1.简介

岩藻糖是一种重要的生物糖，可作为各种糖复合物的一部分，是两种糖复合物之一单糖存在于具有L（左）-配置（Bertozzi和Rabuka，2009). 蛋白质的岩藻糖修饰，通常称为O（运行）-岩藻糖基化在细胞事件中起着多重作用。在哺乳动物中，有13种糖基转移酶（GT）能够使用GDP-岩藻糖作为糖供体添加岩藻糖残基，但只有两种GT，即蛋白质O（运行）-岩藻糖基转移酶1和2（PoFUT1和PoFUT2）可以直接糖基化蛋白质侧链（Schneider等。, 2017). PoFUT1和PoFUT2将岩藻糖从GDP-岩藻糖转移到蛋白质中富含半胱氨酸重复序列中的丝氨酸或苏氨酸残基。然而，当PoFUT1糖基化物表皮生长因子样（EGF）在一致序列C中重复时²-X（X）-X（X）-X（X）-X（X）-S/T-C公司^三（Haltom和Jafar-Nejad，2015年)，PoFUT2糖基化物血小板反应蛋白I型重复序列（TSRs），包含位于共识序列C中的Ser/Thr残基¹-X（X）-X（X）-S/T-C公司²或C²-X（X）-X（X）-S/T-C公司^三第1组和第2组的TSR（见下文）（施耐德等。, 2017).

EGF重复序列是30到40个氨基酸之间的小结构域，其特征是形成三个排列为C的二硫键¹–C^三，C²–C⁴和C⁵–C⁶（野蛮人等。, 1973). TSRs比EGF重复序列（～60个氨基酸）大，由于其二硫桥排列，可以分为两组。第1组TSR的二硫键排列为C¹–C⁵，C²–C⁶和C^三–C⁴而第2组TSR采用模式C¹–C⁴，C²–C⁵和C^三–C⁶（Leonhard-Milif&Haltiwanger，2010）). 虽然两组的二硫桥排列不同，但C²–C⁶和C^三–C⁶二硫化物桥是保守的（Leonhard-Milif和Haltiwanger，2010). PoFUT1和PoFUT2都需要正确折叠重复O（运行）-岩藻糖基化发生（Luo，Nita Lazar等。，2006年; Wang&Spellman，1998年)两种亚型对每个重复都具有高度选择性（罗，科尔斯等。，2006年; 罗·尼塔·拉扎尔等。，2006年)，表明不同的二硫键排列和一致序列是底物识别的基本特征。这篇综述概述了近年来在揭示这些酶的反应机制和蛋白质底物识别的差异方面的进展，以及O（运行）-蛋白质-蛋白质相互作用中的岩藻糖基化。

2.PoFUT1和PoFUT2蛋白质底物

第一个被鉴定的PoFUT1底物是尿1型纤溶酶原激活物（Kentzer等。, 1990). 现在，大约有100个带有EGF重复序列的蛋白质被预测为O（运行）-岩藻糖基化，尽管只有少数得到确认（有关详细审查，请参阅施耐德等。, 2017). Notch受体是构成Notch信号通路一部分的跨膜I型蛋白质，是研究最多的PoFUT1底物。哺乳动物中发现的四个Notch受体中的大多数EGF重复序列都包含了O（运行）-PoFUT1岩藻糖基化（Takeuchi和Haltiwanger，2014). 缺口配体，2英寸果蝇属（Delta和Serrate）和哺乳动物中的三种Delta样和两种Serrate样配体（Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1和Jagged2；D'Souza等。2008年)，还包含可以O（运行）-PoFUT1岩藻糖基化（施耐德等。, 2017).

诺奇糖基化是细胞如何利用蛋白质糖基化来调节信号通路活性的一个很好的例子。缺口1的伸长率O（运行）-通过添加N个-Fringe GTs的乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）部分将Notch受体的特异性导向Delta，并减少Jagged蛋白对Notch的激活（Xu等。, 2007). 最近Notch1及其配体（DLL4和Jagged）之间的晶体络合物表明，岩藻糖部分在配体相互作用中也起着重要作用（Luca等。, 2015, 2017). 这个O（运行）-Notch1 EGF12 Thr466的岩藻糖部分通过与DLL4 MNNL结构域（Notch配体N末端的模块；图1一; 卢卡等。, 2015). 然而，Notch1和Jagged1之间的复合物通过Notch1 EGF12 Thr466之间的相互作用而稳定-O（运行）-岩藻糖和Jagged1 C2域以及Notch1 EGF8 Thr311之间-O（运行）-岩藻糖和Jagged1 EGF3（图1b条). Jagged1和Notch1之间的这些相互作用解释了为什么Jagged2与Notch1 EGF8–12的结合比只包含EGF11–12的结构紧密六倍（Luca等。, 2017). Notch信号在细胞发育中起着重要作用，其功能失常可导致多种疾病，包括各种类型的癌症（Allenspach等。, 2002). Notch受体的糖基化也可能在异常信号传递中发挥作用（Takeuchi&Haltiwanger，2014)从这个意义上说，据报道，PoFUT1在某些癌症类型中过度表达（Kroes等。, 2007; 卢等。, 2013; 横田等。, 2013).

图1 Notch岩藻糖基化对配体相互作用的重要性。(一)Notch1–DLL4复合体（PDB入口）的表面和卡通表示4xl1型; 卢卡等。, 2015). Notch1 EGF 11–13显示为绿色，MNNL-DSL-EGF1 Delta域显示为粉红色。Notch1 Thr466的岩藻糖（橙色）修饰及其与DLL4残基的相互作用如左图所示。(b条)Notch1–Jagged1复合体的表面和卡通表示（PDB入口5000万5; 卢卡等。, 2017). 缺口1 EGF 8–12显示为绿色，C2-DSL-EGF1–3交错区域显示为红色，缺口岩藻糖显示为橙色。上下面板分别描述了Thr466和Thr311的Notch1岩藻糖修饰的相互作用。钙2+离子显示为绿色球体。

尽管预测有50多种蛋白质底物，但对TSR的了解甚少O（运行）-岩藻糖功能（施耐德等。, 2017). 第一个O（运行）-文献中描述的岩藻糖基TSR在血小板反应蛋白-1（TSP1；Hofsteenge）上发现等。, 2001). 随后，在认识到PoFUT1不使TSR糖基化后，分离并表征了PoFUT2（Luo，Nita-Lazar等。，2006年; 罗，科尔斯等。，2006年). ADAMT和ADAMT样蛋白是一个大的蛋白质家族，据预测有几个潜在的TSRO（运行）-PoFUT2岩藻糖基化（Kelwick等。, 2015; 施耐德等。, 2017)、和O（运行）-岩藻糖是其中一些蛋白质有效分泌的必要条件（Ricketts等。, 2007; 王等。, 2007; 瓦苏提凡等。, 2015; 奔驰等。, 2016). 最近，据报道，PoFUT2在恶性疟原虫结果减轻了蚊媒和人肝细胞的感染。作者得出结论，这种影响是由于PoFUT2靶蛋白（Lopaticki等。, 2017).

3.PoFUT1/2 GDP岩藻糖结合位点高度保守

蛋白质晶体结构的首次报道O（运行）-岩藻糖基转移酶是秀丽隐杆线虫PoFUT1型(总工程师PoFUT1）以非链接形式（PDB条目3个zy4)与GDP和GDP-岩藻糖（PDB条目）复杂3个zy3和3个zy6)（利拉纳瓦雷特等。, 2011). 人类PoFUT1(Hs公司PoFUT1）晶体结构在存在GDP-岩藻糖（PDB条目）的情况下以自由形式报告5个ux6和5小时; 锂等。, 2017)和晶体结构小家鼠PoFUT1型(嗯PoFUT1）与不同EGF重复（PDB条目5公里/小时,5千年,5年2,5公里3,5年4,5年5月,5年7月,5年8月和5年9月)也有报道（李等。, 2017). 关于PoFUT2，有两种可用于人类PoFUT的晶体结构：自由形式，与GDP-岩藻糖络合（PDB条目4页5和第6页; 陈等。, 2012). 此外总工程师PoFUT2、GDP和人类TSR1(Hs公司TSR1）重复（PDB条目5个敌人)已描述。请注意，后一个复合物是已知的PoFUT2唯一包含受体蛋白底物（Valero-González等。, 2016).

PoFUT1和PoFUT2都呈现出典型的GT-B褶皱，由两个相互面对的Rossmann样区域组成，活动部位位于它们之间形成的深裂内（图2一; 莱森等。2008年). 虽然这两种酶具有相同的折叠类型，但人类PoFUT1和PoFUT2的载脂蛋白形式的重叠在174当量C上造成了较差的根平方偏差（r.m.s.d.）^α3.03的原子 奥（图2b条)这与观察到的低序列一致性（～28%一致性）相一致。两者之间的差异Hs公司PoFUT1和Hs公司PoFUT2晶体结构主要归因于在Hs公司中缺少的PoFUT2Hs公司PoFUT1.While循环_260–287位于C末端结构域，在催化、环中没有明显功能_141–155有助于形成受体基板所在的缝隙（图2b条).Hs公司PoFUT1还具有由残基Ser243–Leu284形成的额外的二级元素，该残基包含三个α-螺旋线和a3₁₀-螺旋线（图2b条). 该区域防止GDP-岩藻糖接触溶剂，并避免TSR的结合。同样，Hs公司PoFUT2采用环路_141–155选择性结合TSR与EGF重复受体底物（Valero-González等。, 2016; 锂等。, 2017). 与GDP-岩藻糖复合的两种人体酶叠加后，在167当量C上的有效标准差为^α2.62个原子 这表明，与游离形式相比，糖供体存在时酶的相似性更高。

图2 (一)人类PoFUT1的卡通表示（PDB条目5个ux6; 麦克米兰等。, 2017)和PoFUT2（PDB条目4页5; 陈等。, 2012)结构。二级结构如下所示Hs公司带有青色螺旋的PoFUT1和β-鲑鱼片；对于Hs公司PoFUT2螺旋以石板蓝和β-洋红床单。(b条)叠合结构Hs公司PoFUT1（青色）和Hs公司PoFUT2（石板蓝）。方框中突出显示了主要的二级结构差异。

对于这两种酶，与GDP-岩藻糖相互作用的大多数残基是保守的。必需残留物Arg240^{Hs公司PoFUT1型}/阿根廷294^{Hs公司PoFUT2型}与交互β-通过氢键和静电相互作用使GDP岩藻糖磷酸化，这在其他岩藻糖基转移酶中是保守的（Martinez Duncker等。, 2003; 冈岛等。, 2005; 利拉纳瓦雷特等。, 2011; 陈等。, 2012; 麦克米兰等。, 2017). GDP部分受以下因素的额外影响：Asn46/Asn57、His238/His292、Asp340/Asp371、Ser356/Ser387、Ser357/Thr388和Phe358/Phe389Hs公司PoFUT1和Hs公司分别为PoFUT2（图3). GDP还与Phe44和Gly45的主链相互作用Hs公司PoFUT1。与Hs公司PoFUT1和Hs公司具有GDP部分的PoFUT2，识别岩藻糖部分的残基不保守。特别是，岩藻糖部分通过与Arg43/Asp244的相互作用而稳定Hs公司PoFUT1和Pro53/Gly55Hs公司PoFUT2（图3).

图3 中GDP-岩藻糖结合位点的比较(一)Hs公司PoFUT1（PDB条目5小时; 麦克米兰等。, 2017)和(b条)Hs公司PoFUT2（PDB条目第6页; 陈等。, 2012). GDP岩藻糖显示为具有橙色C原子的棒状表示。氨基酸Hs公司PoFUT1和Hs公司与GDP-岩藻糖相互作用的PoFUT2分别表示为带有青色和板岩蓝C原子的棒状物。

4.PoFUT1和PoFUT2部署不同的蛋白质底物识别策略

这两种酶在与受体底物复合物中的结构突出了显著差异。复合物介于嗯PoFUT1和四个不同的EGF重复序列表明，所有重复序列的结合模式都保持不变（Li等。, 2017). EGF重复序列位于由不同物种（Lira-Navarrete）高度保守的氨基酸Val72–Ser91形成的发夹附近等。, 2011). 这个特殊的发夹移动以保持与EGF C的接触⁵–C⁶通过与残基His80或Phe85（Li等。, 2017). 其他保守的相互作用是由嗯PoFUT1残基Phe266和Met267以及位于EGF重复序列中第四半胱氨酸旁边的非极性残基（图4一; 锂等。, 2017). 最后嗯PoFUT1和不同的EGF重复序列是由嗯PoFUT1凹槽和EGF共识序列。在一致序列中，受体Ser/Thr和Asn51之间的氢键相互作用^嗯PoFUT1型对于催化来说至关重要（李等。, 2017).

图4 PoFUT1和PoFUT2受体结合位点的比较。(一)左图：的卡通表示嗯PoFUT1（青色）与嗯EGF26（鲑鱼）和GDP（描述为带有橙色C原子的棒子；PDB条目5年4; 锂等。, 2017). 右：EFG绑定站点的特写视图。相互作用的氨基酸嗯PoFUT1和嗯EGF26分别显示为带有青色和鲑鱼C原子的棒状物。(b条)左图：的卡通表示总工程师PoFUT2（板岩蓝）与Hs公司TSR1（洋红）和GDP（粘有橙色C原子；PDB条目5个敌人; 瓦莱罗·冈萨雷斯等。, 2016). 右上框：TSR绑定站点的特写视图。相互作用残基的C原子显示为石板蓝色的棒状(总工程师PoFUT2）和洋红(Hs公司TSR1）。右下框：TSR结合位点的特写视图，围绕z（z）轴和围绕年轴。氨基酸的颜色与上面板中的颜色相同，水分子显示为红色球体。

查看总工程师PoFUT2–GDP–Hs公司TSR1三元络合物，很明显总工程师PoFUT2–Hs公司TSR1和嗯PoFUT1–EGF复合物以及TSR和EGF重复序列的排列不同（Valero-González等。, 2016; 锂等。, 2017). 这个总工程师PoFUT2–Hs公司TSR1复合物部分由两个疏水斑块之间的直接相互作用支撑总工程师PoFUT2和Hs公司TSR1（图4b条). 以下十种直接互动中的三种总工程师PoFUT2和Hs公司TSR1对于其他TSR是保守的，这表明该复合物通过有限数量的直接相互作用而稳定。在这三种相互作用中，受体Ser或Thr与催化碱Glu52之间的氢键对催化至关重要（Valero-González等。, 2016).

两者之间的显著差异嗯PoFUT1–EGF和总工程师PoFUT2–Hs公司TSR1复合物是存在于后者界面中的大量水分子。这些水分子通过酶和Hs公司TSR1（图4b条; 瓦莱罗·冈萨雷斯等。, 2016). 这些相互作用在分子水平上解释了PoFUT2如何识别多个不同的TSR（Leonhard-Milif&Haltiwanger，2010; Kakuda&Haltiwanger，2014年). 因此，PoFUT1和PoFUT2都部署了不同的策略来识别其受体-蛋白底物。PoFUT2通过使用有限数量的直接保守相互作用以及水分子介导的大量氢键相互作用来识别TSR（Valero González等。, 2016). 同时，PoFUT1使用一个充满水的腔体来容纳EGF回路C¹–C²（李等。, 2017)虽然主要的相互作用依赖于酶与其蛋白质底物之间的保守直接氢键。

5.PoFUT1和PoFUT2的催化机理

三元配合物还提供了对这两种酶如何实现催化作用的更好理解。这些蛋白质正在转化GT，这意味着受体Ser/Thr从离开核苷酸的另一侧对核苷酸糖的异聚体C原子进行亲核攻击。因此，这一作用逆转了异聚体立体化学（莱森等。2008年). 在这种机制中，需要通过催化碱（通常是天冬氨酸或谷氨酸）对受体羟基进行脱质子，以增加受体残基的亲核性，这是受体攻击异聚体C原子（莱森等。2008年; 布雷顿等。, 2012). 而作为催化碱的氨基酸存在于PoFUT2中（Glu54/Glu52存在于人类PoFUT1和总工程师PoFUT2），在PoFUT1中未发现等效残留物。如预期，Glu54和Arg294在Hs公司PoFUT2揭示了这两种氨基酸对催化活性（陈）等。, 2012). 此外总工程师PoFUT2–GDP–Hs公司TSR1复合体，与分子动力学，支持谷氨酸盐作为催化碱的作用。在这个晶体结构，Glu52与受体丝氨酸形成氢键Hs公司TSR1重复（Valero-González等。, 2016). 总的来说，这些数据支持S_N个PoFUT2的2类机构（图5b条)，这是大多数转化糖基转移酶的典型机制（莱森等。2008年).

图5 PoFUT1和PoFUT2的催化机理。(一)S系列N个提出了PoFUT1的类1催化机理。注意，水介导的质子转移也可能促进上述机制。(b条)S系列N个为PoFUT2提出了类似于2的机制。

相反，S_N个针对PoFUT1提出了类1机制（图5一)其中Asn43总工程师PoFUT1定位传入受体，Arg240通过与β-磷酸基团（Lira-Navarrete等。, 2011). 米氏复合体嗯PoFUT1还支持S_N个1类机制，并确认类似的安排如上所述。中的等效残留物嗯PoFUT1、Asn51和Arg245与受体残基和β-磷酸基团。Arg240型^{总工程师PoFUT1型}/银245^嗯PoFUT1型也可以通过稳定国内生产总值来促进反应。此外，受体羟基靠近水分子，水分子与β-磷酸盐O原子。与S一致_N个类似于1的机制，这种水分子可以通过提供质子继电器来促进催化作用，将受体羟基质子输送到GDPβ-磷酸盐O原子，用作催化碱（Li等。, 2017). 这个反应机理PoFUT1与PoFUT2的不同之处在于，它包括糖苷键的事先裂解，以及预激活受体羟基对异丙基C原子的攻击。

6.最后备注

PoFUT1和PoFUT2是糖基转移酶，它们具有很大的相似性，包括相同类型PTM的催化作用、结构和对富含半胱氨酸重复序列的蛋白质的识别（Chen等。, 2012; 施耐德等。, 2017). 然而，由于EGF重复序列和TSR在结合位点的不同排列方式、EGF重复片段和TSR的识别模式、以及EGF重复段和TSR与TSR之间的相互作用，在一级结构和二级结构水平上存在显著差异反应机理。这些差异解释了为什么这些酶为特定底物服务，并且不能交叉识别其受体底物。PoFUT2已进化为糖基化两组不同的TSR（Kakuda和Haltiwanger，2014). 为此，PoFUT2采用了不同的策略，通过使用介导酶-蛋白质-底物相互作用的水分子网络来识别其TSR（Valero-González等。, 2016). 此外，当S_N个PoFUT2的类2机制被广泛接受用于逆转GTs，即非典型S_N个针对PoFUT1提出的类1机制需要通过额外的实验进行进一步验证。

我们希望这些发现能够用于开发PoFUT1/2抑制剂/调节剂，这将有助于进一步了解PTM在动物模型中的作用以及与这些酶相关的疾病和病理学。