Die Proteinglykosylierung ist eine der wichtigsten posttranslationalen Modifikationen, die zur Verbesserung verschiedener Aspekte therapeutischer Proteine und industrieller Enzyme genutzt werden kann. Verschiedene Arten der Glykosylierung haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Eigenschaften und Funktionen von Proteinen, und ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen kann wertvolle Hinweise für die rationelle Glykotechnik von Proteinen liefern.
Kürzlich haben Forscher des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und ihre Mitarbeiter herausgefunden, warum die S-Glykosylierung die Rolle der natürlichen O-Glykosylierung nicht angemessen nachahmen kann, und sie haben die entscheidende Rolle hervorgehoben der glykosidischen Bindung bei der Gestaltung der Funktion der Glykosylierung.
Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle.
Bei der O-Glykosylierung wird das Glykan an das Sauerstoffatom (O) einer Ser- oder Thr-Seitenkette gebunden. Bei der S-Glykosylierung wird das Glykan an das Schwefelatom (S) der Cys-Seitenkette gebunden.
Die Verwendung der S-Glykosylierung als Ersatz für die häufiger vorkommende O-Glykosylierung kann die Widerstandsfähigkeit von Glykanen gegenüber chemischer Hydrolyse und enzymatischem Abbau erhöhen. Diese beiden Arten der Glykosylierung üben unterschiedliche Auswirkungen auf die Eigenschaften und Funktionen von Proteinen aus.
Um die molekulare Grundlage der beobachteten Unterschiede aufzuklären, führten die Forscher mithilfe von Kernspinresonanzspektroskopie und molekulardynamischen Simulationen eine systematische Analyse verschiedener glykosylierter Formen eines Modellglykoproteins, des Kohlenhydratbindungsmoduls (CBM) von Trichoderma reesei, durch.
Die Ergebnisse zeigten, dass das S-verknüpfte Glykosyl im Vergleich zur entsprechenden Glykaneinheit bei der O-Glykosylierung eine deutlich größere Flexibilität aufwies. Dadurch wurden die Glykan-Peptid-Wechselwirkungen geschwächt, was zu einer deutlichen Verringerung stabilisierender und substratbindender Effekte wie der O-Glykosylierung führte.
Darüber hinaus zeigten sie, dass die veränderte Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit zwischen dem Glykan und dem Polypeptid der Hauptgrund für die unterschiedliche Flexibilität zwischen S- und O-Glykosylierung war, was sich durch Veränderung der Glykosylierung auf die CBM-Bindungsaffinität zu seinem Substrat auswirken könnte Enthalpie und Entropie des Bindungsprozesses. Darüber hinaus bestimmten sie den strukturellen und dynamischen Mechanismus der Wirkung des zweiten Glykosyls auf Proteine.
„Unsere Studie zeigt deutliche strukturelle und dynamische Unterschiede zwischen O- und S-Glykosylierung, und diese Unterschiede können zu erheblichen Veränderungen in den Auswirkungen der Glykosylierung führen“, sagte Prof. Feng Yingang, Mitautor der Studie. „Beim Wechsel der Glykosylierungsarten im Protein-Glykoengineering ist Vorsicht geboten.“
Mehr Informationen:
Chao Chen et al., Strukturelle Einblicke in die Frage, warum die S-verknüpfte Glykosylierung die Rolle der natürlichen O-Glykosylierung nicht angemessen nachahmen kann, Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle (2023). DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.126649