——跟著Science學習如何進行N-糖基化修飾的機制研究

美國斯坦福大學Rajat Rohatgi研究組發(fā)現(xiàn)，受調(diào)控的N-糖基化控制伴侶蛋白功能和受體轉(zhuǎn)運。這與將N-糖基化視為常規(guī)維護功能的普遍看法相反。研究人員通過N-糖肽組學分析揭示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中一個調(diào)控N-糖基化的新途徑：該途徑由OST-A與HSP90B1（一種膜受體的ER伴侶蛋白）和CCDC134（一種ER腔內(nèi)蛋白）組成，在HSP90B1轉(zhuǎn)運到ER的過程中，其N端肽段引導(dǎo)了包含CCDC134和OST-A的易位復(fù)合體的組裝，該復(fù)合體在折疊期間保護HSP90B1，防止其過度糖基化和降解。該通路對于WNT信號傳導(dǎo)至關(guān)重要，其功能障礙可能導(dǎo)致骨發(fā)育障礙。這一研究結(jié)果于2024年11月8日發(fā)表在Science雜志上，題為“Regulated N-glycosylation controls chaperone function and receptor trafficking"。

研究結(jié)果

基于CRISPR篩選激活WNT/β-catenin信號的基因

使用基于熒光的轉(zhuǎn)錄報告基因，在人類細胞系（RKO）中進行了全基因組的功能缺失CRISPR/Cas9篩選，以鑒定響應(yīng)WNT3A激活WNT/β-catenin信號所需的基因。篩選發(fā)現(xiàn)了許多已知的WNT信號成分： β-catenin, LRP6 （WNT配體的共受體），以及兩種ER伴侶，MESD和HSP90B1，促進LRP5和LRP6 （LRP5/6）在ER中的折疊。篩選還發(fā)現(xiàn)了三個與WNT信號不明確相關(guān)的基因：CCDC134、STT3A和OSTC。

圖1. CRISPR/Cas9篩選鑒定鑒定響應(yīng)WNT3A激活WNT信號傳導(dǎo)的陽性調(diào)節(jié)因子。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶HSP90B1的高度糖基化調(diào)控

敲除STT3A（而不是STT3B）導(dǎo)致HSP90B1的高度糖基化和去穩(wěn)定化。CCDC134和OSTC的敲除也導(dǎo)致HSP90B1的高度糖基化和不穩(wěn)定，此外，STT3A、CCDC134或OSTC的缺失降低了細胞表面WNT共受體LRP6的豐度。高度糖基化的HSP90B1不能折疊成功能蛋白，導(dǎo)致其被ERAD機制標記和降解。N-糖蛋白學顯示STT3A和CCDC134與HSP90B1的N-糖基化具有高度特異性和一致性。

圖2. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白網(wǎng)絡(luò)對HSP90B1的N-糖基化和WNT信號的調(diào)控。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中CCDC134對細胞表面WNT信號的調(diào)控

多種小鼠和人細胞系中CCDC134的敲除導(dǎo)致HSP90B1高度糖基化和不穩(wěn)定。回補實驗表明，使用多西環(huán)素誘導(dǎo)系統(tǒng)可以恢復(fù)CCDC134的表達，抑制HSP90B1高度糖基化并恢復(fù)其豐度。此外，CCDC134的共表達抑制了其過表達引起的HSP90B1高度糖基化，并且在ER應(yīng)激下對HSP90B1具有劑量依賴性的保護作用。CCDC134^-/-細胞表面LRP5/6豐度明顯降低。CCDC134^-/-細胞對WNT配體的反應(yīng)遠低于野生型細胞。CCDC134通過控制LRP5/6 （WNT配體的專性共受體）到細胞表面的運輸來調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的WNT信號。CCDC134^-/-患者的原代成纖維細胞表現(xiàn)出HSP90B1高度糖基化，細胞表面LRP6豐度降低，WNT信號通路受損，所有這些缺陷在CCDC134重新表達后被逆轉(zhuǎn)。

圖3. 在攜帶CCDC134突變的人類患者中 HSP90B1高度糖基化和LRP6。

CCDC134、OST-A和HSP90B1組成的信號通路

與CCDC134或HSP90B1的缺失類似，敲除STT3A（但不包括STT3B）也顯著降低了細胞表面LRP6和WNT信號的強度。值得注意的是，HSP90B15N的表達足以wan全挽救STT3A^-/-細胞中的WNT信號，盡管當OST-A功能喪失時，數(shù)百種膜和分泌蛋白的N-糖基化會發(fā)生改變。與CCDC134^-/-細胞相比，STT3A^-/-細胞中HSP90B1 N-糖基化有顯著差異。前者所有HSP90B1被高度糖基化，而后者只有一小部分被高度糖基化。即使CCDC134豐度大量增加，也無法抑制STT3A^-/-細胞中的HSP90B1高度糖基化。這些數(shù)據(jù)表明，OST- B（STT3A^-/-細胞中唯yi的OST復(fù)合物）在所有序列中默認wan全N-糖基化HSP90B1，并且不能被CCDC134調(diào)節(jié)。在STT3B^-/-細胞中，CCDC134的缺失導(dǎo)致HSP90B1高度糖基化，這表明CCDC134可以調(diào)節(jié)OST-A。在缺乏CCDC134的情況下，與OST-B相比，OST-A對HSP90B1的N-糖基化效率較低。

圖4. 高度糖基化的HSP90B1調(diào)控WNT信號通路

HSP90B1中的N端非結(jié)構(gòu)化肽調(diào)節(jié)其自身的N-糖基化修飾

系統(tǒng)缺失分析表明，HSP90B1的1-93氨基酸，包括ER信號序列和所有前N段，可以影響M結(jié)構(gòu)域遠端序列的N-糖基化修飾。與STT3A^-/-細胞中的HSP90B1相似，HSP90B1- T44A突變體也對CCDC134調(diào)控具有抗性。 HSP90B1的N端1~93個氨基酸，預(yù)計在很大程度上是非結(jié)構(gòu)化的，具有兩個自主的，可轉(zhuǎn)移的特性：它損害在同一多肽中緊隨其后的序列的N糖基化，也賦予CCDC134敏感性。HSP90B1的高度糖基化是由其自身N端、CCDC134和OST-A之間的復(fù)合物調(diào)節(jié)的模型，該復(fù)合物在其翻譯和轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)時組裝。

圖5. HSP90B1的前體N段通過招募CCDC134到含有OST-A的易位子來抑制其自身的N-糖基化。

OST-A作用機制

OST-A的糖基轉(zhuǎn)移酶活性對于抑制HSP90B1過度糖基化并非必需。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們對OST-A功能的傳統(tǒng)理解，提示OST-A可能通過非酶活性的方式參與蛋白質(zhì)的折疊和質(zhì)量控制。研究人員通過構(gòu)建OST-A的突變體，并在細胞中表達這些突變體，發(fā)現(xiàn)即使在OST-A的糖基轉(zhuǎn)移酶活性被抑制的情況下，HSP90B1的糖基化仍然受到抑制，表明OST-A可能通過其他機制調(diào)控HSP90B1的糖基化。OST-A可能不是作為一種酶起作用，而是作為一種支架起作用。

圖6. HSP90B1的穩(wěn)定性和WNT信號傳導(dǎo)不依賴OST-A的寡糖轉(zhuǎn)移酶活性。

文章總結(jié)

一、主要方法

· 利用細胞生物學方法（如免疫印跡、共沉淀、顯微鏡定位）分析蛋白修飾與相互作用。

· 通過突變體（改變N-位點或糖基化酶活性）、化學抑制劑（如抑制糖鏈修剪或加成）調(diào)控糖基化過程。

· 功能性測定包括受體在細胞表面的表達量、配體結(jié)合/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)能力及降解速率等。

· 質(zhì)譜分析糖基化位點、以及生化方法分析糖鏈結(jié)構(gòu)變化。

二、核心發(fā)現(xiàn)

1. N-糖基化是可調(diào)控的，并且其狀態(tài)（是否附有完整糖鏈或是否已被糖苷酶/糖轉(zhuǎn)移酶修飾）決定了伴侶蛋白對底物的識別與結(jié)合強度。

2. 伴侶蛋白（如calnexin/calreticulin）對特定糖基化狀態(tài)的偏好影響其與新生受體蛋白的相互作用時間，從而改變折疊效率與質(zhì)量控制決策（繼續(xù)折疊/進入降解通路）。

3. 改變N-糖基化（通過基因突變或化學干預(yù)）會直接影響某些受體（可能為膜受體或分泌受體）的成熟與從ER到高爾基體及細胞膜的轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致細胞表面受體量和功能發(fā)生變化。

4. 該調(diào)控機制在細胞對壓力或生理信號響應(yīng)時可能被動員，以調(diào)整細胞表面受體數(shù)量或調(diào)節(jié)分泌蛋白的輸出，從而參與更廣泛的細胞功能與適應(yīng)性反應(yīng)。

三、結(jié)論與意義

· N-連接糖基化不僅是結(jié)構(gòu)性修飾，也是動態(tài)調(diào)控蛋白命運的關(guān)鍵信號。

· 通過控制伴侶蛋白與底物的相互作用，糖基化狀態(tài)決定受體是否通過質(zhì)量控制并正確定位到細胞表面。

· 理解這個調(diào)控軸有助于解釋某些遺傳病、代謝或分泌失調(diào)的分子機制，并為開發(fā)針對糖基化或伴侶系統(tǒng)的小分子干預(yù)提供理論依據(jù)。

四、后續(xù)研究方向

· 識別更廣泛的受體/底物譜及其敏感的糖基化位點。

· 解析不同細胞類型或生理狀態(tài)下糖基化調(diào)控的機制（例如糖酶、轉(zhuǎn)移酶的調(diào)控）。

· 開發(fā)藥物以修復(fù)因糖基化異常導(dǎo)致的蛋白折疊或定位缺陷。