Siarczan heparanu - Heparan sulfate

Wzór struktury podjednostki siarczanu heparanu

Siarczan heparanu ( HS ) to liniowy polisacharyd występujący we wszystkich tkankach zwierzęcych. Występuje jako proteoglikan (HSPG, czyli Heparan Sulfate ProteoGlycan), w którym dwa lub trzy łańcuchy HS są przyłączone w bliskiej odległości od powierzchni komórki lub białek macierzy zewnątrzkomórkowej . W tej formie HS wiąże się z różnymi ligandami białkowymi , w tym Wnt , i reguluje szeroki zakres czynności biologicznych, w tym procesy rozwojowe, angiogenezę , krzepnięcie krwi , znosząc aktywność odrywania przez GrB (Granzym B) i przerzuty nowotworowe . Wykazano również, że HS służy jako receptor komórkowy dla wielu wirusów, w tym wirusa syncytialnego układu oddechowego . Jedno z badań sugeruje, że komórkowy siarczan heparanu odgrywa rolę w zakażeniu SARS-CoV-2, szczególnie gdy wirus przyłącza się do ACE2.

Proteoglikany

Głównymi HSPGs błony komórkowej są transmembranowe syndecans i glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI) zakotwiczone glipikanów . Inne mniejsze formy błonowego HSPG obejmują betaglikan i izoformę V-3 CD44 obecne na keratynocytach i aktywowanych monocytach .

W macierzy zewnątrzkomórkowej, zwłaszcza błonach podstawnych , głównymi gatunkami zawierającymi HS są wielodomenowe białka rdzeniowe: perlekan , agryna i kolagen XVIII .

Struktura i różnice w stosunku do heparyny

Siarczan heparanu należy do rodziny węglowodanów glikozaminoglikanów i jest bardzo blisko spokrewniony z heparyną . Heparyna, powszechnie znana jako antykoagulant, jest wysoce siarczanową formą HS, która w przeciwieństwie do HS występuje głównie w ziarnistościach wydzielniczych komórek tucznych. Oba składają się ze zmiennie siarczanowanej, powtarzającej się jednostki disacharydowej . Poniżej przedstawiono główne jednostki disacharydowe występujące w siarczanie heparanu i heparynie.

Najpowszechniejsza jednostka disacharydowa w siarczanie heparanu składa się z kwasu glukuronowego (GlcA) połączonego z N- acetyloglukozaminą (GlcNAc), zazwyczaj stanowiąc około 50% wszystkich jednostek disacharydowych. Porównaj to z heparyną, gdzie IdoA(2S)-GlcNS(6S) stanowi 85% heparyn z płuc wołowych i około 75% heparyn z błony śluzowej jelit świni. Problemy pojawiają się podczas definiowania hybrydowych GAG, które zawierają zarówno struktury „heparynopodobne”, jak i „podobne do HS”. Zasugerowano, że GAG ​​powinien kwalifikować się jako heparyna tylko wtedy, gdy jego zawartość grup N-siarczanowych znacznie przewyższa zawartość grup N-acetylowych, a stężenie grup O-siarczanowych przekracza zawartość N-siarczanowych.

Nie pokazano poniżej rzadkich disacharydy zawierające glukozaminę 3-O-siarczanowane (GlcNS (3S, 6S) albo wolną aminową grupę (GlcNH 3 + ). W warunkach fizjologicznych estrów i amidowe grupy siarczanowe deprotonowaniu i przyciągania naładowanych dodatnio przeciwjony do tworzą sól.W tej formie uważa się, że HS istnieje na powierzchni komórki.

  • GlcA-GlcNAc

  • GlcA-GlcNS

  • IdoA-GlcNS

  • IdoA(2S)-GlcNS

  • IdoA-GlcNS(6S)

  • IdoA(2S)-GlcNS(6S)

Skróty

  • GlcA = β- D - kwas glukuronowy
  • IdoA = α- L - kwas iduronowy
  • IdoA(2S) = kwas 2- O -sulfo-α- L- iduronowy
  • GlcNAc = 2-deoksy-2-acetamido-α- D- glukopiranozyl
  • GlcNS = 2-deoksy-2-sulfamido-α- D- glukopiranozyl
  • GlcNS(6S) = 2-deoksy-2-sulfamido-α- D -glukopiranozylo-6- O- siarczan

Biosynteza

Wiele różnych typów komórek wytwarza łańcuchy HS o wielu różnych strukturach podstawowych. W związku z tym istnieje duża zmienność w sposobie syntezy łańcuchów HS, tworząc różnorodność strukturalną objętą terminem „heparanom” - który określa pełny zakres struktur pierwotnych wytwarzanych przez konkretną komórkę, tkankę lub organizm. Jednak kluczowy dla powstania HS, niezależnie od pierwotnej sekwencji, jest szereg enzymów biosyntetycznych. Enzymy te składają się z wielu glikozylotransferaz , sulfotransferaz i epimerazy . Te same enzymy również syntetyzują heparynę .

W latach 80. Jeffrey Esko był pierwszym, który wyizolował i scharakteryzował mutanty komórek zwierzęcych zmienione w tworzeniu siarczanu heparanu. Wiele z tych enzymów zostało już oczyszczonych, sklonowanych molekularnie i zbadano ich wzorce ekspresji. Z tych i wczesnych prac nad podstawowymi etapami biosyntezy HS/heparyny przy użyciu systemu wolnego od komórek tucznych myszy wiele wiadomo o kolejności reakcji enzymatycznych i specyficzności.

Inicjacja łańcucha

Struktury siarczanu heparanu i keratanu, utworzone przez dodanie cukrów ksylozy lub GalNAc do reszt seryny i treoniny białek.

Synteza HS rozpoczyna się wraz z przeniesieniem ksylozy z UDP-ksylozy przez ksylozylotransferazę (XT) do określonych reszt serynowych w rdzeniu białkowym. Przyłączenie dwóch reszt galaktozy (Gal) przez galaktozylotransferazy I i II (GalTI i GalTII) oraz kwasu glukuronowego (GlcA) przez glukuronozylotransferazę I (GlcATI) kończy tworzenie startera tetrasacharydowego O połączonego z seryną białka rdzeniowego:

βGlcUA-(1 →3)-βGal-(1 →3)-βGal-(1 →4)-βXylo- 0- Ser.

Uważa się, że przyłączanie ksylozy do białka rdzeniowego występuje w retikulum endoplazmatycznym (ER), przy czym dalsze składanie regionu łączącego i reszty łańcucha występuje w aparacie Golgiego .

Szlaki biosyntezy HS/heparyny lub siarczanu chondroityny (CS) i siarczanu dermatanu (DS) różnią się po utworzeniu tej wspólnej struktury wiązania tetrasacharydowego. Następny enzym, GlcNAcT-I lub GalNAcT-I, kieruje syntezą, odpowiednio, do HS/heparyny lub CS/DS.

Wydłużenie łańcucha

Po przyłączeniu pierwszej reszty N- acetyloglukozaminy (GlcNAc), wydłużanie łącznika tetrasacharydowego jest kontynuowane przez stopniowe dodawanie reszt GlcA i GlcNAc. Są one przenoszone z odpowiednich nukleotydów cukru UDP. Jest to realizowane przez jeden lub więcej pokrewnych enzymów, których geny są członkami rodziny genów egzostoz (EXT) supresorów nowotworów.

Mutacje w loci genu EXT1-3 u ludzi prowadzą do niezdolności komórek do wytwarzania HS i do rozwoju choroby Mnogie dziedziczne egzostozy (MHE). MHE charakteryzuje się guzami pokrytymi chrząstką, znanymi jako chrzęstniaki lub egzostozy, które rozwijają się głównie na kościach długich dotkniętych chorobą osób od wczesnego dzieciństwa do okresu dojrzewania.

Modyfikacja łańcucha

W trakcie polimeryzacji łańcucha HS przechodzi on szereg reakcji modyfikacji przeprowadzanych przez cztery klasy sulfotransferaz i epimerazę. Dostępność PAPS będącego donorem siarczanu ma kluczowe znaczenie dla aktywności sulfotransferaz.

N-deacetylacja/N-siarczanowanie

Pierwszą modyfikacją polimeru jest N-deacetylacja/N-siarczanowanie reszt GlcNAc do GlcNS. Jest to warunek wstępny dla wszystkich kolejnych reakcji modyfikacji i jest przeprowadzany przez jednego lub więcej członków rodziny czterech enzymów N-deacetylazy/N-sulfotransferazy GlcNAc (NDST). We wczesnych badaniach wykazano, że enzymy modyfikujące mogą rozpoznawać i działać na każdą resztę N-acetylowaną w tworzącym się polimerze. Dlatego modyfikacja reszt GlcNAc powinna zachodzić losowo w całym łańcuchu. Jednak w HS reszty N-siarczanowe są głównie zgrupowane razem i rozdzielone regionami N-acetylacji, gdzie GlcNAc pozostaje niezmodyfikowany.

Istnieją cztery izoformy NDST (NDST1-4). Zarówno aktywności N-deacetylazy, jak i N-sulfotransferazy są obecne we wszystkich izoformach NDST, ale różnią się one znacznie aktywnością enzymatyczną.

Generowanie GlcNH 2

Ze względu na to, że N-deacetylaza i N-sulfotransferaza są prowadzone przez ten sam enzym, N-siarczanowanie jest zwykle ściśle związane z N-acetylowaniem. GlcNH 2 pozostałości z pozornego rozłączania dwóch działaniach zostały znalezione w heparyny i niektóre gatunki HS.

Epimeryzacja i 2-O-siarczanowanie

Epimeryzacja jest katalizowana przez jeden enzym, epimerazę GlcA C5 lub 5-epimerazę heparosan-N-siarczan-glukuronian ( EC 5.1.3.17 ). Enzym ten epimeryzuje GlcA do kwasu iduronowego (IdoA). Rozpoznawanie substratu wymaga, aby reszta GlcN połączona z nieredukującą stroną potencjalnego celu GlcA była N-siarczanowana. Uronosylo-2-O-sulfotransferaza (2OST) siarczanuje powstałe reszty IdoA.

6-O-siarczanowanie

Zidentyfikowano trzy glukozaminylo 6-O-transferazy (6OST), które powodują tworzenie się GlcNS(6S) w sąsiedztwie siarczanowanego lub niesiarczanowanego IdoA. GlcNAc(6S) znajduje się również w dojrzałych łańcuchach HS.

3-O-siarczanowanie

Obecnie siedem glukozaminylo 3 O -sulfotransferases (3OSTs, HS3STs) Wiadomo, że istnieją u ssaków (osiem w danio). Enzymy 3OST tworzą szereg możliwych 3- O- siarczanowych disacharydów, w tym GlcA-GlcNS(3S±6S) (modyfikowane HS3ST1 i HS3ST5 ), IdoA(2S)-GlcNH 2 (3S±6S)(modyfikowane HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST5 i HS3ST6 ) i GlcA/IdoA(2S)-GlcNS(3S) (zmodyfikowane przez HS3ST2 i HS3ST4 ). Podobnie jak w przypadku wszystkich innych sulfotransferaz HS, 3OSTs wykorzystują 3'-fosfoadenozyno-5'- fosfosiarczan (PAPS) jako donor siarczanu. Pomimo tego, że są największą rodziną enzymów modyfikujących HS, 3OSTs wytwarzają najrzadszą modyfikację HS, 3- O- siarczanowanie specyficznych reszt glukozaminy w reszcie C3-OH.

3OSTs dzielą się na dwie funkcjonalne podkategorie, te, które generują miejsce wiązania antytrombiny III ( HS3ST1 i HS3ST5 ) oraz te, które generują miejsce wiązania glikoproteiny D wirusa opryszczki pospolitej 1 (HSV-1 gD) ( HS3ST2 , HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST4 , HS3ST5 i HS3ST6 ). Ponieważ 3OST są największą rodziną enzymów modyfikujących HS, a ich działanie ogranicza szybkość działania, jest specyficzne dla substratu i powoduje rzadkie modyfikacje, postawiono hipotezę, że HS modyfikowany 3OST odgrywa ważną rolę regulacyjną w procesach biologicznych. Wykazano, że 3- O- siarczanowanie może wzmacniać wiązanie Wnt z glipikanem i może odgrywać rolę w regulacji Wnt w raku.

Wiązanie liganda

Siarczan heparanu wiąże się z dużą liczbą białek zewnątrzkomórkowych. Są one często zbiorczo nazywane „interaktomem heparyny” lub „białkami wiążącymi heparynę”, ponieważ są izolowane przez chromatografię powinowactwa na pokrewnej heparynie polisacharydowej, chociaż termin „interaktom siarczanu heparanu” jest bardziej poprawny. Funkcje białek wiążących siarczan heparanu obejmują składniki macierzy zewnątrzkomórkowej, enzymy i czynniki krzepnięcia oraz większość czynników wzrostu, cytokiny, chemokiny i morfogeny. Laboratorium dr Mitchella Ho w NCI wyizolowało ludzkie przeciwciało monoklonalne HS20 o wysokim powinowactwie do heparanu siarczan przez prezentację fagową. Przeciwciało wiąże siarczan heparanu, a nie siarczan chondroityny. Wiązanie HS20 z siarczanem heparanu wymaga siarczanowania zarówno w pozycji C2, jak i C6. HS20 blokuje wiązanie Wnt na siarczanie heparanu, a także hamuje wnikanie zakaźnego patogennego poliomawirusa JC.

Interferon-γ

Region wiążący receptor powierzchniowy interferonu-γ nakłada się z regionem wiążącym HS, w pobliżu C-końca białka. Wiązanie HS blokuje miejsce wiązania receptora, w wyniku czego kompleksy białko-HS są nieaktywne.

Wnt

Glypican-3 (GPC3) oddziałuje zarówno z Wnt, jak i Frizzled, tworząc kompleks i wyzwalając przekazywanie sygnałów. Doświadczalnie ustalono, że Wnt rozpoznaje modif siarczanu heparanu na GPC3, który zawiera IdoA2S i GlcNS6S, oraz że 3-O-siarczanowanie w GlcNS6S3S wzmaga wiązanie Wnt z glipikanem.

Badane są również właściwości wiązania HS szeregu innych białek:

Analog siarczanu heparanu

Główny artykuł: analog siarczanu heparanu

Uważa się, że analogi siarczanu heparanu wykazują identyczne właściwości jak siarczan heparanu, z wyjątkiem tego, że są stabilne w środowisku proteolitycznym, takim jak rana. Ponieważ siarczan heparanu jest rozkładany w ranach przewlekłych przez heparanazę, analogi wiążą tylko te miejsca, w których nie ma naturalnego siarczanu heparanu i nie mogą być rozkładane przez żadne znane heparanazy i glikanazy. Również funkcja analogów siarczanu heparanu jest taka sama jak siarczanu heparanu, chroniąc szereg ligandów białkowych, takich jak czynniki wzrostu i cytokiny. Trzymając je na miejscu, tkanka może następnie wykorzystywać różne ligandy białkowe do proliferacji.

Bibliografia