N连接糖基化

N-连接糖基化是一种寡糖，一种由几个糖分子组成的碳水化合物，有时也称为聚糖，在一个过程中连接到氮原子（蛋白质的天冬酰胺(Asn)残基的酰胺氮）称为N-糖基化，在生物化学中进行了研究。这种类型的连接对于许多真核蛋白质的结构和功能都很重要。N-连接的糖基化过程发生在真核生物中并广泛存在于古生菌中，但很少发生在细菌中。与糖蛋白连接的N连接聚糖的性质由蛋白质和表达它的细胞决定。它也因物种而异。不同的物种合成不同类型的N-连接聚糖。

糖蛋白中涉及两种类型的键：聚糖中糖残基之间的键以及聚糖链和蛋白质分子之间的键。糖部分通过糖苷键在聚糖链中相互连接。这些键通常在糖分子的碳1和4之间形成。糖苷键的形成在能量上是不利的，因此该反应与两个ATP分子的水解耦合。另一方面，聚糖残基与蛋白质的连接需要识别共有序列。N-连接聚糖几乎总是连接到天冬酰胺(Asn)侧链的氮原子上，该侧链作为Asn–X–Ser/Thr共有序列的一部分存在，其中X是除脯氨酸(Pro)之外的任何氨基酸。在动物细胞中，与天冬酰胺相连的聚糖几乎不可避免地是β构型的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)。这种β键类似于上述聚糖结构中糖部分之间的糖苷键。异头碳原子不是连接到糖羟基上，而是连接到酰胺氮上。这种连接所需的能量来自焦磷酸盐分子的水解。

N-连接聚糖的生物合成通过3个主要步骤进行：

• 多醇连接的前体寡糖的合成
• 前体寡糖向蛋白质的整体转移
• 寡糖的加工

前体寡糖的合成、整体转移和初始修整在内质网(ER)中发生。寡糖链的后续加工和修饰在高尔基体中进行。因此，糖蛋白的合成在不同的细胞区室中空间分离。因此，合成的N-聚糖的类型取决于其对这些细胞区室中存在的不同酶的可及性。然而，尽管存在多样性，但所有N-聚糖都是通过具有共同核心聚糖结构的共同途径合成的。核心聚糖结构基本上由两个N-乙酰氨基葡萄糖和三个甘露糖残基组成。然后对该核心聚糖进行进一步的加工和修饰，从而产生多种N-聚糖结构。

N-连接聚糖具有内在和外在功能。在免疫系统内，免疫细胞表面上的N-连接聚糖将有助于决定细胞的迁移模式，例如迁移到皮肤的免疫细胞具有有利于归巢到该位点的特定糖基化。各种免疫球蛋白（包括IgE、IgM、IgD、IgA和IgG）上的糖基化模式通过改变它们对Fc和其他免疫受体的亲和力赋予它们独特的效应功能。聚糖还可能参与自我和非自我歧视，这可能与各种自身免疫性疾病的病理生理学有关。在某些情况下，N-聚糖和蛋白质之间的相互作用通过复杂的电子效应使蛋白质稳定。

N-连接糖基化的变化与不同的疾病有关，包括类风湿性关节炎、1型糖尿病、克罗恩病和癌症。涉及N-连接糖基化的18个基因的突变导致多种疾病，其中大多数涉及神经系统。

市场上的许多治疗性蛋白质是抗体，它们是N-连接的糖蛋白。例如，依那西普、英夫利昔单抗和利妥昔单抗是N-糖基化治疗蛋白。N-连接糖基化的重要性在药物领域变得越来越明显。尽管细菌或酵母蛋白生产系统具有显着的潜在优势，例如高产量和低成本，但当感兴趣的蛋白质是糖蛋白时会出现问题。大多数原核表达系统如大肠杆菌不能进行翻译后修饰。另一方面，真核表达宿主，如酵母和动物细胞，具有不同的糖基化模式。这些表达宿主中产生的蛋白质通常与人类蛋白质不同，因此会引起患者的免疫原性反应。例如，酿酒酵母（酵母）经常产生具有免疫原性的高甘露糖聚糖。CHO或NS0细胞等非人哺乳动物表达系统具有添加复杂的人型聚糖所需的机制。然而，在这些系统中产生的聚糖可能与人类产生的聚糖不同，因为它们可以被N-羟乙酰神经氨酸(Neu5Gc)和N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)封端，而人类细胞仅产生含有N-乙酰神经氨酸的糖蛋白。此外，动物细胞还可以产生含有galactose-alpha-1,3-galactose表位的糖蛋白，这会在患有Alpha-gal过敏症的人中诱发严重的过敏反应，包括过敏性休克。这些缺点已通过多种方法得到解决，例如通过基因敲除消除产生这些聚糖结构的途径。此外，其他表达系统已经过基因工程以产生具有类人N连接聚糖的治疗性糖蛋白。这些包括酵母，如毕赤酵母、昆虫细胞系、绿色植物，甚至细菌。