Was ist Glykosylierung?
Glykosylierung ist die enzymatische Anheftung von Zuckerketten (Glykanen) an Proteine und Lipide – sie stellt die häufigste posttranslationale Proteinmodifikation dar und ist fundamental für Proteinfaltung, Zellsignalisierung und zelluläre Funktionen. 1
Grundlegende Definition und Mechanismus
Glykosylierung wird definiert als die Synthese vollständig funktioneller Glykane und deren kovalente enzymatische Anheftung an andere Moleküle, einschließlich Proteine, Lipide und kleine RNA. 1 Historisch wurde Glykosylierung als systematische Veränderung von Proteinen im endoplasmatischen Retikulum (ER) und/oder Golgi-Apparat durch Zugabe von Monosacchariden oder Oligosacchariden nach der Synthese beschrieben. 1
Biologische Bedeutung
- Bis zu 70% der Säugetierproteine sind glykosyliert, was die enorme biologische Relevanz dieses Prozesses unterstreicht. 1
- Etwa 2% aller menschlichen Gene sind mit Glykosylierung verbunden, was das Ausmaß dieses Systems verdeutlicht. 1
- Glykosylierung ist die häufigste posttranslationale Proteinmodifikation überhaupt. 1, 2
Haupttypen der Glykosylierung
N-verknüpfte Glykosylierung
- N-Glykane werden an Asparagin-Reste über die Amidgruppe gebunden. 1
- Die N-Glykan-Synthese erfolgt in drei Stadien: 1
- Formation nukleotid-verknüpfter Zucker im Zytosol
- Schrittweise Addition von Monosacchariden und Transfer auf Proteine im ER
- Finale Glykan-Prozessierung im Golgi-Apparat
O-verknüpfte Glykosylierung
- O-Glykane werden an Serin oder Threonin über die Hydroxylgruppe gebunden. 1
- Die O-Glykan-Synthese findet hauptsächlich im Golgi-Apparat statt und konzentriert sich auf die Assemblierung ohne zusätzliche Prozessierung. 1
- Verschiedene O-Glykosylierungstypen existieren, einschließlich klassischer Mucin-Typ, O-GlcNAc, O-verknüpfte Fucose und O-verknüpfte Mannose. 3
Strukturelle Komponenten
Glykanstrukturen bestehen aus verschiedenen Molekülen: 1
- N-Acetylglucosamin (GlcNAc)
- N-Acetylgalactosamin
- Fucose
- Glucose
- Galactose
- Typischerweise mit Sialinsäure abgeschlossen
Die Sialinsäure kann in verschiedenen Verknüpfungen vorliegen, z.B. α2,3 versus α2,6. 1
Funktionelle Bedeutung
Proteinstabilität und Faltung
- Glykosylierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Proteinfaltung, da Stabilität und Faltungskinetik durch Entfernung von Glykanen verändert werden. 4
- Sie beeinflusst nicht nur die thermodynamische Stabilität, sondern auch strukturelle Merkmale gefalteter Proteine und moduliert deren Interaktionen und Funktionen. 4
Zelluläre Prozesse
Glykane haben Schlüsselfunktionen in: 1
- Proteinfaltung
- Zelladhäsion
- Molekularem Trafficking
- Zellsignalisierung
- Modulation der Aktivität verschiedener Oberflächenrezeptoren
Klinische Relevanz
- Glykosylierung moduliert die Aktivität von Gerinnungsfaktoren (FV, FXII, FX). 1
- Aberrante Glykosylierung ist in verschiedene Krankheiten involviert, einschließlich Krebs. 3, 2
- Entfernung terminaler Glykane (z.B. Desialylierung) sind wichtige "Fress-mich"-Signale für Lebermakrophagen und Hepatozyten. 1
Klinische Anwendungen
Therapeutische Proteine
- Glykosylierung ist ein kritisches Qualitätsmerkmal therapeutischer Glykoproteine. 5
- Das Glykosylierungsmuster beeinflusst Stabilität, Sicherheit und Wirksamkeit des Medikaments. 5
- Eine gründliche Charakterisierung sollte durchgeführt werden, sowie eine systematische Kontrolle für jede produzierte Charge. 5
Diagnostische Bedeutung
- Transferrin-Isoform-Analyse wird traditionell zur Diagnose angeborener Glykosylierungsstörungen (CDGs) verwendet. 1
- Über 200 CDGs sind mittlerweile beschrieben, was die klinische Bedeutung von Glykosylierungsdefekten unterstreicht. 1
Wichtige Hinweise
Häufige Fallstricke: Die nicht-templierte Natur und strukturelle Heterogenität der Proteinglykosylierung erschweren die Glykoprotein-Charakterisierung mit traditionellen Methoden. 2 Moderne analytische Techniken, insbesondere Massenspektrometrie, haben die Fähigkeiten zur Entschlüsselung der Glykan-Komplexität verbessert. 2, 5