La glicosilación ligada a N , es la unión de un oligosacárido , un carbohidrato que consta de varias moléculas de azúcar, a veces también denominadas glicanos , a un átomo de nitrógeno (elnitrógeno amida de unresiduo de asparagina (Asn) de una proteína ), en un proceso llamada N -glicosilación , estudiada en bioquímica . [1] Este tipo de enlace es importante tanto para la estructura [2] como para la función [3] de muchas proteínas eucariotas. Elproceso de glicosilación ligada a N ocurre en eucariotas.y ampliamente en arqueas , pero muy raramente en bacterias . La naturaleza de los glicanos unidos a N unidos a una glicoproteína está determinada por la proteína y la célula en la que se expresa. [4] También varía entre especies . Las diferentes especies sintetizan diferentes tipos de N -ligada glicano.
Energética de la formación de enlaces
Hay dos tipos de enlaces implicados en una glucoproteína: enlaces entre los residuos de sacáridos en el glucano y el enlace entre la cadena de glucano y la molécula de proteína.
Los restos de azúcar están unidos entre sí en la cadena de glucano mediante enlaces glucosídicos . Estos enlaces se forman típicamente entre los carbonos 1 y 4 de las moléculas de azúcar. La formación del enlace glicosídico es energéticamente desfavorable, por lo que la reacción se acopla a la hidrólisis de dos moléculas de ATP . [4]
Por otro lado, la unión de un residuo de glicano a una proteína requiere el reconocimiento de una secuencia consenso . Los glicanos ligados a N casi siempre están unidos al átomo de nitrógeno de una cadena lateral de asparagina (Asn) que está presente como parte de la secuencia consenso Asn – X– Ser / Thr , donde X es cualquier aminoácido excepto prolina (Pro). [4]
En las células animales, el glucano unido a la asparagina es casi inevitablemente N- acetilglucosamina (GlcNAc) en la configuración β. [4] Este enlace β es similar al enlace glicosídico entre los restos de azúcar en la estructura del glucano como se describe anteriormente. En lugar de estar unido a un grupo hidroxilo de azúcar , el átomo de carbono anomérico está unido a un nitrógeno amídico. La energía requerida para este enlace proviene de la hidrólisis de una molécula de pirofosfato . [4]
Biosíntesis
La biosíntesis de glicanos ligados a N se produce mediante 3 pasos principales: [4]
- Síntesis de oligosacárido precursor ligado a dolicol
- Transferencia en bloque de oligosacárido precursor a proteína
- Procesamiento del oligosacárido
La síntesis, la transferencia en bloque y el recorte inicial del oligosacárido precursor se produce en el retículo endoplásmico (RE). El posterior procesamiento y modificación de la cadena de oligosacáridos se lleva a cabo en el aparato de Golgi .
Por tanto, la síntesis de glicoproteínas se separa espacialmente en diferentes compartimentos celulares. Por tanto, el tipo de N -glicano sintetizado depende de su accesibilidad a las diferentes enzimas presentes dentro de estos compartimentos celulares.
Sin embargo, a pesar de la diversidad, todos los N -glicanos se sintetizan a través de una vía común con una estructura de glucano de núcleo común. [4] La estructura del núcleo del glucano está compuesta esencialmente por dos residuos de N -acetilglucosamina y tres de manosa . Este glucano central se elabora y modifica posteriormente, lo que da como resultado una amplia gama de estructuras de N -glicano. [4]
Síntesis de oligosacárido precursor
El proceso de glicosilación ligada a N comienza con la formación de azúcar GlcNAc ligada a dolicol . El dolichol es una molécula lipídica compuesta por unidades de isopreno repetidas . Esta molécula se encuentra adherida a la membrana del RE. Las moléculas de azúcar están unidas al dolicol a través de un enlace pirofosfato [4] (un fosfato estaba originalmente ligado al dolicol y el segundo fosfato provenía del azúcar nucleótido ). La cadena de oligosacáridos se extiende luego mediante la adición de varias moléculas de azúcar de manera escalonada para formar un oligosacárido precursor.
El ensamblaje de este oligosacárido precursor se produce en dos fases: Fase I y II. [4] La Fase I tiene lugar en el lado citoplásmico del ER y la Fase II tiene lugar en el lado luminal del ER.
La molécula precursora, lista para ser transferida a una proteína, consta de 2 moléculas de GlcNAc, 9 de manosa y 3 de glucosa .
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Fase II | |
es el donante de residuos de manosa (formación: Dol-P + GDP-Man → Dol-P-Man + GDP) y Dol-P-Gluc es el donante de residuos de glucosa (formación: Dol-P + UDP-Glc → Dol-P- Glc + UDP).
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Transferencia de glicanos a proteínas
Una vez que se forma el oligosacárido precursor, el glicano completo se transfiere al polipéptido naciente en el lumen de la membrana del RE. Esta reacción es impulsada por la energía liberada por la ruptura del enlace pirofosfato entre la molécula de dolicol-glicano. Hay tres condiciones que cumplir antes de que un glucano se transfiera a un polipéptido naciente: [4]
- La asparagina debe estar ubicada en una secuencia de consenso específica en la estructura primaria (Asn-X-Ser o Asn-X-Thr o, en raras ocasiones, Asn-X-Cys). [5]
- La asparagina debe ubicarse adecuadamente en la estructura tridimensional de la proteína (los azúcares son moléculas polares y, por lo tanto, deben unirse a la asparagina ubicada en la superficie de la proteína y no enterrarse dentro de la proteína)
- La asparagina debe encontrarse en el lado luminal del retículo endoplásmico para que se inicie la glicosilación ligada a N. Los residuos diana se encuentran en las proteínas secretoras o en las regiones de la proteína transmembrana que se enfrenta a la luz.
La oligosacariltransferasa es la enzima responsable del reconocimiento de la secuencia consenso y la transferencia del precursor glicano a un polipéptido aceptor que se traduce en la luz del retículo endoplásmico. La glicosilación ligada a N es, por lo tanto, un evento co-traduccional
Procesamiento de glicanos
El procesamiento de N -glicanos se lleva a cabo en el retículo endoplásmico y el cuerpo de Golgi. El recorte inicial de la molécula precursora ocurre en el RE y el procesamiento posterior ocurre en el Golgi.
Tras transferir el glicano completo al polipéptido naciente, se eliminan de la estructura dos residuos de glucosa. Las enzimas conocidas como glicosidasas eliminan algunos residuos de azúcar. Estas enzimas pueden romper los enlaces glicosídicos mediante el uso de una molécula de agua. Estas enzimas son exoglucosidasas ya que solo actúan sobre residuos de monosacáridos ubicados en el extremo no reductor del glucano. [4] Se cree que este paso de recorte inicial actúa como un paso de control de calidad en el RE para monitorear el plegamiento de proteínas .
Una vez que la proteína se pliega correctamente, la glucosidasa I y II eliminan dos residuos de glucosa . La eliminación del tercer residuo de glucosa final indica que la glicoproteína está lista para el tránsito desde el RE al cis -Golgi. [4] ER manosidasa cataliza la eliminación de esta glucosa final. Sin embargo, si la proteína no se pliega correctamente, los residuos de glucosa no se eliminan y, por lo tanto, la glicoproteína no puede salir del retículo endoplásmico. Una proteína acompañante ( calnexina / calreticulina ) se une a la proteína desplegada o parcialmente plegada para ayudar al plegamiento de la proteína.
El siguiente paso implica una mayor adición y eliminación de residuos de azúcar en el cis-Golgi. Estas modificaciones son catalizadas por glicosiltransferasas y glicosidasas, respectivamente. En cis -Golgi, una serie de manosidasas elimina algunos o todos los cuatro residuos de manosa en los enlaces α-1,2. [4] Mientras que en la porción medial del Golgi, las glicosiltransferasas agregan residuos de azúcar a la estructura central de los glicanos, dando lugar a los tres tipos principales de glicanos: altos en manosa, glicanos híbridos y complejos.
- El alto contenido de manosa es, en esencia, solo dos N- acetilglucosaminas con muchos residuos de manosa, a menudo casi tantos como se ven en los oligosacáridos precursores antes de que se unan a la proteína.
- Los oligosacáridos complejos se denominan así porque pueden contener casi cualquier número de los otros tipos de sacáridos, incluidas más de las dos N- acetilglucosaminas originales .
- Los oligosacáridos híbridos contienen residuos de manosa en un lado de la rama, mientras que en el otro lado una N- acetilglucosamina inicia una rama compleja.
El orden de adición de azúcares a las cadenas de glicanos en crecimiento está determinado por las especificidades de sustrato de las enzimas y su acceso al sustrato a medida que avanzan a través de la vía secretora . Por lo tanto, la organización de esta maquinaria dentro de una célula juega un papel importante en la determinación de qué glucanos se producen.
Enzimas en el Golgi
Las enzimas de Golgi juegan un papel clave en la determinación de la síntesis de los diversos tipos de glucanos. El orden de acción de las enzimas se refleja en su posición en la pila de Golgi:
Enzimas | Ubicación dentro de Golgi |
---|---|
Manosidasa I | cis -Golgi |
Transferasas GlcNAc | Golgi medial |
Galactosiltransferasa y Sialiltransferasa | trans -Golgi |
En arqueas y procariotas
Se han encontrado vías de biosíntesis de N -glicanos similares en procariotas y arqueas. [6] Sin embargo, en comparación con los eucariotas, la estructura final del glucano en las eubacterias y arqueas no parece diferir mucho del precursor inicial elaborado en el retículo endoplásmico. En eucariotas, el oligosacárido precursor original se modifica ampliamente en su ruta hacia la superficie celular. [4]
Función
Los glicanos ligados a N tienen funciones intrínsecas y extrínsecas. [4] [7]
Dentro del sistema inmune, los glicanos ligados a N en la superficie de una célula inmune ayudarán a dictar ese patrón de migración de la célula, por ejemplo, las células inmunes que migran a la piel tienen glicosilaciones específicas que favorecen la localización en ese sitio. [8] Los patrones de glicosilación de las diversas inmunoglobulinas, incluidas IgE, IgM, IgD, IgA e IgG, les otorgan funciones efectoras únicas al alterar sus afinidades por Fc y otros receptores inmunes. [8] Los glicanos también pueden participar en la discriminación "propia" y "no propia", lo que puede ser relevante para la fisiopatología de diversas enfermedades autoinmunes. [8]
Intrínseco |
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Extrínseco |
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En algunos casos, la interacción entre el N-glicano y la proteína estabiliza la proteína a través de complejos efectos electrónicos. [10]
Significación clínica
Los cambios en la glicosilación ligada a N se han asociado con diferentes enfermedades que incluyen artritis reumatoide , [11] diabetes tipo 1 , [12] enfermedad de Crohn , [13] y cánceres. [14] [15]
Las mutaciones en dieciocho genes involucrados en la glicosilación ligada a N dan como resultado una variedad de enfermedades, la mayoría de las cuales involucran al sistema nervioso . [3] [15]
Importancia en proteínas terapéuticas
Muchas proteínas terapéuticas en el mercado son anticuerpos , que son glicoproteínas ligadas a N. Por ejemplo, etanercept , infliximab y rituximab son proteínas terapéuticas N -glicosiladas.
La importancia de la glicosilación ligada a N es cada vez más evidente en el campo de los productos farmacéuticos . [16] Aunque los sistemas de producción de proteínas bacterianas o de levadura tienen ventajas potenciales significativas, como alto rendimiento y bajo costo, surgen problemas cuando la proteína de interés es una glicoproteína. La mayoría de los sistemas de expresión procarióticos, como E. coli , no pueden realizar modificaciones postraduccionales . Por otro lado, los hospedadores de expresión eucariotas, como las células de levadura y animales, tienen diferentes patrones de glicosilación. Las proteínas producidas en estos huéspedes de expresión a menudo no son idénticas a las proteínas humanas y, por tanto, provocan reacciones inmunogénicas en los pacientes. Por ejemplo, S. cerevisiae (levadura) a menudo produce glucanos con alto contenido de manosa que son inmunogénicos.
Los sistemas de expresión de mamíferos no humanos, como las células CHO o NS0, tienen la maquinaria necesaria para añadir glucanos complejos de tipo humano. Sin embargo, los glicanos producidos en estos sistemas pueden diferir de los glicanos producidos en humanos, ya que pueden estar cubiertos con ácido N -glicolilneuramínico (Neu5Gc) y ácido N -acetilneuramínico (Neu5Ac), mientras que las células humanas solo producen glicoproteínas que contienen ácido N- acetilneuramínico. Además, las células animales también pueden producir glicoproteínas que contienen el epítopo de galactosa-alfa-1,3-galactosa , que puede inducir reacciones alérgicas graves, incluido el shock anafiláctico , en personas que tienen alergia a alfa-gal .
Estos inconvenientes se han abordado mediante varios enfoques, como la eliminación de las vías que producen estas estructuras de glucanos a través de knockouts genéticos. Además, otros sistemas de expresión se han diseñado genéticamente para producir glicoproteínas terapéuticas con glicanos ligados a N de tipo humano . Estos incluyen levaduras como Pichia pastoris , [17] líneas celulares de insectos, plantas verdes [18] e incluso bacterias.
Ver también
- Glicosilación
- Glicosilación O- unida
- La expresion genica
- N- glicosiltransferasa
Referencias
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enlaces externos
- GlycoEP : plataforma in silico para la predicción de glucositos N , O y C en secuencias de proteínas eucariotas
- Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (febrero de 2015). "Glicanos en el sistema inmunológico y la teoría de la autoinmunidad de los glicanos alterados: una revisión crítica" . Revista de autoinmunidad . 57 : 1-13. doi : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .