WikiDer > Гликан-белковые взаимодействия - Википедия

Белок Spike (S), отвечающий за связывание с рецепторами ACE2 при COVID-19. Гликаны выделены синим цветом. Структура взята из записи PDB 6VXX^[1]

Гликан-белковые взаимодействия представляют собой класс биомолекулярных взаимодействий, которые происходят между свободными или связанными с белками гликаны и их родственные связывающие партнеры. Внутримолекулярные взаимодействия гликан-белок (белок-гликан) происходят между гликанами и белками, к которым они ковалентно присоединены. Вместе с белок-белковые взаимодействия, они составляют механистическую основу для многих важных клетка процессы, особенно для межклеточные взаимодействия и взаимодействия клетки-хозяина.^[2] Например, SARS-CoV-2, возбудитель COVID-19, широко использует гликозилированный белок спайк (S) для связывания с ACE2 рецептор, позволяющий ему проникать в клетки-хозяева.^[3] Белок-шип - это тример структура, с каждым подразделение содержащий 22 сайта N-гликозилирования, что делает его привлекательной мишенью для вакцина поиск.^[3][4]

Гликаны, общее название для моносахариды и олигосахариды, представляют собой один из основных посттрансляционная модификация из белки вносят свой вклад в огромную биологическую сложность жизни. Действительно, три разных гексозы теоретически может производить от 1056 до 27 648 уникальных трисахаридов, в отличие от всего 6 пептиды или же олигонуклеотиды сформирован из 3 аминокислоты или 3 нуклеотиды соответственно.^[2] В отличие от шаблонный биосинтез белка, «язык» гликозилирования до сих пор неизвестен, поэтому гликобиология горячая тема текущих исследований, учитывая их распространенность в живых организмах.^[2]

Изучение взаимодействий гликанов и белков дает представление о механизмах передачи сигналов в клетках и позволяет создавать более эффективные инструменты диагностики многих заболеваний, в том числе рак. Действительно, не существует известных типов рака, которые не связаны с беспорядочными белками. гликозилирование.^[5]

Термодинамика связывания

Связывание гликановых белков (GBP) с гликанами можно смоделировать с помощью простых равновесие. Обозначая гликаны как ${ displaystyle G}$ и белки как ${ displaystyle P}$:

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

С ассоциированным константа равновесия из

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

Которая переставлена, чтобы дать константа диссоциации ${ displaystyle K_ {d}}$ следующие биохимические условности:

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

Учитывая, что многие фунты стерлингов демонстрируют многовалентность, эту модель можно расширить для учета нескольких равновесий:

${ Displaystyle P + G rightleftharpoons PG}$

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

${ displaystyle dots}$

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

Обозначая кумулятивное равновесие связывания с ${ displaystyle i}$ лиганды как

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

С соответствующей константой равновесия:

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

И писать материальный баланс для белка (${ displaystyle c_ {P}}$ обозначает общую концентрация белка):

${ Displaystyle c_ {P} = [P] + [PG] + точки + [PG_ {n}]}$

Выражая условия через константу равновесия, находим окончательный результат:

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

Таким образом, концентрация свободного белка составляет:

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

Если ${ Displaystyle п = 1}$, т.е. существует только один домен углеводного рецептора, уравнение сводится к

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

С увеличением ${ displaystyle i}$ снижается концентрация свободного белка; следовательно, очевидное ${ displaystyle K_ {D}}$ тоже уменьшается.

Связывание ароматическими кольцами

Рисунок 1. Схематическое изображение ${ displaystyle CH- pi}$ взаимодействия

Химическая интуиция подсказывает, что сайты связывания гликанов могут быть обогащены полярные аминокислотные остатки эта форма нековалентные взаимодействия, Такие как водородные связи, с полярный углеводы. Действительно, статистический анализ карманов связывания углеводов показывает, что аспарагиновая кислота и аспарагин остатки присутствуют в два раза чаще, чем можно было бы спрогнозировать.^[6] Удивительно, но предпочтение отдается ароматические аминокислоты: триптофан имеет 9-кратное увеличение распространенности, тирозин 3-кратный, и гистидин увеличение в 2 раза. Было показано, что основная сила - это ${ displaystyle CH- pi}$ взаимодействие ароматических ${ displaystyle pi}$ система и ${ Displaystyle C-H}$ в углеводах, как показано на Рисунок 1. В ${ displaystyle CH- pi}$ взаимодействие определяется, если ${ displaystyle theta leqslant 40}$°, ${ displaystyle CH- pi}$ расстояние (расстояние от ${ displaystyle C}$ к ${ displaystyle X}$) меньше 4,5 Å.^[6]

Эффекты стереохимии

Определение альфа- и бета-граней для глюкозы и галактозы. Стереохимическое различие для двух гексоз выделено красным.

Этот ${ displaystyle CH- pi}$ взаимодействие сильно зависит от стереохимия из углевод молекула. Например, рассмотрим верхний (${ displaystyle beta}$) и дно (${ displaystyle alpha}$) лица ${ displaystyle beta}$-D-глюкоза и ${ displaystyle beta}$-D-галактоза. Было показано, что однократное изменение стереохимии у углерода С4 сдвигает предпочтение ароматических остатков от ${ displaystyle beta}$ стороне (2,7-кратное предпочтение глюкозы) в сторону ${ displaystyle alpha}$ сторона (14-кратное предпочтение галактозы).^[6]

Эффекты электроники

Сравнение электростатической поверхности потенциалы (ESP) из ароматный звенит в триптофан, тирозин, фенилаланин, и гистидин предполагает, что электронные эффекты также играют роль в связывании с гликанами (см. фигура 2). После нормализации электронной плотности на площадь поверхности триптофан по-прежнему остается наиболее богатым электронами акцептором ${ displaystyle CH- pi}$ взаимодействия, предполагая возможную причину его 9-кратного преобладания в карманах связывания углеводов.^[6] В целом, карты электростатического потенциала соответствуют тенденции преобладания ${ displaystyle { ce {Trp >> Tyr> (Phe)> His}}}$.

Фигура 2. Электростатические поверхностные потенциалы (ESP) ароматических аминокислот. Области, богатые электронами, показаны красным цветом, а области, бедные электронами, - синим.

Партнеры, связывающие углеводы

Есть много белков, способных связываться с гликанами, в том числе лектины, антитела, микробный адгезины, популярный агглютинины, так далее.

Лектины

Лектины - это общее название белков с углеводно-узнающими доменами (CRD). Хотя он стал почти синонимом гликановых белков, он не включает антитела которые также принадлежат к классу.

Лектины найдены в растения и грибы клетки широко использовались в исследованиях как инструмент для обнаружения, очистки и анализа гликанов. Однако полезные лектины обычно не оптимальны. особенности. Например, Ulex europaeus агглютинин-1 (UEA-1), лектин растительного происхождения, способный связываться с человеческим группа крови O антиген, может также связываться с неродственными гликанами, такими как 2'-фукозиллактоза, GalNAcα1-4 (Fucα1-2) Galβ1-4GlcNAc и Льюис-И антиген.^[7]

Антитела

Несмотря на то что антитела проявляют наномолярное сродство к белковым антигенам, специфичность против гликанов очень ограничена.^[8] Фактически, доступные антитела могут связывать только <4% из 7000 гликановых антигенов млекопитающих; более того, большинство этих антител имеют низкую аффинность и перекрестную реактивность.^[9][7]

Ламбоди

По сравнению с челюсть позвоночные чей иммунитет основан на вариабельных, разнообразных и соединяющихся генных сегментах (VDJ) иммуноглобулины, без челюсти беспозвоночные, Такие как минога и миксина, создать разнообразие рецепторов соматическими ДНК перестановка лейцинмодули -rich repeat (LRR), которые включены в * vlr * гены (вариабельные рецепторы лейкоцитов).^[10] Эти LRR образуют трехмерные структуры, напоминающие изогнутые соленоиды которые избирательно связывают определенные гликаны.^[11]

Исследование, проведенное в Университете Мэриленда, показало, что антитела миноги (лямбоди) могут избирательно связываться с опухоль-ассоциированные углеводные антигены (такие как Tn и TF${ displaystyle alpha}$) при наномолярном сродстве.^[9] Антиген T-nouvelle (Tn) и TF${ displaystyle alpha}$ присутствуют в белках в 90% различных рак клетки после посттрансляционная модификация, тогда как в здоровых клетках эти антигены намного сложнее. Подборка ламбоди, которые могут связываться с aGPA, человек эритроцит мембрана гликопротеин покрытый 16 TF${ displaystyle alpha}$ части, через магнитно-активированная сортировка клеток (MACS) и сортировка клеток с активацией флуоресценции (FACS) дал богатый лейцином ламбоди VLRB.aGPA.23. Этот лямбоди избирательно окрашивал (по сравнению со здоровыми образцами) клетки 14 различных типов аденокарциномы: мочевой пузырь, пищевод, яичник, язык, щека, шейка матки, печень, нос, носоглотка, большой сальник, двоеточие, грудь, гортань, и легкое.^[9] Кроме того, пациенты, чьи ткани были окрашены положительно VLRB.aGPA.23 имел значительно меньшую выживаемость.^[9]

Внимательный взгляд на кристаллическую структуру VLRB.aGPA.23 обнаруживает остаток триптофана в положении 187 прямо над карманом связывания углеводов.^[12]

Кристаллическая структура VLRB.aGPA.23, созданная из записи PDB 4K79^[12]

Многовалентность в структуре

Карикатурное изображение общих олигомерных структур лектинов

Многие гликановые связывающие белки (GBP) являются олигомерный и обычно содержат несколько места для связывания гликанов (также называемых доменами распознавания углеводов). Способность образовывать поливалентный белоклиганд взаимодействия значительно усиливают силу связывания: в то время как ${ displaystyle K_ {D}}$ значения для индивидуальных взаимодействий CRD-гликанов могут находиться в мМ диапазоне, общее сродство GBP к гликанам может достигать наномолярный или даже пикомолярный диапазоны. Общая сила взаимодействия описывается как жадность ${ displaystyle K_ {D}}$ (в отличие от близость ${ displaystyle K_ {D}}$ которое описывает одиночное равновесие). Иногда жадность также называется очевидный ${ displaystyle K_ {D}}$ чтобы подчеркнуть неравновесный характер взаимодействия.^[13]

Общие структуры олигомеризации лектины показаны ниже. Например, галектины обычно наблюдаются в виде димеров, а интелектины образуют тримеры и пентраксины собрать в пентамеры. Более крупные структуры, например гексамерные Рег белки, может собираться в поры, пронизывающие мембрану. Коллектины могут образовывать еще более причудливые комплексы: букеты тримеров или даже крестообразные структуры (например, в СП-Д).^[14]

Текущее исследование

Учитывая важность взаимодействий гликанов и белков, в настоящее время ведутся исследования, посвященные а) созданию новых инструментов для обнаружения взаимодействий гликанов и белков и б) использованию этих инструментов для расшифровки так называемого сахарного кода.

Гликановые массивы

Одним из наиболее широко используемых инструментов для исследования взаимодействий гликанов с белками является гликановые массивы. Гликановый массив обычно представляет собой NHS- или же эпоксидная смола-активированные стеклянные слайды, на которых гликаны были напечатаны с использованием роботизированной печати.^[15][16] Эти коммерчески доступные наборы могут содержать до 600 различных гликанов, специфичность которых тщательно изучена.^[17]

Взаимодействия гликанов и белков могут быть обнаружены путем тестирования представляющих интерес белков (или библиотеки из тех) которые несут флуоресцентные метки. Структура гликанового белка может быть расшифрована несколькими аналитическими методами, основанными на масс-спектрометрии, включая МАЛДИ-МС, ЖХ-МС, тандем MS-MS, и / или 2D ЯМР.^[18]

Исследования, основанные на биоинформатике

Вычислительные методы применялись для поиска параметров (например, предрасположенности к остаткам, гидрофобности, планарности), которые могли бы отличить гликановые связывающие белки от других участков поверхности. Например, модель, обученная на 19 негомологичных структурах связывания углеводов, смогла предсказать домены связывания углеводов (CRD) с точностью 65% для неферментативных структур и 87% для ферментативных.^[19] В дальнейших исследованиях использовались расчеты Энергии Ван-дер-Ваальса взаимодействий белок-зонд и предрасположенности аминокислот к выявлению CRD с 98% специфичность на 73% чувствительность.^[20] Более современные методы могут прогнозировать CRD даже из белковые последовательности, сравнивая последовательность с теми, для которых уже известны структуры.^[21]

Сахарный код

В отличие от исследований белков, где первичная структура белка однозначно определяется последовательностью нуклеотиды (в генетический код), гликобиология до сих пор не может объяснить, как определенное «сообщение» закодировано с использованием углеводов или как оно «читается» и «переводится» другими биологическими объектами.

Междисциплинарные усилия, сочетающие химию, биологию и биохимию, изучают взаимодействия гликанов и белков, чтобы увидеть, как разные последовательности углеводов вызывают разные клеточные реакции.^[22]

Смотрите также

• Белковые взаимодействия
• Гликобиология

Рекомендации