植物蛋白質(zhì)組學和糖基化

1. 前言

與其他真核細胞一樣，植物細胞中，糖基化通常發(fā)生在分泌蛋白質(zhì)上，雖然在細胞質(zhì)蛋白和核蛋白上也發(fā)現(xiàn)一些糖基化反應。根據(jù)寡糖部分和蛋白質(zhì)骨架之間的連接方式，可將糖基化分為兩種類型：N -糖基化和 O-糖基化。植物中 N-糖基化研究最多。

1.1 N-糖基化

與其他真核細胞一樣，在植物細胞中，N-糖基化只發(fā)生在進入分泌途徑的蛋白質(zhì)上。它從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的寡聚糖前體 Glc3Man9GlcNAC2 共翻譯轉移到構成初生蛋白質(zhì) ( Asn-X-Ser/Thr，X 可以是除脯氨酸和天冬氨酸以外的任意一種氨基酸）N--糖基化序列的特異天冬酰胺殘基上開始，當新合成的蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后就發(fā)生 N 端序列糖基化反應。接著，當糖蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)高爾基體到達其最終目的地時，Glc3Man9GlcNAC2 前體沿著分泌途徑進行進一步加工處理。如果糖基側鏈能被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的糖苷酶和糖基轉移酶加工的話，Glc3Man9GlcNAc2 前體就會被成功轉化為 Man9GlcNAc2 和 Man5GlcNAC2 范圍內(nèi)的髙甘露糖型 N-聚糖， 以及復雜形式的 N-聚糖。植物復雜形式 N-糖苷有一個掛在中心的近端氨基葡糖上的 α-1-3 巖藻糖；一個與中心少甘露糖連接的 β-1-2 木糖殘基，和/或與它們的末端天線（稱為 Lewisa ) 連接的 Gal/β-3  (Fucα-1-4 ) GlcNAc 寡聚糖末端序列，稱為 Lewisa[1] 。



1. 2 O-糖基化

在植物細胞中 O-糖基化可分為兩種類型。即分泌蛋白糖基化或細胞質(zhì)/核蛋白糖基化。蛋白質(zhì)上不同位點的 O-連聚糖的性質(zhì)不同。

1. 分泌蛋白質(zhì)的 O-糖基化

對植物分泌蛋白的 O-糖基化的了解還很少。只有少數(shù)幾篇文章報道了與植物糖蛋白上的一些絲氨酸或蘇氨酸殘基連接的 O-聚糖。一些糖蛋白，如細胞壁伸展蛋白和液泡中的甘薯貯藏蛋白（sporamin) 都被認為是一類含有一個單半乳糖 O-糖基化的絲氨酸殘基的糖蛋白 [ 2，3] 。分析鑒定水稻被轉運到液泡的谷蛋白也是為了證明哺乳動物黏蛋白型糖基化的存在，植物中這一類型 O-糖基化依然存在爭議 [4] 。第二種類型的分泌蛋白 O-糖基化要求糖蛋白脯氨酸殘基的羥基化，我們已發(fā)現(xiàn)植物中的富含羥脯氨酸的糖蛋白（HRGP)。HRGP 是植物中主要表面糖蛋白。這些定位于細胞壁或細胞質(zhì)膜外表面的 HRGP，有三類蛋白質(zhì)：伸展蛋白，阿拉伯半乳糖鏈蛋白（AGP ) 和茄科凝集素 。伸展蛋白和茄科凝集素含有由絲氨酸- ( 羥脯氨酸 )4 組成的重復序列，這里 的絲氨酸可被 O-糖基化，而羥脯氨酸可被阿拉伯糖鏈取代 [5] 。這個阿拉伯糖化過程在髙爾基體中發(fā)生 [6]。AGP 家族是那些高糖基化的胞外蛋白和細胞質(zhì)膜蛋白質(zhì)。其蛋白質(zhì)部分富含羥脯氨酸（Hyp) 、絲氨酸、丙氨酸、蘇氨酸和甘氨酸，并含有 Ala-Hyp 重復序列。脯氨酰-4-羥化酶的催化作用可將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和/或高爾基體中脯氨酸轉換成羥脯氨酸 [ 4，7 ] 。AGP 的 O-糖基化過程是一種添加了被  β-1-6 半乳糖支鏈取代 β-1-3 半乳糖數(shù)組的半寡聚糖支鏈的羥脯氨酸后的循序漸進的方式，β-1-6 半乳糖支鏈反過來由阿拉伯糖或者其他的低豐度的單糖依次形成分支。

2. O-GlcNAc 糖基化修飾

另外一種在哺乳動物中得到詳細闡述的 O-糖基化形式是細胞質(zhì)和細胞核蛋白的 O-GlcNAc 糖基化。這種在蛋白質(zhì)上添加 O-GlcNAc 的修飾，在真核生物中非常普遍，發(fā)生在絲氨酸或蘇氨酸的 β-連接上。盡管序列 Tyr-Ser-Pro-Tb- Ser- Pro -Sef ( 標有 * 是發(fā)生糖基化的氨基酸）代表一類典型的 GlcNAc 連接位點 [9] ，但是對可被  OGlcNAc 糖基化的保守序列還不十分清楚。OGlcNAc 糖基化是一種高度動態(tài)過程，而且通常與 O-磷酸化修飾交互進行 [10] 。糖基轉移酶的催化作用下，糖基被添加到蛋白質(zhì)上，而在 OGlcNAc 糖苷酶的催化作用下，糖基被從蛋白質(zhì)上移除許多細胞活動過程，如蛋白轉運入細胞核、轉錄、細胞骨架附著在細胞膜上或蛋白合成等都參與了這個糖基化修飾，目前對它的確切作用還了解不多。

植物中有關 OGlcNAc 糖基化的報道還很少，與 OGlcNAc 轉移酶相似的兩個被命名為 SPINDLY 和 SEC 的酶已在擬南芥中克隆出來 [ 11，13] 。它們在離體條件下具有 OGlcNAc 轉移酶活性，但還不清楚它們在植物體內(nèi)的天然底物。此外，有報道將一些細胞核蛋白描述為攜帶末端為 GlcNAc 的 O-連聚糖的糖蛋白 [14，15 ] 。這些細胞核蛋白是否為 SPIN-DLY 和 SEC 的底物仍是個謎。

1.3 糖基化的異質(zhì)性

真核細胞的成熟分泌糖蛋白 N-糖基化模式是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的寡聚糖共翻譯轉運過程和其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體內(nèi)加工的共同結果。多肽折疊因子會影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)潛在糖基化位點 [16] 。結果導致蛋白質(zhì)中的多個 N-糖基化位點中有些位點為無效糖基化位點，其他一些則未能全部糖基化 [17~19] 。

同時，多糖側鏈的修飾加工與其是否接觸到成熟的酶相關。雖然被包被在蛋白分子結構內(nèi)部的寡糖仍然是未修飾的高甘露糖型 N-糖鏈，但位于蛋白質(zhì)表面的糖苷將成熟轉變?yōu)閺碗s形式的 N-糖苷 [17] 。這種現(xiàn)象也同樣發(fā)生在 O-糖苷上。因此，要鑒定植物糖蛋白的糖基化，不僅需要鑒定糖-蛋白連接及附著在糖蛋白上的寡聚糖的結構，而且還要確定其在蛋白分子骨架上的潛在糖基化位點的分布/定位。

本章的目的是向植物蛋白質(zhì)組學工作者介紹一些工具和方法，用于確定所鑒定的蛋白是否為糖蛋白，類別以及蛋白骨架上糖苷側鏈的位置。本章的最后部分將論述植物糖蛋白質(zhì)組學中的糖蛋白鑒定方法。

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