Glykosylaatio
Glykosylaatio on proteiinin posttranslationaalinen eli proteiinisynteesin jälkeinen muokkaus, jossa polypeptidiketjun tai -ketjujen tiettyihin aminohappotähteisiin kiinnitetään entsyymiohjatusti glykaaneita eli sokerirakenteita. Glykaanit kiinnittyvät aminohappotähteisiin O- tai N-glykosidisilla sidoksilla muodostaen glykoproteiineja. O-glykosidisidoksella tapahtuvaa kiinnittymistä kutsutaan O-glykosylaatioksi ja N-glykosidisidoksella tapahtuvaa N-glykosylaatioksi. Myös lipidit voivat glykosyloitua.
Useat proteiinit toimisivat oikein ilman glykosylaatiota, mutta glykosylaatiolla on kuitenkin oleellinen osa proteiinien rakenteessa ja toiminnassa. Glykoproteiineja tarvitaan solujen keskinäisessä viestinnässä, jossa ne toimivat tunnistavien proteiinien eli reseptorien ligandeina sekä myös itse reseptoreina erilaisten välittäjäaineiden, solutyyppien ja kudosten tunnistuksessa. Eri kudoksissa proteiinit glykosyloituvat eri lailla. Sairauksissa, kuten syövässä, solujen pintaproteiinien glykosylaatio muuttuu normaalista. Elimistön immuunipuolustus voi aloittaa epänormaalien solujen tuhoamisen tunnistettuaan ne väärän tyyppisistä glykaaneista.
Glykaanien tehtävät:
O-glykaanit kiinnittyvät eri tavoilla polypeptidiketjuun:
Glykoproteiinit syntetisoidaan usein endoplasmakalvostoon kiinnittyneissä ribosomeissa. O-glykaanit rakennetaan liittämällä vaiheittain nukleotidilla aktivoituja monosakkarideja muodostuvaan glykaaniin, jonka ensimmäinen monosakkaridi on kiinnittyneenä aminohappotähteeseen. Ihmisen yleisimmät glykoproteiinien synteesissä käytettävät nukleotidisokerit ovat UDP-Gal (galaktoosi, jossa liittyneenä uridiinidifosfaatti), UDP-Glc (glukoosi, jossa liittyneenä uridiinidifosfaatti), GDP-Man (mannoosi, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti), CMP-NeuAc (N-asetyylineuramiinihappo, jossa liittyneenä sytidiinimonofosfaatti), GDP-Fuc (fukoosi, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti), UDP-GalNAc (N-asetyyligalaktosamiini, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti) ja UDP-GlcNAc (N-asetyyliglukosamiini, jossa liittyneenä guanosiinidifosfaatti). Sokerien kiinnittymisreaktioita katalysoivat glykoproteiini-glykosyylitransferaasientsyymit. Ensimmäisten sokerien kiinnittäminen polypeptidiin alkaa jo translaation aikana. O-glykaanien synteesi saatetaan loppuun Golgin laitteessa, jossa niiden häntäosiin liitetään esimerkiksi N-asetyylineuramiinihappoja eli sialihappoja.
N-glykosylaatiossa polypeptidiketjun tai -ketjujen asparagiiniaminohappotähteisiin kiinnittyy sokeriosia eli glykaaneita N-glykosidisilla sidoksilla. Asparagiiniin kiinnittyvä monosakkaridi on yleensä aina N-asetyyliglukosamiini, joka siis aloittaa N-glykaanin. N-glykoproteiinit eli proteiinit, joissa on kiinnittyneenä N-glykaaneita, ovat glykoproteiinien pääluokka. Plasman proteiineista pääosa kuuluu N-glykoproteiineihin. N-glykoproteiineja on kiinnittyneinä myös solukalvoissa. Proteiinien oikeassa laskostumisessa on N-glykaaneilla suuri merkitys.
Kun glykoproteiinin translaatio alkaa ribosomissa, sen alussa on usein signaalipeptidi, joka ohjaa ribosomin ja peptidin endoplasmakalvostoon eli solulimakalvostoon. Endoplasmakalvoston kalvossa on translokoni, jonka läpi peptidiketjua aletaan syöttää solulimakalvoston onteloon. Juuri kalvon sisäpuolella on joukko proteiineja, jotka tutkivat uutta peptidiketjua etsien tiettyä sekvenssiä, johon blokkina paikalle tuotava glykaanikimppu kiinnittyy. Kiinnityskohtana toimii Asn-X-Ser/Thr sekvenssi, jossa asparagiinin ja seriinin/treoniinin välissä voi olla mikä tahansa aminohappo paitsi proliini. Asparagiinin vapaa aminoryhmä ottaa glykaanin vastaan, koska vielä laskostumaton peptidisäie taipuu niin, että seriinin hydroksyyliryhmä tekee asparagiinin aminotypestä nukleofiilisemmän, johon sokeriketju sitten voi sitoutua N-glykosidisella sidoksella.
Glykaanirakenne tuodaan peptidiketjuun kantajaan kiinnitettynä. Kantajana toimii dolikolipyrofosfaatti, joka on pitkäketjuinen polyisoprenoidi (lipidi), joka on ankkuroitunut solukalvoon siten, että fosfaattiryhmät ovat endoplasmakalvoston lumenin eli ontelon puolella. Glykaaniketjua aletaan rakentaa dolikoliin sytosolin puolella, jossa UDP-GlcNAc (N-asetyyliglukosamiini, johon on kiinnittynyt uridiinidifosfaatti) luovuttaa siihen ensin kaksi N-asetyyliglukosamiinia, jotka spesifi glykosyylitransferaasi kiinnittää paikoilleen. Sitten GDP-Man (mannoosi, johon on kiinnittyneenä guanosiinidifosfaatti) transferaasien avustuksella kiinnittää siihen yksi kerrallaan viisi mannoosia. Viidennen mannoosin jälkeen flippaasi entsyymi kääntää glykaanidolikolin endoplasmakalvoston kalvon sisäpuolelle, jossa siihen lisätään edelleen neljä mannoosia, joten kaiken kaikkiaan muodostuvassa glykaanissa mannooseja on yhdeksän. Mannoosit on järjestetty kolmeen runkoon eli haaraan, joista ensimmäiseen lisätään yksi kerrallaan vielä kolme glukoosia. Seitsemän viimeisen monosakkaridin, neljän mannoosin ja kolmen glukoosin, kantajana toimii nukleotidin asemesta dolikoli-P. Kun glukoositkin ovat paikoillaan, oligosakkaryylitransferaasi siirtää glykaanikimpun peptidirunkoon.
Kun glykaani on liitetty peptidirunkoon, aletaan siitä trimmata glukooseja irti. Uloimmaisen glukoosin poistaa endoglykaasi I ja seuraavan endoglykaasi II. Jäljelle jää yksi glukoosi kaperonin sitomista varten. Myös A-rungossa olevat kolme mannoosia ovat tarpeellisia, jotta glykaani sitoutuisi kaperoniin riittävällä affiniteetilla.
Laskostamista avustavat joko BiP (tunnetaan myös kaperoni Grp78:na) tai kalneksiini/kalretikuliini ja niihin liittyvät tioli-disulfidi-oksidoreduktaasit. Molemmat kaperonisysteemit ovat tarjolla. Ensin peptidiketjuun sitoutumaan ehtivä systeemi, aloittaa laskostumisen auttamisen. Myöhemmissä vaiheissa kaperoni voi vaihtua toiseksikin. Jos glykaaniketju on lähellä NH-terminusta, peptidiin sitoutuu ensin kalneksiini tai kalretikuliini, ja jos glykaani on sitten COOH-päässä peptidiä, BiP aloittaa kaperonina.
Kalneksiini on tyyppi I transmembraaniproteiini endoplasmakalvossa (ER), kooltaan 88–90 kDa. Kalretikuliini on liukoinen proteiini, jonka molekyylipaino on 55–60 kDa, ja joka pysyy ER:ssä C-terminaalisen Lys-Asp-Glu-Leu-sekvenssin ansiosta. Molemmat proteiinit ovat monomeerisia, C-tyypin lektiinejä (sitovat kalsiumia) ja muistuttavat toiminnaltaan ja rakenteeltaan suuresti toisiaan. Molemmat tarjoavat glykoproteiinille suojan, jossa sen hydrofobiset osat voivat laskostua rauhassa oikein sen sijaan, että vapaana ollessaan ne aggregoituisivat toisten hydrofobisten jaksojen kanssa liukenemattomiksi möykyiksi.
Molemmissa kaperoneissa on kolme erilaista domeenia:
P-domeeni sitoo tioli-disulfidi-oksidoreduktaasi ERp57:ää, joka muodostaa
disulfidisidoksia peptidiketjussa olevien kysteiinien välille. Glykaanin glukoosi ja kolme viereistä mannoosia tarttuvat N-domeenin β-levyssä oleviin aminohappoihin sitä paremmalla affiniteetilla mitä enemmän mannoosia rungossa on. Kaikkien kolmen mannoosin kanssa sitoutuminen on paras, mutta kaperoni tunnistaa myös rakenteen, jossa on vähemmän mannoosia. Silloin sitoutuminen on tosin huomattavasti heikompaa ja peptidiketju saattaa irrota kaperonista väärin laskostuneena. Kun laskostuminen on kunnossa tai sen pitäisi olla kunnossa, endoglykaasi II katkaisee glukoosin mannoosista, ja laskostettu peptidi pääsee irti kaperonista.
UDP-Glukoosi Glykoproteiini-Glukosyylitransferaasi (UGGT) tarkastaa laskostumisen. Se osaa tunnistaa pinnalla olevat hydrofobiset jaksot ja pinnan mahdollisen epästabiiliuden, mutta ei kuitenkaan reagoi tuoreeseen, laskostamattomaan peptidiketjuun tai vapaisiin glykaaneihin. Oikein laskostunut peptidiketju päästetään ER:stä eteenpäin Golgin laitteelle, jossa sen glykosylaatiota trimmataan edelleen ja sille voidaan tehdä muitakin
posttranslationaalisia modifikaatioita eli muokkauksia. Väärin laskostuneeseen peptidimassaan UGGT lisää glukoosin, joka palauttaa sen takaisin kalneksiini/kalretikuliini-kiertoon. Samaan aikaan UGGT:n kanssa toimivat mannosidaasit, jotka poistavat väärin laskostuneen peptidin glykaanista mannoosia. Yleensä UGGT lisää glukoosin hyvin nopeasti, mutta jos laskostuminen ei onnistu ja peptidi joutuu kiertämään reittiä
monta kertaa, mannosidaasi ehtii toimia. Muodostunut (Man)(GluNAc) toimii signaalina epäonnistuneen peptidin poistamiselle ERAD-järjestelmän (engl. ER associated degradation, endoplasmakalvostoon liittyvä proteiinin hajotus) kautta. Peptidi kuljetetaan ER:n ulkopuolelle, ubikitinaatioidaan eli se merkitään kuljetettavaksi ja hajotettavaksi proteasomiin.
N-glykaanit jaotellaan kolmeen päätyyppiin glykaaniosan koostumuksen perusteella:
Kaikille yhteistä on kahden N-asetyyliglukosamiinin ja kolmen mannoosin muodostama asparagiiniin kiinnittyvä pentasakkaridiosa. Paljon mannoosia sisältävien glykaanien muokkaus ei välttämättä vaadi viimeistelyjä, mutta muiden tyyppien viimeistely edellyttää mannoosien poistamista mannosidaaseilla ja muiden monosakkaridien liittämistä glykaaniin glykosyylitransferaasientsyymien, kuten N-asetyyliglukosamiini-, fukosyyli-, galaktosyyli- ja sialyylitransferaasien, avustuksella.