La N -glicosilación es la unión de un oligosacárido , un carbohidrato que consiste en varias moléculas de azúcar, a veces también denominado glicano , a un átomo de nitrógeno (elnitrógeno amida de un residuo de asparagina (Asn) de una proteína ), en un proceso llamado N -glicosilación , estudiado en bioquímica . [1] La proteína resultante se llama N-glicano , o simplemente N-glicano .
Este tipo de enlace es importante tanto para la estructura [2] como para la función [3] de muchas proteínas eucariotas. El proceso de glicosilación ligada a N ocurre en eucariotas y ampliamente en arqueas , pero muy raramente en bacterias . La naturaleza de los glicanos ligados a N unidos a una glicoproteína está determinada por la proteína y la célula en la que se expresa. [4] También varía entre especies . Diferentes especies sintetizan diferentes tipos de glicanos ligados a N.
Hay dos tipos de enlaces involucrados en una glicoproteína: los enlaces entre los residuos de sacáridos en el glicano y el enlace entre la cadena de glicano y la molécula de proteína.
Las fracciones de azúcar están unidas entre sí en la cadena de glicano a través de enlaces glucosídicos . Estos enlaces se forman típicamente entre los carbonos 1 y 4 de las moléculas de azúcar. La formación de enlaces glucosídicos es desfavorable desde el punto de vista energético, por lo que la reacción está acoplada a la hidrólisis de dos moléculas de ATP . [4]
Por otra parte, la unión de un residuo de glicano a una proteína requiere el reconocimiento de una secuencia de consenso . Los glicanos N -ligados casi siempre están unidos al átomo de nitrógeno de una cadena lateral de asparagina (Asn) que está presente como parte de la secuencia de consenso Asn–X– Ser / Thr , donde X es cualquier aminoácido excepto prolina (Pro). [4]
En las células animales, el glicano unido a la asparagina es casi inevitablemente N -acetilglucosamina (GlcNAc) en la configuración β. [4] Este enlace β es similar al enlace glucosídico entre las fracciones de azúcar en la estructura del glicano, como se describió anteriormente. En lugar de estar unido a un grupo hidroxilo de azúcar, el átomo de carbono anomérico está unido a un nitrógeno de amida. La energía necesaria para este enlace proviene de la hidrólisis de una molécula de pirofosfato . [4]
La biosíntesis de los glicanos N -ligados se produce a través de tres pasos principales: [4]
La síntesis, la transferencia en bloque y el recorte inicial del oligosacárido precursor se producen en el retículo endoplasmático (RE). El procesamiento y la modificación posteriores de la cadena de oligosacáridos se llevan a cabo en el aparato de Golgi .
La síntesis de glicoproteínas se realiza, por tanto, espacialmente separada en diferentes compartimentos celulares. Por lo tanto, el tipo de N -glicano sintetizado depende de su accesibilidad a las diferentes enzimas presentes en estos compartimentos celulares.
Sin embargo, a pesar de la diversidad, todos los N -glicanos se sintetizan a través de una vía común con una estructura de glicano central común. [4] La estructura de glicano central está formada esencialmente por dos residuos de N -acetil glucosamina y tres manosa . Este glicano central se elabora y modifica posteriormente, lo que da como resultado una gama diversa de estructuras de N -glicano. [4]
El proceso de glicosilación ligada a N comienza con la formación del azúcar GlcNAc ligado al dolicol . El dolicol es una molécula lipídica compuesta por unidades repetidas de isopreno . Esta molécula se encuentra unida a la membrana del RE. Las moléculas de azúcar están unidas al dolicol a través de un enlace pirofosfato [4] (un fosfato estaba originalmente ligado al dolicol y el segundo fosfato provenía del azúcar nucleótido ). Luego, la cadena de oligosacáridos se extiende mediante la adición de varias moléculas de azúcar de manera gradual para formar un oligosacárido precursor.
El ensamblaje de este oligosacárido precursor ocurre en dos fases: Fase I y II. [4] La Fase I tiene lugar en el lado citoplasmático del RE y la Fase II tiene lugar en el lado luminal del RE.
La molécula precursora, lista para ser transferida a una proteína, consta de dos moléculas de GlcNAc, nueve manosa y tres moléculas de glucosa .
Una vez formado el oligosacárido precursor, el glicano completo se transfiere al polipéptido naciente en el lumen de la membrana del RE. Esta reacción es impulsada por la energía liberada a partir de la ruptura del enlace pirofosfato entre la molécula de dolicol-glicano. Hay tres condiciones que se deben cumplir antes de que un glicano se transfiera a un polipéptido naciente: [4]
La oligosacariltransferasa es la enzima responsable del reconocimiento de la secuencia consenso y de la transferencia del glicano precursor a un aceptor polipeptídico que se está traduciendo en el lumen del retículo endoplasmático. La N -glicosilación es, por tanto, un evento co-traduccional.
El procesamiento de los N -glicanos se lleva a cabo en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi. El recorte inicial de la molécula precursora se produce en el RE y el procesamiento posterior se produce en el aparato de Golgi.
Al transferir el glicano completo al polipéptido naciente, se eliminan dos residuos de glucosa de la estructura. Las enzimas conocidas como glicosidasas eliminan algunos residuos de azúcar. Estas enzimas pueden romper los enlaces glicosídicos utilizando una molécula de agua. Estas enzimas son exoglicosidasas, ya que solo funcionan en residuos de monosacáridos ubicados en el extremo no reductor del glicano. [4] Se cree que este paso de recorte inicial actúa como un paso de control de calidad en el RE para monitorear el plegamiento de proteínas .
Una vez que la proteína se pliega correctamente, las glucosidasas I y II eliminan dos residuos de glucosa . La eliminación del tercer residuo de glucosa final indica que la glicoproteína está lista para el tránsito desde el RE hasta el cis -Golgi. [4] La manosidasa del RE cataliza la eliminación de esta glucosa final. Sin embargo, si la proteína no se pliega correctamente, los residuos de glucosa no se eliminan y, por lo tanto, la glicoproteína no puede salir del retículo endoplasmático. Una proteína chaperona ( calnexina / calreticulina ) se une a la proteína desplegada o parcialmente plegada para ayudar al plegamiento de la proteína.
El siguiente paso implica la adición y eliminación de residuos de azúcar en el cis-Golgi. Estas modificaciones son catalizadas por glicosiltransferasas y glicosidasas respectivamente. En el cis -Golgi, una serie de manosidasas eliminan algunos o todos los cuatro residuos de manosa en los enlaces α-1,2. [4] Mientras que en la porción medial del Golgi, las glicosiltransferasas agregan residuos de azúcar a la estructura central del glicano, dando lugar a los tres tipos principales de glicanos: glicanos con alto contenido de manosa, híbridos y complejos.
El orden de adición de azúcares a las cadenas de glicanos en crecimiento está determinado por las especificidades del sustrato de las enzimas y su acceso al sustrato a medida que avanzan por la vía secretora . Por lo tanto, la organización de esta maquinaria dentro de una célula desempeña un papel importante a la hora de determinar qué glicanos se producen.
Las enzimas del aparato de Golgi desempeñan un papel fundamental en la determinación de la síntesis de los distintos tipos de glicanos. El orden de acción de las enzimas se refleja en su posición en el aparato de Golgi:
Se han encontrado vías de biosíntesis de N -glicano similares en procariotas y arqueas. [6] Sin embargo, en comparación con los eucariotas, la estructura final del glicano en eubacterias y arqueas no parece diferir mucho del precursor inicial elaborado en el retículo endoplasmático. En los eucariotas, el oligosacárido precursor original se modifica ampliamente en el camino hacia la superficie celular. [4]
Los glicanos N -ligados tienen funciones intrínsecas y extrínsecas. [4] [7]
Dentro del sistema inmunológico, los glicanos ligados a N en la superficie de una célula inmune ayudarán a dictar el patrón de migración de la célula, por ejemplo, las células inmunes que migran a la piel tienen glicosilaciones específicas que favorecen el retorno a ese sitio. [8] Los patrones de glicosilación en las diversas inmunoglobulinas, incluidas IgE, IgM, IgD, IgA e IgG, les otorgan funciones efectoras únicas al alterar sus afinidades por Fc y otros receptores inmunes. [8] Los glicanos también pueden estar involucrados en la discriminación de "propio" y "no propio", lo que puede ser relevante para la fisiopatología de varias enfermedades autoinmunes. [8]
En algunos casos, la interacción entre el N-glicano y la proteína estabiliza la proteína a través de efectos electrónicos complejos. [11]
Los cambios en la glicosilación ligada a N se han asociado con diferentes enfermedades, incluidas la artritis reumatoide , [12] la diabetes tipo 1 , [13] la enfermedad de Crohn , [14] y los cánceres. [15] [16]
Las mutaciones en dieciocho genes implicados en la N -glicosilación dan lugar a una variedad de enfermedades, la mayoría de las cuales afectan al sistema nervioso . [3] [16]
Muchas proteínas terapéuticas que se comercializan son anticuerpos , que son glucoproteínas ligadas a N. Por ejemplo, Etanercept , Infliximab y Rituximab son proteínas terapéuticas glucosiladas a N.
La importancia de la glicosilación ligada a N se está volviendo cada vez más evidente en el campo de los productos farmacéuticos . [17] Aunque los sistemas de producción de proteínas bacterianas o de levadura tienen ventajas potenciales significativas, como alto rendimiento y bajo costo, surgen problemas cuando la proteína de interés es una glicoproteína. La mayoría de los sistemas de expresión procariotas, como E. coli, no pueden llevar a cabo modificaciones postraduccionales . Por otro lado, los huéspedes de expresión eucariotas, como la levadura y las células animales, tienen diferentes patrones de glicosilación. Las proteínas producidas en estos huéspedes de expresión a menudo no son idénticas a la proteína humana y, por lo tanto, causan reacciones inmunogénicas en los pacientes. Por ejemplo, S. cerevisiae (levadura) a menudo produce glicanos con alto contenido de manosa que son inmunogénicos.
Los sistemas de expresión de mamíferos no humanos, como las células CHO o NS0, tienen la maquinaria necesaria para agregar glicanos complejos de tipo humano. Sin embargo, los glicanos producidos en estos sistemas pueden diferir de los producidos en humanos, ya que pueden estar protegidos tanto con ácido N -glicolilneuramínico (Neu5Gc) como con ácido N -acetilneuramínico (Neu5Ac), mientras que las células humanas solo producen glicoproteínas que contienen ácido N -acetilneuramínico. Además, las células animales también pueden producir glicoproteínas que contienen el epítopo galactosa-alfa-1,3-galactosa , que puede inducir reacciones alérgicas graves, incluido el shock anafiláctico , en personas que tienen alergia a la alfa-gal .
Estos inconvenientes se han abordado mediante diversos enfoques, como la eliminación de las vías que producen estas estructuras de glicanos mediante knockouts genéticos. Además, se han diseñado genéticamente otros sistemas de expresión para producir glicoproteínas terapéuticas con glicanos N -ligados similares a los humanos. Estos incluyen levaduras como Pichia pastoris , [18] líneas celulares de insectos, plantas verdes, [19] e incluso bacterias.