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グリカンと多糖類という用語は、 IUPACによって「グリコシド結合した多数の単糖類からなる化合物」を意味する同義語として定義されています。[1]しかし、実際には、グリカンという用語は、糖タンパク質、糖脂質、プロテオグリカンなどの複合糖質の炭水化物部分を指すためにも使用され、炭水化物がオリゴ糖のみである場合も含まれます。[2]グリカンは通常、単糖類のO-グリコシド結合のみで構成されています。たとえば、セルロースは、 β-1,4-結合したD-グルコースからなるグリカン (または、より具体的にはグルカン) であり、キチンは、β-1,4-結合したN-アセチル- D-グルコサミンからなるグリカンです。グリカンは、単糖残基の ホモポリマーまたはヘテロポリマーであり、直鎖または分岐鎖です。
グリカンとタンパク質
グリカンは、糖タンパク質やプロテオグリカンのようにタンパク質に結合して存在します。一般的に、グリカンは細胞の外表面に存在します。O 結合型および N 結合型のグリカンは真核生物では非常に一般的ですが、それほど一般的ではありませんが、原核生物でも見つかることがあります。
いいえ-結合グリカン
導入
N-結合型グリカンは、小胞体で、セクオンのアスパラギン(Asn)の側鎖の窒素 (N) に結合します。セクオンは Asn-X-Ser または Asn-X-Thr 配列で、X はプロリン以外の任意のアミノ酸であり、グリカンはN -アセチルガラクトサミン、ガラクトース、ノイラミン酸、N -アセチルグルコサミン、フコース、マンノース、およびその他の単糖類で構成されます。
組み立て
真核生物では、N結合型グリカンは細胞質と小胞体で組み立てられたコア14糖単位に由来する。まず、2つのN-アセチルグルコサミン残基が、小胞体膜の外側にある脂質であるドリコール一リン酸に結合している。次に、5つのマンノース残基がこの構造に追加される。この時点で、部分的に完成したコアグリカンは小胞体膜を挟んで反転し、網状腔内に位置するようになる。次に、小胞体内で組み立てが続けられ、さらに4つのマンノース残基が追加される。最後に、3つのグルコース残基がこの構造に追加される。完全に組み立てられた後、グリカンは、網状腔内で糖転移酵素オリゴ糖転移酵素によって、新生ペプチド鎖にまとめて転移される。したがって、この N 結合型グリカンのコア構造は、14 個の残基 (3 個のグルコース、9 個のマンノース、および 2 個のN -アセチルグルコサミン) で構成されています。
画像: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.469
黒い四角はN -アセチルグルコサミン、白い円はマンノース、黒い三角はグルコースです。
処理、変更、多様性
一般的に、N-結合型グリカンは新生ペプチド鎖に転移されると、広範囲にわたる処理反応を受け、3 つのグルコース残基が除去され、また、N-結合型グリカンの種類に応じて、いくつかのマンノース残基も除去されます。グルコース残基の除去は、適切なタンパク質の折り畳みに依存します。これらの処理反応はゴルジ体で発生します。修飾反応には、糖へのリン酸基またはアセチル基の付加、またはノイラミン酸などの新しい糖の付加が含まれます。ゴルジ体内での N-結合型グリカンの処理と修飾は、直線的な経路には従いません。その結果、ゴルジ体内の酵素活性に応じて、N-結合型グリカン構造のさまざまなバリエーションが可能になります。
機能と重要性
N 結合型グリカンは、真核細胞におけるタンパク質の適切な折り畳みに極めて重要です。カルネキシンやカルレティキュリンなどの小胞体シャペロンタンパク質は、コア N 結合型グリカンにある 3 つのグルコース残基に結合します。これらのシャペロンタンパク質は、グリカンが結合しているタンパク質の折り畳みを補助する役割を果たします。適切な折り畳みの後、3 つのグルコース残基は除去され、グリカンは次の処理反応に進みます。タンパク質が適切に折り畳まれなかった場合、3 つのグルコース残基が再結合し、タンパク質がシャペロンと再び結合できるようになります。このサイクルは、タンパク質が適切な構造になるまで数回繰り返されることがあります。タンパク質が繰り返し適切に折り畳まれなかった場合、小胞体から排出され、細胞質プロテアーゼによって分解されます。
N 結合型グリカンも立体効果によってタンパク質の折り畳みに寄与します。たとえば、ペプチド内のシステイン残基は、近くのグリカンのサイズにより、他のシステイン残基とのジスルフィド結合の形成が一時的にブロックされる場合があります。したがって、N 結合型グリカンの存在により、細胞はどのシステイン残基がジスルフィド結合を形成するかを制御できます。
N 結合型グリカンは細胞間相互作用においても重要な役割を果たします。たとえば、腫瘍細胞は異常な N 結合型グリカンを生成します。これはナチュラル キラー細胞上のCD337受容体によって、問題の細胞が癌性であることを示す兆候として認識されます。
免疫システム内では、免疫細胞の表面にあるN結合型グリカンが細胞の移動パターンを決定するのに役立ちます。たとえば、皮膚に移動する免疫細胞は、その部位へのホーミングに有利な特定のグリコシル化を持っています。[3] IgE、IgM、IgD、IgE、IgA、IgGなどのさまざまな免疫グロブリンのグリコシル化パターンは、Fcやその他の免疫受容体に対する親和性を変更することで、独自のエフェクター機能を付与します。[3] グリカンは「自己」と「非自己」の識別にも関与している可能性があり、これはさまざまな自己免疫疾患の病態生理学に関連している可能性があります。[3]関節リウマチ[4]や1型糖尿病[5]が含まれます。
リソソーム分解酵素の標的化も N 結合型グリカンによって行われます。マンノース 6 リン酸残基による N 結合型グリカンの修飾は、このグリカンが結合しているタンパク質をリソソームに移動させるべきというシグナルとして機能します。マンノース 6 リン酸の存在によるリソソーム酵素のこの認識と輸送は、CI-MPR (陽イオン非依存性マンノース 6 リン酸受容体) と CD-MPR (陽イオン依存性マンノース 6 リン酸受容体) という 2 つのタンパク質によって行われます。
お-結合グリカン
導入
真核生物では、O結合型グリカンはゴルジ体内のペプチド鎖のセリンまたはスレオニン残基上に糖 1 個ずつ組み立てられます。N 結合型グリカンとは異なり、コンセンサス配列はまだわかっていません。ただし、セリンまたはスレオニンに対して -1 または +3 にプロリン残基を配置すると、 O結合型グリコシル化に有利になります。
組み立て
O結合型グリカンの合成で最初に付加される単糖はN-アセチルガラクトサミンです。この後、いくつかの異なる経路が可能です。コア 1 構造はガラクトース付加により生成されます。コア 2 構造は、コア 1 構造の N-アセチルガラクトサミンに N-アセチルグルコサミンを付加することにより生成されます。コア 3 構造は、元の N-アセチルガラクトサミンに単一の N-アセチルグルコサミンを付加することにより生成されます。コア 4 構造は、コア 3 構造に 2 番目の N-アセチルグルコサミンを付加することにより生成されます。他のコア構造も可能ですが、あまり一般的ではありません。
画像:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.561 : コア 1 とコア 2 の世代。白い四角 = N-アセチルガラクトサミン、黒い円 = ガラクトース、黒い四角 = N-アセチルグルコサミン。注: この図には間違いがあります。各画像で、一番下の四角は常に白で、黒ではありません。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.562 : Core 3 および Core 4 世代。
O-結合型グリカンの共通の構造テーマは、さまざまなコア構造へのポリラクトサミン単位の追加です。これらは、ガラクトースと N-アセチルグルコサミン単位の繰り返し追加によって形成されます。O-結合型グリカンのポリラクトサミン鎖は、多くの場合、シアリン酸残基 (ノイラミン酸に類似) の追加によってキャップされています。フコース残基も最後から 2 番目の残基に追加されると、シアリル ルイス X (SLex) 構造が形成されます。
機能と重要性
SLex は適切な免疫反応にも重要です。血管内皮細胞上のWeibel-Palade 小体からの P-セレクチンの放出は、いくつかの要因によって誘発されます。そのような要因の 1 つは、ペプチドグリカンなどの特定の細菌分子に対する内皮細胞の反応です。P-セレクチンは、血流中の好中球上に存在する SLex 構造に結合し、感染時にこれらの細胞の周囲組織への 血管外漏出を仲介します。
O結合型グリカン、特にムチンは、正常な腸内細菌叢の形成に重要であることがわかっています。腸内細菌の特定の株はムチンに特異的に結合し、腸内に定着することができます。
O結合型糖タンパク質の例は以下のとおりです。
- グリコフォリン、赤血球 細胞膜のタンパク質
- ムチンは唾液中のタンパク質で、歯垢の形成に関与している。
- 発達と細胞運命の決定に関与する膜貫通受容体であるNotch
- トロンボスポンジン
- 第 VII 因子
- 第IX因子
- 尿型プラスミノーゲン活性化因子
グリコサミノグリカン
細胞グリカンの別の種類は、グリコサミノグリカン(GAG) です。これらは、ウロン酸と交互に結合した 2-アミノ糖で構成され、ヘパリン、ヘパラン硫酸、コンドロイチン、ケラタン、デルマタンなどのポリマーが含まれます。ヘパラン硫酸などの一部のグリコサミノグリカンは細胞表面に付着しており、キシロシル残基を介したテトラサッカライドリンカーによってタンパク質に結合しています (糖タンパク質またはプロテオグリカンを形成)。
糖質科学
米国国立研究会議の2012年の報告書は、糖鎖科学に新たな焦点を当てることを呼びかけています。糖鎖科学は、グリカンの構造と機能を研究する分野で、医学、エネルギー生成、材料科学など、さまざまな分野で大きな進歩が期待されています。[6]これまで、グリカンは、その複雑な構造と特性を調べるためのツールが不足していたため、研究コミュニティからほとんど注目されていませんでした。[7]この報告書は、糖鎖科学を専門家が独占する分野から、幅広く研究され統合された学問へと変革するためのロードマップを示しています。
グリカンと脂質
糖脂質を参照
GPI アンカー
グリカン研究に使用されるツール
グリカン分析で一般的に使用される技術の例を以下に示します。[8] [9]
高分解能質量分析法（MS）と高性能液体クロマトグラフィー（HPLC）
最も一般的に適用される方法はMSとHPLCであり、グリカン部分を酵素的または化学的に標的から切断して分析する。[10]糖脂質の場合、脂質成分を分離することなく直接分析することができる。
糖タンパク質由来のN-グリカンは、糖の還元末端に蛍光化合物を標識（還元標識）した後、高速液体クロマトグラフィー（逆相、順相、イオン交換HPLC）で日常的に分析されます。[11] 近年、2-アミノベンズアミド（AB）、アントラニル酸（AA）、2-アミノピリジン（PA）、2-アミノアクリドン（AMAC）、3-（アセチルアミノ）-6-アミノアクリジン（AA-Ac）など、多種多様な標識が導入されました。[12]使用するESIモードやMSシステムに応じて、異なる標識を使用する必要があります。[13]
O-グリカンは、化学的な放出条件によりラベル付けができないため、通常はタグなしで分析されます。
高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置から分画されたグリカンは、 MALDI -TOF-MS（MS）でさらに分析して、構造と純度に関するさらなる情報を得ることができます。グリカンプールは、前分画なしで質量分析法によって直接分析されることもありますが、同重体グリカン構造間の区別はより困難であり、常に可能であるとは限りません。いずれにしても、直接MALDI -TOF-MS分析は、グリカンプールの迅速かつ直接的な図示につながります。[14]
近年、質量分析と組み合わせた高速液体クロマトグラフィーが普及してきました。液体クロマトグラフィーの固定相として多孔質グラファイトカーボンを選択することにより、非誘導体化グリカンも分析できます。検出は質量分析によって行われますが、MALDI -MSの代わりにエレクトロスプレーイオン化（ESI）がより頻繁に使用されます。[15] [16] [17]
多重反応モニタリング（MRM）
MRM はメタボロミクスやプロテオミクスで広く使用されていますが、その高い感度と広いダイナミック レンジにわたる線形応答により、グリカン バイオマーカーの研究と発見に特に適しています。MRM は、第 1 四重極で所定のプリカーサー イオン、衝突四重極でフラグメント化イオン、第 3 四重極で所定のフラグメント イオンを検出するように設定されたトリプル四重極 (QqQ) 装置で実行されます。これは非スキャン技術であり、各遷移は個別に検出され、複数の遷移の検出はデューティ サイクルで同時に行われます。この技術は、免疫グリコームの特性評価に使用されています。[3] [18]
表1：糖鎖分析における質量分析法の利点と欠点
配列
レクチンおよび抗体アレイは、グリカンを含む多くのサンプルのハイスループットスクリーニングを提供します。この方法では、天然レクチンまたは人工モノクローナル抗体のいずれかを使用し、両方を特定のチップ上に固定し、蛍光糖タンパク質サンプルとともにインキュベートします。
Consortium for Functional Glycomicsや Z Biotech LLCが提供するようなグリカンアレイには、レクチンや抗体でスクリーニングして炭水化物の特異性を定義し、リガンドを特定できる炭水化物化合物が含まれています。
グリカンの代謝と共有結合標識
グリカンの代謝標識は、グリカン構造を検出する方法として使用できます。よく知られている戦略には、シュタウディンガー連結反応を使用して反応できるアジド標識糖の使用が含まれます。この方法は、グリカンの in vitro および in vivo イメージングに使用されています。
糖タンパク質のためのツール
複雑なグリカンの完全な構造解析のためのX線結晶構造解析と核磁気共鳴（NMR）分光法は、困難で複雑な分野です。しかし、多数のレクチン、酵素、その他の糖結合タンパク質の結合部位の構造は、グリコーム機能のさまざまな構造的基礎を明らかにしています。試験サンプルの純度は、クロマトグラフィー（アフィニティークロマトグラフィーなど）と分析電気泳動（PAGE（ポリアクリルアミド電気泳動）、キャピラリー電気泳動、アフィニティー電気泳動など）によって得られています。
参照
リソース
- 国立機能糖鎖センター (NCFG) NCFG の焦点は糖鎖科学の発展であり、特にヒトの生物学と疾患において重要なタンパク質による糖鎖認識の分子メカニズムの探究に重点を置いています。NCFG は糖鎖分析のためのリソースを多数有しており、糖鎖学のトレーニングや糖鎖分析のプロトコルも提供しています。
- GlyTouCan、グリカン構造リポジトリ
- Glycosciences.DE 2021-02-11にWayback Machineにアーカイブ、ドイツの糖鎖データベース
- 炭水化物構造データベース、ロシア語グリカンデータベース
- UniCarbKB、オーストラリアのグリカンデータベース
- GlycoSuiteDB、スイスバイオインフォマティクス研究所による糖鎖データベース
- GlyGen、NIHが資金提供した糖鎖情報学リソース
- 機能的グリコミクス コンソーシアム( CFG) は、8 つの中核施設と 500 人以上の参加研究者で構成される非営利の研究イニシアチブで、リソースとサービスを開発し、科学コミュニティに無料で提供するために協力しています。これらのリソースによって生成されたデータは、CFG とNature Publishing Groupのパートナーシップを通じて維持されている Web リソースである機能的グリコミクス ゲートウェイを通じてアクセスできるデータベースに記録されます。
- 糖質科学の変革: 未来へのロードマップは、米国国立研究会議によって2014-10-20 にWayback Machineにアーカイブされました。このサイトでは、米国国立研究会議の糖質科学に関するレポートやワークショップに関する情報を提供しています。
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