu PDB 6VXX^[1]

Interakce glykan-protein představují třídu biomolekulárních interakcí, ke kterým dochází mezi volnými nebo vázanými na bílkoviny glykany a jejich příbuzní závazní partneři. Mezi glykany a proteiny, ke kterým jsou kovalentně připojeny, dochází k interakcím mezi molekulami glykan-protein (protein-glykan). Dohromady s interakce protein-protein, tvoří mechanický základ pro mnoho podstatných buňka procesy, zejména pro interakce buňka-buňka a interakce hostitel-buňka.^[2] Například, SARS-CoV-2, původce COVID-19, intenzivně zaměstnává glykosylovaný spike (S) protein, který se váže na ACE2 receptor, což mu umožňuje vstup do hostitelských buněk.^[3] Špičkový protein je a trimerický struktura, s každým podjednotka obsahující 22 N-glykosylačních míst, což z něj činí atraktivní cíl vakcína Vyhledávání.^[3][4]

Glycany, obecný název pro monosacharidy a oligosacharidy, představují jeden z hlavních posttranslační modifikace z bílkoviny přispívá k obrovské biologické složitosti života. Ve skutečnosti tři různé hexózy mohl teoreticky vyrobit od 1056 do 27 648 jedinečných trisacharidů, na rozdíl od pouhých 6 peptidy nebo oligonukleotidy vytvořeno od 3 aminokyseliny nebo 3 nukleotidy resp.^[2] Na rozdíl od na základě šablony biosyntéza bílkovin „jazyk“ glykosylace je stále neznámý glykobiologie aktuální téma současného výzkumu vzhledem k jejich prevalenci v živých organismech.^[2]

Studium interakcí glykan-protein poskytuje vhled do mechanismů buněčné signalizace a umožňuje vytvořit lepší diagnostické nástroje pro mnoho nemocí, včetně rakovina. Ve skutečnosti neexistují žádné známé typy rakoviny, které by nezahrnovaly nepravidelné vzorce bílkovin glykosylace.^[5]

Termodynamika vazby

Vazbu proteinů vázajících glykan (GBP) na glykany lze modelovat jednoduše rovnováha. Označujeme glykany jako ${ displaystyle G}$ a proteiny jako ${ displaystyle P}$:

${ displaystyle Protein (P) + Glycan (G) rightleftharpoons PG}$

S přidruženým rovnovážná konstanta z

${ displaystyle K_ {a} = { frac {[PG]} {[P] [G]}}}$

Který je přeskupen, aby dal disociační konstanta ${ displaystyle K_ {d}}$ následující biochemické konvence:

${ displaystyle K_ {d} = { frac {[P] [G]} {[PG]}}}$

Vzhledem k tomu, že mnoho GBP vykazuje vícemocnost, lze tento model rozšířit tak, aby zohledňoval více rovnováh:

${ displaystyle P + G rightleftharpoons PG}$

${ displaystyle PG + G rightleftharpoons PG_ {2}}$

${ displaystyle tečky}$

${ displaystyle PG_ {n-1} + G rightleftharpoons PG_ {n}}$

Označujeme kumulativní rovnováhu vazby s ${ displaystyle i}$ ligandy jako

${ displaystyle P + iG rightleftharpoons PG_ {i}}$

S odpovídající rovnovážnou konstantou:

${ displaystyle beta _ {i} = { frac {[PG_ {i}]} {[P] [G] ^ {i}}}}$

A psaní materiálová bilance na bílkoviny (${ displaystyle c_ {P}}$ označuje součet koncentrace bílkovin):

${ displaystyle c_ {P} = [P] + [PG] + tečky + [PG_ {n}]}$

Vyjádřením podmínek prostřednictvím rovnovážné konstanty je nalezen konečný výsledek:

${ displaystyle c_ {P} = [P] (1+ beta _ {1} [G] + tečky + beta _ {n} [G] ^ {n}}$

Koncentrace volného proteinu je tedy:

${ displaystyle [P] = { frac {c_ {P}} {1+ sum _ {i = 1} ^ {n} { beta _ {i} [G] ^ {i}}}}}$

Li ${ displaystyle n = 1}$, tj. existuje pouze jedna doména sacharidového receptoru, rovnice se redukuje na

${ displaystyle [P] = { frac {c_ {P}} {1+ beta _ {1} [G]}}}$

S přibývajícím ${ displaystyle i}$ koncentrace volného proteinu klesá; tedy zjevné ${ displaystyle K_ {D}}$ klesá také.

Vazba s aromatickými kruhy

Obrázek 1. Schematické znázornění ${ displaystyle CH- pi}$ interakce

Chemická intuice naznačuje, že mohou být obohacena místa vázající glykan polární aminokyselinové zbytky ta forma nekovalentní interakce, jako Vodíkové vazby, s polární sacharidy. Statistická analýza kapes vázajících sacharidy to skutečně ukazuje kyselina asparagová a asparagin zbytky jsou přítomny dvakrát častěji, než by se dalo náhodně předpovědět.^[6] Překvapivě existuje ještě silnější preference pro aromatické aminokyseliny: tryptofan má 9násobné zvýšení prevalence, tyrosin trojnásobný a histidin dvojnásobné zvýšení. Ukázalo se, že základní silou je ${ displaystyle CH- pi}$ interakce mezi aromatickými ${ displaystyle pi}$ systém a ${ displaystyle C-H}$ v uhlohydrátu, jak je uvedeno v Obrázek 1. The ${ displaystyle CH- pi}$ interakce je identifikována, pokud ${ displaystyle theta leqslant 40}$°, ${ displaystyle CH- pi}$ vzdálenost (vzdálenost od ${ displaystyle C}$ na ${ displaystyle X}$) je menší než 4,5 Á.^[6]

Účinky stereochemie

Definice alfa a beta ploch pro glukózu a galaktózu. Stereochemický rozdíl pro dvě hexózy je zvýrazněn červeně.

Tento ${ displaystyle CH- pi}$ interakce silně závisí na stereochemie z uhlohydrát molekula. Zvažte například vrchol (${ displaystyle beta}$) a dole (${ displaystyle alpha}$) tváře ${ displaystyle beta}$-D-glukóza a ${ displaystyle beta}$-D-galaktóza. Ukázalo se, že jediná změna ve stereochemii na uhlíku C4 posune preferenci aromatických zbytků z ${ displaystyle beta}$ straně (2,7násobná preference pro glukózu) k ${ displaystyle alpha}$ straně (14násobná preference pro galaktózu).^[6]

Účinky elektroniky

Porovnání elektrostatického povrchu potenciály (ESP) z aromatický zazvoní tryptofan, tyrosin, fenylalanin, a histidin naznačuje, že elektronické efekty také hrají roli ve vazbě na glykany (viz Obrázek 2). Po normalizaci hustoty elektronů pro povrchovou plochu zůstává tryptofan stále nejvíce elektronově bohatým akceptorem ${ displaystyle CH- pi}$ interakce, což naznačuje možný důvod jeho 9násobné prevalence v kapsách vázajících sacharidy.^[6] Mapy elektrostatického potenciálu celkově sledují trend prevalence ${ displaystyle { ce {Trp >> Tyr> (Phe)> Jeho}}}$.

Obrázek 2. Elektrostatické povrchové potenciály (ESP) aromatických aminokyselin. Oblasti bohaté na elektrony jsou zobrazeny červenou barvou, zatímco oblasti chudé na elektrony jsou zobrazeny modře.

Sacharidové vazební partneři

Existuje mnoho proteinů schopných vázat se na glykany, včetně lektiny, protilátky mikrobiální adhesiny virové aglutininy, atd.

Lektiny

Lektiny jsou obecný název pro proteiny s doménami rozpoznávajícími sacharidy (CRD). Ačkoli se stalo téměř synonymem proteinů vázajících glykan, nezahrnuje to protilátky které také patří do třídy.

Lektiny nalezené v rostliny a houby buňky byly ve výzkumu rozsáhle používány jako nástroj k detekci, čištění a analýze glykanů. Užitečné lektiny však obvykle mají neoptimální úroveň specifičnosti. Například, Ulex europaeus aglutinin-1 (UEA-1), rostlinně extrahovaný lektin schopný vázat se na člověka krevní skupina O antigen se mohou také vázat na nesouvisející glykany, jako je 2'-fukosyllaktóza, GalNAcα1-4 (Fucα1-2) Galp1-4GlcNAc a Lewis-Y antigen.^[7]

Protilátky

Ačkoli protilátky vykazují nanomolární afinity vůči proteinovým antigenům, specificita vůči glykanům je velmi omezená.^[8] Ve skutečnosti se dostupné protilátky mohou vázat pouze na <4% ze 7 000 savčích glykanových antigenů; navíc většina z těchto protilátek má nízkou afinitu a vykazuje zkříženou reaktivitu.^[9][7]

Lambodies

V kontrastu s čelist obratlovců jehož imunita je založen na variabilních, různorodých a spojujících genových segmentech (VDJ) z imunoglobuliny, bez čelistí bezobratlých, jako mihule a hagfish, vytvořit somatickou diverzitu receptoru DNA přeskupení leucin -bohaté opakované (LRR) moduly, které jsou začleněny do * vlr * geny (variabilní receptory leukocytů).^[10] Tyto LRR tvoří 3D struktury připomínající zakřivené solenoidy které selektivně váží specifické glykany.^[11]

Studie z University of Maryland ukázala, že se na měchýřové protilátky (lambodies) mohou selektivně vázat nádor - asociované sacharidové antigeny (jako jsou Tn a TF${ displaystyle alpha}$) při nanomolárních afinitách.^[9] Antigen T-nouvelle (Tn) a TF${ displaystyle alpha}$ jsou přítomny v bílkovinách až v 90% různých rakovina buňky po posttranslační modifikace zatímco ve zdravých buňkách jsou tyto antigeny mnohem složitější. Výběr lambody, na které by se mohly vázat aGPA, člověk červená krvinka membrána glykoprotein která je pokryta 16 TF${ displaystyle alpha}$ skupiny, skrz magneticky aktivované třídění buněk (MACS) a třídění buněk aktivované fluorescencí (FACS) přineslo lambody bohaté na leucin VLRB.aGPA.23. Toto lambody selektivně obarvilo (přes zdravé vzorky) buňky ze 14 různých typů adenokarcinomy: měchýř, jícen, vaječník, jazyk, tvář, čípek, játra nos nosohltanu, větší omentum, dvojtečka, prsa, hrtan, a plíce.^[9] Navíc pacienti, jejichž tkáně se obarvily pozitivně VLRB.aGPA.23 měl výrazně nižší míru přežití.^[9]

Bližší pohled na krystalovou strukturu VLRB.aGPA.23 odhaluje tryptofanový zbytek na pozici 187 přímo nad kapsou vázající sacharidy.^[12]

Krystalová struktura VLRB.aGPA.23 vytvořená z položky PDB 4K79^[12]

Multivalence ve struktuře

Kreslené zobrazení běžných oligomerních struktur lektinů

Mnoho proteinů vázajících glykan (GBP) je oligomerní a obvykle obsahují více stránky pro vazbu glykanu (také nazývané domény rozpoznávající sacharidy). Schopnost tvořit multivalentní proteinligand interakce významně zvyšuje pevnost vazby: zatímco ${ displaystyle K_ {D}}$ hodnoty pro jednotlivé interakce CRD-glykan mohou být v rozmezí mM, celková afinita GBP k glykanům může dosáhnout nanomolární nebo dokonce pikomolární rozsahy. Celková síla interakcí je popsána jako avidita ${ displaystyle K_ {D}}$ (na rozdíl od afinita ${ displaystyle K_ {D}}$ který popisuje jednoduchou rovnováhu). Někdy avidita se také nazývá zdánlivý ${ displaystyle K_ {D}}$ zdůraznit nerovnovážnou povahu interakce.^[13]

Společné oligomerizační struktury lektiny jsou zobrazeny níže. Například, galektiny jsou obvykle pozorovány jako dimery, zatímco intelektiny tvarovací ořezávače a pentraxiny shromáždit do pentamerů. Větší struktury, jako hexamerické Reg proteiny, se mohou shromažďovat do pórů pronikajících membránou. Collectins mohou tvořit ještě bizarnější komplexy: kytice zastřihovačů nebo dokonce struktury podobné křížům (např SP-D ).^[14]

Aktuální výzkum

Vzhledem k důležitosti interakcí glykan-protein existuje probíhající výzkum zaměřený na a) vytváření nových nástrojů pro detekci interakcí glykan-protein a b) používání těchto nástrojů k dešifrování takzvaného cukerného kódu.

Glycan Arrays

Jedním z nejpoužívanějších nástrojů pro zkoumání interakcí glykan-protein je glykanová pole. Glykanové pole je obvykle NHS- nebo epoxid -aktivované skleněné diapozitivy, na nichž různé glykany byly vytištěny pomocí robotického tisku.^[15][16] Tato komerčně dostupná pole mohou obsahovat až 600 různých glykanů, jejichž specificita byla rozsáhle studována.^[17]

Interakce glykan-protein mohou být detekovány testováním požadovaných proteinů (nebo knihovny z toho) toho medvěda fluorescenční značky. Strukturu proteinu vázajícího glykan lze dešifrovat několika analytickými metodami založenými na hmotnostní spektrometrie, počítaje v to MALDI-MS, LC-MS, tandem MS-MS a / nebo 2D NMR.^[18]

Výzkum zaměřený na bioinformatiku

Byly použity výpočetní metody k hledání parametrů (např. Sklon k reziduím, hydrofobnost, rovinnost), které by mohly odlišit proteiny vázající glykan od jiných povrchových náplastí. Například model trénovaný na 19 nehomologních strukturách vázajících sacharidy byl schopen předpovědět domény vázající sacharidy (CRD) s přesností 65% pro neenzymatické struktury a 87% pro enzymatické.^[19] Další studie využily výpočty Van der Waalsovy energie interakcí protein-sonda a sklonu aminokyselin k identifikaci CRD s 98% specifičnost na 73% citlivost.^[20] Novější metody mohou předpovědět CRD dokonce i od proteinové sekvence, porovnáním sekvence s těmi, pro které jsou struktury již známé.^[21]

Cukrový kód

Na rozdíl od proteinových studií, kde a primární proteinová struktura je jednoznačně definována posloupností nukleotidy (dále jen genetický kód ), glykobiologie stále nedokáže vysvětlit, jak je určitá „zpráva“ kódována pomocí sacharidů nebo jak je „přečtena“ a „přeložena“ jinými biologickými entitami.

Interdisciplinární úsilí, kombinující chemii, biologii a biochemii, studuje interakce glykan-protein, aby zjistilo, jak různé sekvence sacharidů iniciují různé buněčné reakce.^[22]

Viz také

• Interakce protein-protein
• Glykobiologie

Reference