蛋白質的糖基化是最重要的翻譯后修飾之一，同時基于蛋白質糖基化的糖工程是對蛋白質和酶進行性質改造的重要工具。不同種類的糖基化修飾對蛋白性質和功能的影響具有顯著差異，理解其背后的機制對于蛋白質的糖工程改造具有重要意義。青島能源所與中國醫學科學院北京協和醫學院藥物研究所合作，通過核磁共振結構解析和分子動力學模擬闡明了為什么糖工程中常用的蛋白質的硫-糖基化不能充分模仿天然的氧-糖基化，揭示了糖苷鍵類型在形成糖基化功能中的關鍵作用。該成果在線發表于生物化學領域期刊International Journal of Biological Macromolecules《國際生物大分子雜志》。
蛋白糖基化通過修飾糖基和蛋白間的相互作用，來改善蛋白質的折疊、穩定性、溶解性和生物活性等方面的性能。最常見的天然蛋白糖基化方式是發生在天冬酰胺側鏈的氮-糖基化和發生在絲氨酸和蘇氨酸側鏈的氧-糖基化。而硫-糖基化則是糖基連接在蛋白半胱氨酸側鏈的硫原子上，由于硫和氧屬于同族元素，許多物理和化學性質相近，并且硫-糖基化在制備過程中具有直接和簡便的優點，S-C糖苷鍵比O-C糖苷鍵也更加穩定。因此人們認為硫糖基化可以很好的替代氧糖基化，并在一些研究和糖工程開發中得到了應用。然而，另外也有一些研究表明，在糖苷鍵中從氧到硫的替代會導致糖基化的蛋白具有結構和性質的顯著差異，其中的原因并不清楚。
青島能源所代謝物組學研究組與中國醫學科學院藥物研究所譚忠平研究員課題組開展了長期的合作，以揭示糖基化對蛋白質結構與性質的影響機制。在前期優化了核磁共振結構計算碳水化合物的參數，實現了解析糖基化修飾蛋白結構的標準流程（PLoS One, 2017, 12:e0189700）的基礎上，以里氏木霉的7家族纖維二糖水解酶Cel7A的碳水化合物結合模塊（CBM）為模型，從結構水平解釋了不同位置的氧-糖基化為什么會對CBM的性質產生完全不同的影響，發現使蛋白性能提高的糖基化作用主要來自于糖基位點附近氨基酸間新的相互作用的引入和蛋白剛性的增加（Biochemistry, 2017, 56:2897-2906）。
為進一步探索不同糖基化對蛋白質結構和性質影響的機制，研究團隊以里氏木霉Cel7A的CBM為模型，系統的研究了CBM第三位氨基酸進行不同種類單糖基化和二糖基化修飾的蛋白質（圖1）。通過核磁共振結構解析發現，由于S-C糖苷鍵相比O-C糖苷鍵具有更長的鍵長，導致硫-糖基化所連的糖基無法保持氧-糖基化時糖基與蛋白之間的相互作用，在結構中硫-糖基呈現柔性松散的狀態，從而大幅削弱了糖基化對于提升蛋白穩定性、增強底物結合的作用。分子動力學模擬的結果同樣顯示硫-糖基化所連的糖基比氧-糖基化的糖基具有更高的動態性，糖基和蛋白間的氫鍵強度變化是產生這種動態性差異的關鍵因素，該動態性改變了結合過程中的焓和熵，影響CBM與底物之間的結合。通過對二糖基化和單糖基化CBM的比較，確定了增加的第二個糖基對蛋白性能影響的結構和動力學機制。該研究揭示了氧-和硫-糖基化之間明顯的結構和動力學差異，這些差異能夠導致糖基化效應的顯著改變，并提示在糖基化改造過程需要謹慎對待糖基化類型的切換，對蛋白質的糖工程研究具有重要的指導意義。
圖1 硫-糖基化與氧-糖基化所產生的結構與動力學差異導致了兩種糖基化對蛋白質性質的不同影響。（A-C）硫-糖基化的CBM（CBMS3C-Man和CBMS3C-ManMan）與氧-糖基化的CBM（CBMS3-Man和CBMS3-ManMan）的結構差異。硫-糖基化的結構所連接的糖基呈現柔性松散狀態而氧-糖基化的結構所連接的糖基呈現為收斂的固定結構。（D-F）分子動力學模擬顯示結合纖維素底物后，硫-糖基化的CBM的糖基具有比O-糖基化的糖基更多的運動性和更少的氫鍵占有率，共同導致其結合底物能力變弱。
青島能源所代謝物組學研究組陳超副研究員、中國醫學科院藥物研究所助理研究員馬博、青島能源所蛋白質設計研究組王業飛副研究員為論文共同第一作者，青島能源所馮銀剛研究員、王業飛副研究員和中國醫科院藥物所譚忠平研究員為論文共同通訊作者。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、山東能源研究院、青島市自主創新重大專項、中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程等項目的資助。(文/圖 陳超)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126649
Chao Chen#, Bo Ma#, Yefei Wang#, Qiu Cui, Lishan Yao, Yaohao Li, Baoquan Chen, Yingang Feng*, Zhongping Tan* (2023) Structural insight into why S-linked glycosylation cannot adequately mimic the role of natural O-glycosylation. Int. J. Biol. Macromol. 126649.
