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グリコシルトランスフェラーゼ（GTF、Gtf）は、天然のグリコシド結合を形成する酵素（EC 2.4 ）です。活性化されたヌクレオチド糖（「グリコシル供与体」とも呼ばれる）から求核性グリコシル受容体分子への糖鎖部分の転移を触媒し、その求核性部分は酸素、炭素、窒素、または硫黄をベースとすることができます。[ 1 ]
グリコシル転移の結果は、炭水化物、グリコシド、オリゴ糖、または多糖類となる。一部のグリコシルトランスフェラーゼは、無機リン酸または水への転移を触媒する。グリコシル転移は、タンパク質残基にも起こり、通常はチロシン、セリン、またはトレオニンに転移してO結合型糖タンパク質を生成するか、アスパラギンに転移してN結合型糖タンパク質を生成する。マンノシル基はトリプトファンに転移してC-マンノシルトリプトファンを生成することがあり、これは真核生物に比較的豊富に存在する。トランスフェラーゼは、脂質を受容体として使用して糖脂質を形成することもあり、真核生物のドリコールリン酸や細菌のウンデカプレニルリン酸などの脂質結合型糖リン酸供与体を使用することさえある。
糖ヌクレオチド供与体を用いるグリコシルトランスフェラーゼは、最初の糖ヌクレオチドを発見し、炭水化物代謝に関する研究で1970年のノーベル化学賞を受賞した科学者、ルイス・F・ルロワールにちなんで、ルロワール酵素と呼ばれます。ドリコールやポリプレノールピロリン酸などの非ヌクレオチド供与体を用いるグリコシルトランスフェラーゼは、非ルロワールグリコシルトランスフェラーゼです。
哺乳類はグリコシルトランスフェラーゼに9種類の糖ヌクレオチド供与体のみを使用する：[ 2 ] UDP-グルコース、UDP-ガラクトース、UDP-GlcNAc、UDP-GalNAc、UDP-キシロース、UDP-グルクロン酸、GDP-マンノース、GDP-フコース、およびCMP-シアル酸。これらの供与体分子のリン酸基は通常、マンガンなどの二価陽イオンによって配位されるが、金属非依存性酵素も存在する。
多くのグリコシルトランスフェラーゼは一回膜貫通タンパク質であり、通常はゴルジ体の膜に固定されている[ 3 ]。
グリコシルトランスフェラーゼは、転移反応中に供与体のアノマー結合の立体化学が保持されるか（α→α）、反転されるか（α→β）に応じて、「保持型」酵素と「反転型」酵素に分類できる。反転機構は単純で、受容原子からの単一の求核攻撃によって立体化学が反転する。
保持機構については議論の的となってきたが、二重置換機構（立体化学の正味保持のためにアノマー炭素の周りで2回の反転を引き起こす）や解離機構（その一般的な変種はSNiとして知られていた）に反する強力な証拠が存在する。反転酵素に似た「直交会合」機構が提案されており、アノマー保持を達成するには、非線形角度からのアクセプターによる単一の求核攻撃（多くの結晶構造で観察されているように）のみが必要である。[ 4 ]
反転型グリコシルトランスフェラーゼによって触媒される多くの反応の可逆性が最近発見されたことは、この分野におけるパラダイムシフトとなり、糖ヌクレオチドを「活性化」ドナーとして指定することに関して疑問を提起している。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
配列に基づく分類法は、関連タンパク質との配列アライメントに基づいてタンパク質の機能に関する仮説を生成する強力な方法であることが証明されています。炭水化物活性酵素データベースは、グリコシルトランスフェラーゼを90以上のファミリーに分類した配列に基づく分類を示しています。[ 10 ]各ファミリー内で同じ3次元フォールドが発生すると予想されます。[ 11 ]
グリコシドヒドロラーゼで観察される多様な3D構造とは対照的に、グリコシルトランスフェラーゼははるかに狭い範囲の構造しか持たない。[ 12 ] [ 13 ]実際、タンパク質の構造分類データベースによると、グリコシルトランスフェラーゼでは3つの異なるフォールドしか観察されていない。[ 14 ]ごく最近、ペプチドグリカンのNAG-NAMポリマー骨格の生合成に関与するグリコシルトランスフェラーゼの新しいグリコシルトランスフェラーゼフォールドが同定された。[ 15 ]
グリコシルトランスフェラーゼ阻害剤は数多く知られている。これらの中には、ペプチドグリカングリコシルトランスフェラーゼ阻害剤であるモエノマイシン、キチン合成酵素阻害剤であるニッコミシン類、真菌β-1,3-グルカン合成酵素阻害剤であるエキノカンジン類などの天然物も含まれる。グリコシルトランスフェラーゼ阻害剤の中には、医薬品や抗生物質として利用されているものもある。モエノマイシンは、動物飼料の成長促進剤として使用されている。カスポファンギンはエキノカンジン類から開発され、抗真菌剤として使用されている。エタンブトールは、マイコバクテリアのアラビノトランスフェラーゼ阻害剤であり、結核の治療に使用されている。ルフェヌロンは、昆虫のキチン合成阻害剤であり、動物のノミ駆除に使用されている。イミダゾリウム系グリコシルトランスフェラーゼの合成阻害剤は、抗菌剤および消毒剤としての使用を目的として設計されている。[ 16 ]
ABO式血液型は、体内で発現するグリコシルトランスフェラーゼの種類によって決定される。
グリコシルトランスフェラーゼを発現するABO遺伝子座には、A、B、Oの3つの主要な対立遺伝子型があります。A対立遺伝子は、α- N-アセチルガラクトサミンをH抗原のD-ガラクトース末端に結合させ、A抗原を生成する1-3-N-アセチルガラクトサミニルトランスフェラーゼをコードしています。B対立遺伝子は、α-D-ガラクトースをH抗原のD-ガラクトース末端に結合させ、B抗原を生成する1-3-ガラクトシルトランスフェラーゼをコードしています。O対立遺伝子の場合、エクソン6に欠失があり、その結果、酵素活性が失われます。O対立遺伝子は、 261番目の位置にあるグアニンという単一のヌクレオチドの欠失によってA対立遺伝子とわずかに異なります。この欠失によりフレームシフトが生じ、酵素活性を欠くほぼ完全に異なるタンパク質が翻訳されます。このため、O群の場合、H抗原は変化しません。
各個人に存在する両方の対立遺伝子によるグリコシルトランスフェラーゼの組み合わせによって、AB型、A型、B型、O型のいずれかの血液型が決定されます。
グリコシルトランスフェラーゼは、特定の糖複合体の標的合成と、創薬および創薬開発の文脈における、異なるグリコシル化の薬剤、生物学的プローブ、または天然物のライブラリーの合成の両方で広く使用されています（グリコランダム化として知られるプロセス）。[ 17 ]適切な酵素は、天然源から単離するか、組換え生産することができます。代替として、内因性グリコシル供与体を使用する全細胞ベースのシステム、またはグリコシル供与体の合成のためのクローン化および発現システムを含む細胞ベースのシステムが開発されています。無細胞アプローチでは、糖複合体合成のためのグリコシルトランスフェラーゼの大規模な適用には、大量のグリコシル供与体へのアクセスが必要でした。その一方で、放出されたヌクレオチドからグリコシル供与体を再合成できるヌクレオチドリサイクルシステムが開発されています。ヌクレオチドリサイクル法には、副産物として生成されるヌクレオチドの量を減らすというさらなる利点があり、それによって、ヌクレオチド副産物によく見られる特徴である、目的とするグリコシルトランスフェラーゼに対する阻害作用を軽減することができる。