青岛能源所等揭示不同类型糖基化对蛋白质性质影响的机制

       蛋白质的糖基化是重要的翻译后修饰之一，同时，基于蛋白质糖基化的糖工程是对蛋白质和酶进行性质改造的重要工具。不同种类的糖基化修饰对蛋白性质和功能的影响具有显著差异，探讨其背后的机制对于蛋白质的糖工程改造具有重要意义。中国科学院青岛生物能源与过程研究所与中国医学科学院北京协和医学院药物研究所合作，通过核磁共振结构解析和分子动力学模拟阐明了为何糖工程中常用的蛋白质的硫-糖基化不能充分模仿天然的氧-糖基化，揭示了糖苷键类型在形成糖基化功能中的关键作用。相关研究成果在线发表在《国际生物大分子杂志》（International Journal of Biological Macromolecules）上。 

蛋白糖基化通过修饰糖基和蛋白间的相互作用，来改善蛋白质的折叠、稳定性、溶解性和生物活性等方面的性能。常见的天然蛋白糖基化方式是发生在天冬酰胺侧链的氮-糖基化以及发生在丝氨酸和苏氨酸侧链的氧-糖基化。而硫-糖基化则是糖基连接在蛋白半胱氨酸侧链的硫原子上，由于硫和氧属于同族元素，许多物理和化学性质相近，且硫-糖基化在制备过程中具有直接和简便的优点，S-C糖苷键比O-C糖苷键更加稳定。因此，科学家认为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开发中得到了应用。而有研究表明，在糖苷键中从氧到硫的替代会导致糖基化的蛋白具有结构和性质的显著差异，其中的原因尚不清楚。 

青岛能源所代谢物组学研究组与中国医学科学院药物研究所谭忠平课题组长期合作，以揭示糖基化对蛋白质结构与性质的影响机制。该团队在前期优化核磁共振结构计算碳水化合物的参数，实现解析糖基化修饰蛋白结构的标准流程的基础上，以里氏木霉的7家族纤维二糖水解酶Cel7A的碳水化合物结合模块（CBM）为模型，从结构水平解释了不同位置的氧-糖基化为何对CBM的性质产生完全不同的影响，发现了使蛋白性能提高的糖基化作用主要来自于糖基位点附近氨基酸间新的相互作用的引入和蛋白刚性的增加。 

为进一步探索不同糖基化对蛋白质结构和性质影响的机制，该团队以里氏木霉Cel7A的CBM为模型，探究了CBM第三位氨基酸进行不同种类单糖基化和二糖基化修饰的蛋白质（图1）。研究通过核磁共振结构解析发现，由于S-C糖苷键相比O-C糖苷键具有更长的键长，导致硫-糖基化所连的糖基无法保持氧-糖基化时糖基与蛋白之间的相互作用，在结构中硫-糖基呈现柔性松散的状态，从而大幅削弱了糖基化对于提升蛋白稳定性、增强底物结合的作用。分子动力学模拟的结果同样显示，硫-糖基化所连的糖基比氧-糖基化的糖基具有更高的动态性，而糖基和蛋白间的氢键强度变化是产生这种动态性差异的关键因素。该动态性改变了结合过程中的焓和熵，影响了CBM与底物之间的结合。通过对二糖基化和单糖基化CBM的比较，研究确定了增加的第二个糖基对蛋白性能影响的结构和动力学机制。该工作揭示了氧-和硫-糖基化之间明显的结构和动力学差异。这些差异能够导致糖基化效应的显著改变，并提示在糖基化改造过程需要谨慎对待糖基化类型的切换，这对蛋白质的糖工程研究具有重要的指导意义。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东能源研究院、青岛市自主创新重大专项、中国医学科学院医学与健康科技创新工程等的支持。

消息来源：中国科学院官网