Science：结构上揭真核生物蛋白N-糖基化机制 糖助蛋正叠他

顾汉现

Science：从结构上揭示真核生物蛋白N-糖基化机制

糖链助蛋白正确折叠他特定任务 糖助蛋正叠他

2018-02-10 13:48

2018年2月10日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员成功地确定了一种将糖链连接到蛋白上的酶的三维结构。这一突破性成果发表在2018年2月2日的Science期刊上，论文标题为“Structure of the yeast oligosaccharyltransferase complex gives insight into eukaryotic N-glycosylation”。

图片来自Julia Kowal/ETH Zurich。

每当细胞接收信号、与其他细胞相互作用或者识别病毒和细菌时，这不仅涉及蛋白，而且还涉及附着到它们的表面上的糖链。到目前为止，人们对这个话题的关注度相对较低，而且这些糖链的结构在组成和分支上差别很大，并且似乎有助于确保蛋白正确折叠并能够执行它们的特定任务。

几项观察结果证实了连接到蛋白上的糖链的重要性：具有不同糖链的相同蛋白具有不同的功能，患病的和健康的细胞在其表面上具有不同的糖分子组成，并且被糖链结合的药物明显具有更好的耐受性。

糖链如何接触蛋白？

这些被称为聚糖（glycan）的糖链物质目前是一个得到深入研究的主题。在基因组学和蛋白质组学之后，如今也出现了糖组学（glycomics）。新兴的糖生物学研究领域涉及糖链的生物合成、结构和不同的功能。一个关键的问题是一组不同的糖分子如何首先到达蛋白上。

在ETH分子生物学与生物物理学研究所的Kaspar Locher和ETH微生物学研究所的Markus Aebi的领导下，ETH研究人员在这方面取得了一项决定性的进展：他们确定了酵母寡糖转移酶（oligosaccharyltransferase, OST）的三维结构。论文共同第一作者Rebekka Wild解释道，“这是一种将蛋白与糖链连接在一起的酶。”

确定OST的结构并不容易：作为第一步，论文共同第一作者Jilliane Eyring对酵母细胞进行基因修饰，从而使得能够纯化这种酶。Wild首先必须从大量的酵母细胞中提取出这种嵌入到细胞膜中的酶，然后利用一种费时费力的方法将它纯化。她说：“9升酵母产生了大约0.2毫克的这种酶。”这些研究人员将纯化的OST分子放置到一个小的网格中，作为单个独立的颗粒进行闪冻，并且利用高分辨率低温电镜进行成像。

这就产生了成千上万张图片，这些图片从每个可能的视角展现这种酶复合物。论文共同第一作者Julia Kowal利用这些图像中获得了OST的三维结构。为此，在计算机集群（computer cluster）上进行了6个星期的计算。计算结果就是将这种酶显示为“电子云（electron cloud）”的电子密度图。

Wild解释道，“我们抓住了一个幸运的时刻。”他们能够从当前的低温电镜发生的“分辨率革命”中受益，并采用了一台具有原子分辨率的先进设备。

为了解释这些低温电镜数据，Wild必须将OST的氨基酸序列“手动”地拟合到这些三维图的电子云中。因此，这些研究人员能够详细地描述OST的三维结构。

OST是由八个亚基组成的膜蛋白复合物，这些亚基识别糖分子或蛋白底物，或者让这种酶的催化单位保持稳定。催化单位是这种酶中含有活性中心的亚基，在催化单位中，蛋白和糖分子被放置在一起并连接在一起。Wild解释道，“我们曾期待催化单位存在于这种酶的中间位置。然而，令人吃惊的是，它存在于这种酶的外面，而且它的形状让人联想到张大的嘴巴。”

当这些研究人员将这种结构放入OST实际发挥作用的位置时，具体来说，在体内，这种酶被嵌入到内质网（ER）膜中，最初令他们感到困惑的地方突然豁然开朗了。这是细胞中蛋白产生、折叠、监测和修饰的部分。在那里，OST的直接邻居是一个通道蛋白（tunnel protein） ---这已经是众所周知的了。这让新生的蛋白进入内质网的内部，然后直接进入OST的开口处，在那里它们接受糖链修饰。

Wild解释道，“酵母OST是人体中发生的这些糖链修饰过程的良好模型。”这些研究人员从酵母OST的活性中心与细菌中的相应区域非常相似的事实中得出这个结论。他们解释道，“这意味着这种活性中心在进化过程中几乎没有发生变化。这表明它很有可能在哺乳动物和人类中以非常相似的方式起作用。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Rebekka Wild, Julia Kowal, Jillianne Eyring et al. Structure of the yeast oligosaccharyltransferase complex gives insight into eukaryotic N-glycosylation. Science, 02 Feb 2018, 359(6375): 545-550, doi:10.1126/science.aar5140

http://science.sciencemag.org/content/359/6375/545

http://news.bioon.com/article/6717497.html



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