糖类组学与脂质组学杂志
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糖物流出了问题：膜运输和先天性糖基化障碍

彼得斯·T·A·林德斯

糖基化是细胞内和分泌蛋白的重要翻译后修饰。为了发生糖基化，合成后必须将货物运输通过高尔基体的不同区室，在这些区室中，不同的单糖依次结合和修剪，从而产生越来越复杂的支链聚糖结构。对于这个过程最重要的是高尔基体的细胞器内环境。^{每个高尔基体室都有不同的 pH 值，由液泡 H +}维持-ATP酶（V-ATP酶）。此外，诸如高尔金斯和保守的寡聚高尔基体 (COG) 复合物等束缚因子与涂层异构体 (COPI) 和可溶性 N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体 (SNARE) 介导的膜融合相结合，有效地将糖基化酶传递到右侧高尔基室。这些因素共同维持参与糖基化的蛋白质在高尔基体内的运输，从而实现适当的糖基化。然而，这些因子的致病性突变可能会导致糖基化缺陷，并导致具有多种症状的疾病，例如肝功能障碍以及皮肤和骨骼疾病。总的来说，这组疾病被称为先天性糖基化障碍 (CDG)。最近的技术进步使得能够可靠地识别与膜运输成分相关的新型 CDG。在这篇综述中，我们强调了膜运输相关 CDG 之间的差异和相似之处。寡糖结构与蛋白质的缀合，即糖基化，是生命所有领域中普遍存在的基本翻译后修饰。糖基化不仅对于蛋白质的结构和功能很重要，而且对于蛋白质通过分泌途径的转运和选择性靶向也很重要。在哺乳动物中，大约需要 700 种蛋白质才能产生 7000 多种聚糖结构的全部多样性。脊椎动物中聚糖结构的添加是一个连续的过程，涉及通过糖基转移酶添加单糖和通过糖苷酶修剪聚糖。只需十种不同的单糖即可构建完整的聚糖谱：岩藻糖 (Fuc)、半乳糖 (Gal)、葡萄糖 (Glc)、N-乙酰半乳糖胺 (GalNAc)、N-乙酰氨基葡萄糖 (GlcNAc)、葡萄糖醛酸 (GlcA)、  最近鉴定出核糖醇。在脊椎动物中，N-聚糖合成是在内质网中起始的，作为载体脂质多醇上的 14 单糖前体。在翻译过程中，该聚糖通过寡糖转移酶 (OST) 从多醇转移到受体肽序列中的新生多肽，通常由 Asn-X-(Ser/Thr) 基序组成。这些未成熟的、含有高葡萄糖和甘露糖的聚糖结构的远端葡萄糖部分随后在高尔基体进入之前被修剪；控制内质网中错误折叠糖蛋白的重要一步。然后糖蛋白通过货物受体 ERGIC-53 等离开内质网，并被转运到高尔基体进行进一步处理。在高尔基体中，糖蛋白被修剪、延伸和分支，直到达到最终的聚糖形式。哺乳动物高尔基体是一个大型核周细胞器，组织成离散的隔室或池。高尔基体可分为 顺式高尔基体，最接近内质网，内侧高尔基体， 反式高尔基体，以及 反式高尔基体网络（TGN），距离细胞核最远。此外，哺乳动物有一个前高尔基体区室，称为 ER-高尔基体中间区室（ERGIC，以前称为囊泡管状簇 (VTC)）。新合成的糖蛋白从内质网发出，进入高尔基体的顺式高尔基体 ，依次通过内侧和 反式-高尔基体，最后，在 TGN 处退出高尔基体。高尔基体的区室化允许包含糖基化酶子集的不同环境，从而能够进行连续修饰以形成完全成熟的糖蛋白。高尔基体驻留酶的组织和高尔基体本身因细胞类型而异，从而导致了糖蛋白的多样性。两个例子是 α-甘露糖苷酶 I 和 II 的分布，它们主要定位于反 式-肠杯状细胞中的高尔基体，但分布在肝细胞中的所有高尔基体池中，其功能后果目前尚不清楚。有效的糖基化完全依赖于糖基化酶的正确定位，以及其他糖基化机制的传递，例如核苷酸糖转运蛋白和待糖基化的货物蛋白到正确的高尔基体区室。糖基化酶正确运输的一个重要因素是维持高尔基体内的 pH 值。在真核细胞中，调节细胞器内 pH 的主要质子泵是液泡 H ⁺ -ATP 酶（V-ATP 酶）。膜 V ₀ 结构域将该复合物锚定在膜中，并且 V ₁ 结构域是胞质的。V ₀ 结构域包含六个不同的亚基（a、d、e、c、c' 和 c''）。该结构域充当跨膜质子易位子，这不仅会导致 pH 梯度，还会导致膜电位发生变化，并被 K + 和 Cl - 等抗衡^离子 中^和。胞质V ₁ 结构域包含8个亚基(AH)，其主要功能是ATP水解，提供pH梯度所需的能量。_{在哺乳动物中，V-ATP酶定位的特异性在V 0} a 亚基中编码，因为存在四种独特的亚型(V ₀ a1-4)。这与酿酒酵母相反 ，它只有两种独特的亚型（Vph1p 和 Stv1p）。_{V 0} a 亚基的多样性可能对于特定细胞类型依赖性功能和不同细胞器中 pH 值的差异调节很重要。异构体 V ₀ a1 靶向分泌囊泡，V ₀ a2 靶向高尔基体和内体，V ₀ a3 在巨噬细胞和破骨细胞中高度表达，在晚期内体和溶酶体中富集，而 V ₀ a4 主要在肾脏中表达，内耳、眼睫状体。V-ATP 酶确保各个高尔基体区室的 pH 值恒定，范围从 顺式高尔基体的 6.7 到反式高尔基体的 6.0 -高尔基体。考虑到糖基化酶的最佳 pH 值，该 pH 梯度可以将糖基化酶的活性限制在其目标高尔基体区室中。然而，考虑到最适 pH 值的广泛分布和水池之间绝对 pH 值的微小差异，这可能不是完整的解释。相反，或另外，pH敏感的结合和释放到货物适配器可能确保酶正确定位到目标高尔基体区室。高尔基体内的运输路线存在多种模型，但高尔基体内最有利的膜运输模型是池成熟模型。脑池成熟是通过从更成熟的高尔基体传递蛋白质和脂质来逐渐转变高尔基体，同时通过外壳蛋白复合物 I；COPI）介导的逆行膜运输从先前的高尔基体中去除高尔基体蛋白和脂质。在这些 COPI 囊泡进行膜融合之前，一组分子仪器会协调正确的囊泡靶向高尔基体并在高尔基体内进行定位。这类运输因子中的一个重要组是高尔金家族，它由与高尔基膜相关的大卷曲螺旋蛋白组成。高尔金斯在细胞质中形成触手网，有效且选择性地束缚货物囊泡。同时，Golgins 可以充当小型 Rab 或 Arf GTPases 的支架蛋白。在高尔基体，Rab6 和 Rab30 可以招募效应器，例如用于囊泡运输的细胞骨架运动蛋白肌球蛋白 II。完整的整体是保守的寡聚高尔基体 (COG) 束缚复合物，这是一种桥接高尔基体膜和 COPI 囊泡的异八聚体蛋白质复合物。最后，当高尔基体膜和未包被的 COPI 囊泡足够接近时，就会发生膜融合。膜融合是通过可溶性 N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体 (SNARE) 蛋白进行的。由于糖基化是一个广泛的过程，涉及多种不同的因素，这些因素共同作用以进行聚糖部分的顺序重塑，因此只有轻微的干扰就会对糖基化产生重大影响。因此，已鉴定出超过 100 种以糖基化功能失调为特征的单基因疾病，这些疾病统称为先天性糖基化障碍 (CDG)。其中很大一部分包括前面提到的运输蛋白中的遗传变异，但也包括液泡 H 亚基中的遗传变异。⁺ -ATP酶及其组装因子。CDG 诊断的最新技术进步使得对糖基化疾病的分析更加全面。检测糖基化变化的新型质谱方法与检测新型基因组突变的新一代测序相结合，是检测 CDG 中膜运输成分的强大组合。本综述旨在全面概述与贩运相关的 CDG，并详细了解高尔基体运输如何影响糖基化。