理解多细胞生物糖生物学的突破

在多细胞生物中，存在三种类型的蛋白质糖基化。N-糖基化、O-甘露糖基化和C-甘露糖基化。所有这些过程都发生在内质网中，并且在所有这些过程中，酶都会将糖残基连接到新形成的蛋白质的特定位点。

虽然N-和O-糖基化得到了很好的研究，但第三种形式，色氨酸侧链的C-甘露糖基化，长期以来一直是研究人员的谜。尽管20%的分泌蛋白以及膜蛋白都受到它的影响，但直到最近还不清楚这种变化的原因、特定蛋白质序列是如何被识别的，以及相关的酶反应在化学上是如何可能的。

在一项国际合作中，来自苏黎世联邦理工学院、澳大利亚沃尔特和伊丽莎霍尔医学研究所(WEHI)、芝加哥大学和伯尔尼大学的研究人员现在已经阐明了负责酶“色氨酸C-甘露糖基转移酶(CMT)。相应的研究发表在最新一期的《自然化学生物学》杂志上。

CMT是C类(GT-C)糖基转移酶的成员，是三个糖基转移酶超家族之一。最突出的成员是寡糖基转移酶(OST)，它负责N-糖基化。

与OST类似，CMT也能识别蛋白质中的高度特异性序列，但不同之处在于，在哺乳动物中同时出现四种不同的CMT，它们也能识别不同的蛋白质序列。

糖有助于免疫受体到达细胞表面

仅在最近几年，才开发了必要的工具，例如特殊抗体和质谱测试方法，以便能够研究C-甘露糖基化的程度。结果表明，这一过程几乎只发生在细胞间通讯必不可少的地方，尤其是在免疫系统的细胞因子受体和粘附GPCR中。后者充当生长神经元的“感觉触角”，这些神经元穿过大脑。

苏黎世联邦理工学院结构生物学教授KasparLocher解释说：“这个话题非常热门，特别是对于我们了解免疫系统的细胞间通讯而言：细胞因子等信号分子在感染期间指导免疫反应。虽然这些及其相关受体已被深入研究了几十年，但长期以来一直忽视了C-甘露糖基化决定细胞因子受体是否到达细胞表面以发挥其功能。”

“通过深入了解所涉及的酶的结构，我们现在对C-甘露糖基化如何进入这些受体有了近乎完整的了解，”该研究的第一作者、Locher小组的前资深科学家JoëlBloch补充道。

量身定制的分子构建套件

ETH研究人员成功地生产出纯净形式的CMT酶。在WEHI(澳大利亚)和伯尔尼大学的化学家的帮助下，他们构建了模拟CMT特异性蛋白质序列和糖底物的定制分子。这使他们能够首次在试管中测试酶的特定特性。

研究人员很快意识到CMT的酶化学必须是新颖的并且与OST完全不同。“在这种情况下，我们只能使用高分辨率结构解析来找出酶的机制。然而，问题是CMT直到现在都无法结晶，并且对于低温EM来说质量太小，因为这种技术特别难以应用于100kDa以下的蛋白质，”Locher解释道。

抗体使高分辨率电子显微镜成为可能

一个技巧终于带来了突破：与芝加哥大学的研究人员合作，ETH的科学家们生产了一种合成抗体，可以特异性结合CMT。这种抗体大大增加了酶的质量，以至于可以借助冷冻电镜阐明其结构。在冷冻电镜结构的帮助下，由KasparLocher领导的小组终于能够破译不同的CMT变体如何识别不同的蛋白质序列。

基于这些见解，研究人员现在可以更准确地预测人体中哪些蛋白质携带这种修饰。由此，他们希望能够在不久的将来捕获“C-甘露糖蛋白质组”。

通过破译CMT的肽结合机制，研究人员也希望在CMT特异性抑制剂的生产上取得进展。这些分子可能有助于药物生产的进步，例如那些对抗疟疾病原体恶性疟原虫的药物，它有自己的CMT并需要它附着在宿主身上。

也可以使用人类CMT变体CMT2的序列和器官特异性，因为它在精子发育中起着关键作用。因此，新发现可用于开发CMT2抑制剂作为男性避孕药。

一种新的酶机制

科学家们的另一个谜团是CMT的酶促机制。这在蛋白质和糖之间形成了独特的碳碳键。使用定制的CMT抑制剂分子，科学家们能够在糖基转移反应的中间“捕获”CMT，并阐明其低温EM结构。

这使他们能够可视化CMT反应机制：一种以前未知的亲电子芳族取代形式，由精确排列的侧链实现。这些见解可能有助于开发催化碳原子之间键合的设计酶。

糖基转移酶的进化保守保护机制

通过共有四种不同的CMT结构，科学家们首次成功地可视化了GT-C超家族酶的几乎完整的催化循环。

在此过程中，他们发现了一个惊人的机制：CMT的糖底物由于其脂质结合而难以产生，因此特别有价值。事实证明，CMT最初将它们绑定在一个非反应性保护绑定口袋中。只有当要修饰的蛋白质或肽停靠在CMT上时，糖底物才会被肽传感器移动并进入高反应状态。

科学家们假设这种机制在GT-C酶中是进化保守的，可以防止有价值的底物分子过早消耗。“三年前发现了GT-C酶的一般结构，我们现在对它们的酶化学有了全面的了解。这是糖生物学的另一个里程碑，”Locher解释说。