La O -glicosilación es la unión de una molécula de azúcar alátomo de oxígeno de los residuos de serina (Ser) o treonina (Thr) en una proteína. La O -glicosilación es una modificación postraduccional que ocurre después de que la proteína ha sido sintetizada. En eucariotas , ocurre en el retículo endoplasmático , el aparato de Golgi y ocasionalmente en el citoplasma ; en procariotas , ocurre en el citoplasma. [1] Se pueden agregar varios azúcares diferentes a la serina o treonina, y afectan la proteína de diferentes maneras al cambiar la estabilidad de la proteína y regular la actividad de la proteína. Los O-glicanos, que son los azúcares agregados a la serina o treonina, tienen numerosas funciones en todo el cuerpo, incluido el tráfico de células en el sistema inmunológico, lo que permite el reconocimiento de material extraño, controla el metabolismo celular y proporciona flexibilidad al cartílago y al tendón. [2] Debido a las muchas funciones que tienen, los cambios en la O-glicosilación son importantes en muchas enfermedades, incluido el cáncer , la diabetes y el Alzheimer . La O-glicosilación ocurre en todos los dominios de la vida, incluidos los eucariotas , las arqueas y variasbacterias patógenas , entre ellas Burkholderia cenocepacia , [3] Neisseria gonorrhoeae [4] y Acinetobacter baumannii . [5]
La adición de N -acetilgalactosamina (GalNAc) a una serina o treonina ocurre en el aparato de Golgi , después de que la proteína se haya plegado. [1] [6] El proceso lo realizan enzimas conocidas como transferasas GalNAc (GALNT), de las que hay 20 tipos diferentes. [6] La estructura inicial de O -GalNAc se puede modificar mediante la adición de otros azúcares u otros compuestos como grupos metilo y acetilo. [1] Estas modificaciones producen 8 estructuras centrales conocidas hasta la fecha. [2] Diferentes células tienen diferentes enzimas que pueden agregar más azúcares, conocidas como glicosiltransferasas , y por lo tanto las estructuras cambian de una célula a otra. [6] Los azúcares comunes añadidos incluyen galactosa , N -acetilglucosamina , fucosa y ácido siálico . Estos azúcares también se pueden modificar mediante la adición de sulfatos o grupos acetilo.
La GalNAc se añade a un residuo de serina o treonina de una molécula precursora , a través de la actividad de una enzima GalNAc transferasa. [1] Este precursor es necesario para que el azúcar pueda ser transportado hasta donde se añadirá a la proteína. El residuo específico al que se unirá la GalNAc no está definido, porque hay numerosas enzimas que pueden añadir el azúcar y cada una favorecerá diferentes residuos. [7] Sin embargo, a menudo hay residuos de prolina (Pro) cerca de la treonina o serina. [6]
Una vez que se ha añadido este azúcar inicial, otras glicosiltransferasas pueden catalizar la adición de azúcares adicionales. Dos de las estructuras más comunes que se forman son el núcleo 1 y el núcleo 2. El núcleo 1 se forma mediante la adición de un azúcar galactosa al GalNAc inicial. El núcleo 2 consta de una estructura de núcleo 1 con un azúcar N -acetilglucosamina (GlcNAc) adicional. [6] Se puede formar una estructura de poli- N -acetil-lactosamina mediante la adición alternada de azúcares GlcNAc y galactosa al azúcar GalNAc. [6]
Los azúcares terminales de los O-glicanos son importantes para su reconocimiento por las lectinas y desempeñan un papel fundamental en el sistema inmunitario. La adición de azúcares de fucosa por parte de las fucosiltransferasas forma epítopos de Lewis y el andamiaje para los determinantes del grupo sanguíneo. La adición de una fucosa sola crea el antígeno H, presente en las personas con tipo sanguíneo O. [6] Al añadir una galactosa a esta estructura, se crea el antígeno B del grupo sanguíneo B. Alternativamente, la adición de un azúcar GalNAc creará el antígeno A del grupo sanguíneo A.
Los azúcares O -GalNAc son importantes en una variedad de procesos, incluida la circulación de leucocitos durante una respuesta inmune, la fertilización y la protección contra microbios invasores . [1] [2]
Los azúcares O -GalNAc son comunes en las glicoproteínas de membrana , donde ayudan a aumentar la rigidez de la región cercana a la membrana para que la proteína se extienda lejos de la superficie. [6] Por ejemplo, el receptor de lipoproteína de baja densidad (LDL) se proyecta desde la superficie celular por una región rigidizada por O-glicanos. [2]
Para que los leucocitos del sistema inmunológico puedan ingresar a las células infectadas, deben interactuar con estas células a través de receptores . Los leucocitos expresan ligandos en su superficie celular para permitir que se produzca esta interacción. [1] El ligando-1 de la glicoproteína P-selectina (PSGL-1) es un ligando de este tipo y contiene una gran cantidad de O-glicanos que son necesarios para su función. Los O-glicanos cerca de la membrana mantienen la estructura alargada y un epítopo sLe x terminal es necesario para las interacciones con el receptor. [8]
Las mucinas son un grupo de proteínas altamente O-glicosiladas que recubren los tractos gastrointestinal y respiratorio para proteger estas regiones de infecciones. [6] Las mucinas tienen carga negativa, lo que les permite interactuar con el agua y evitar que se evapore. Esto es importante en su función protectora, ya que lubrica los tractos para que las bacterias no puedan unirse e infectar el cuerpo. Los cambios en las mucinas son importantes en numerosas enfermedades, incluido el cáncer y la enfermedad inflamatoria intestinal . La ausencia de O-glicanos en las proteínas de mucina cambia su forma tridimensional drásticamente y a menudo impide su funcionamiento correcto. [1] [9]
La adición de N -acetilglucosamina (O-GlcNAc) a los residuos de serina y treonina generalmente ocurre en proteínas citoplasmáticas y nucleares que permanecen en la célula, en comparación con las modificaciones de O -GalNAc que generalmente ocurren en proteínas que serán secretadas. [10] Las modificaciones de O-GlcNAc se descubrieron recientemente, pero el número de proteínas con modificaciones de O-GlcNAc conocidas está aumentando rápidamente. [7] Es el primer ejemplo de glicosilación que no ocurre en proteínas secretoras.
La O -GlcNAcilación se diferencia de otros procesos de O-glicosilación porque normalmente no se añaden azúcares a la estructura central y porque el azúcar se puede unir o quitar de una proteína varias veces. [6] [7] Esta adición y eliminación se produce en ciclos y la llevan a cabo dos enzimas muy específicas. La O-GlcNAc se añade mediante la O-GlcNAc transferasa (OGT) y se elimina mediante la O-GlcNAcase (OGA). Como solo hay dos enzimas que afectan a esta modificación específica, están reguladas de forma muy estricta y dependen de muchos otros factores. [11]
Debido a que la O-GlcNAc se puede agregar y quitar, se la conoce como una modificación dinámica y tiene muchas similitudes con la fosforilación . La O-GlcNAcilación y la fosforilación pueden ocurrir en los mismos residuos de treonina y serina, lo que sugiere una relación compleja entre estas modificaciones que pueden afectar muchas funciones de la célula. [6] [12] La modificación afecta procesos como la respuesta de las células al estrés celular, el ciclo celular, la estabilidad de las proteínas y el recambio de proteínas. Puede estar implicada en enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer de aparición tardía [1] [12] y se ha descubierto que desempeña un papel en la diabetes . [13]
Además, la O-GlcNAcilación puede mejorar el efecto Warburg , que se define como el cambio que ocurre en el metabolismo de las células cancerosas para favorecer su crecimiento. [6] [14] Debido a que tanto la O-GlcNAcilación como la fosforilación pueden afectar residuos específicos y, por lo tanto, ambas tienen funciones importantes en la regulación de las vías de señalización, ambos procesos proporcionan objetivos interesantes para la terapia del cáncer.
La O-manosilación implica la transferencia de una manosa desde una molécula donante de dolicol- P -manosa al residuo de serina o treonina de una proteína. [15] La mayoría de los demás procesos de O-glicosilación utilizan un nucleótido de azúcar como molécula donante. [7] Otra diferencia con otras O-glicosilaciones es que el proceso se inicia en el retículo endoplásmico de la célula, en lugar de en el aparato de Golgi. [1] Sin embargo, la adición posterior de azúcares ocurre en el Golgi. [15]
Hasta hace poco, se creía que el proceso estaba restringido a los hongos , sin embargo, ocurre en todos los dominios de la vida: eucariotas, (eu)bacterias y arqueas(bacterias). [16] La proteína humana O-manosilada mejor caracterizada es el α-distroglicano . [15] Los azúcares O-Man separan dos dominios de la proteína, necesarios para conectar las regiones extracelulares e intracelulares para anclar la célula en su posición. [17] Se pueden agregar ribitol , xilosa y ácido glucurónico a esta estructura en una modificación compleja que forma una larga cadena de azúcar. [8] Esto es necesario para estabilizar la interacción entre el α-distroglicano y la membrana basal extracelular. Sin estas modificaciones, la glicoproteína no puede anclar la célula, lo que conduce a la distrofia muscular congénita (DMC), caracterizada por malformaciones cerebrales graves. [15]
La O-galactosa se encuentra comúnmente en los residuos de lisina del colágeno , que a menudo tienen un grupo hidroxilo añadido para formar hidroxilisina . Debido a esta adición de un oxígeno, la hidroxilisina puede modificarse mediante O-glicosilación. La adición de una galactosa al grupo hidroxilo se inicia en el retículo endoplásmico, pero ocurre predominantemente en el aparato de Golgi y solo en residuos de hidroxilisina en una secuencia específica. [1] [18]
Si bien esta O-galactosilación es necesaria para el correcto funcionamiento de todos los colágenos, es especialmente común en los tipos de colágeno IV y V. [19] En algunos casos, se puede añadir un azúcar de glucosa a la galactosa central. [7]
La adición de azúcares fucosa a residuos de serina y treonina es una forma inusual de O-glicosilación que ocurre en el retículo endoplásmico y está catalizada por dos fucosiltransferasas. [20] Estas fueron descubiertas en Plasmodium falciparum [21] y Toxoplasma gondii . [22]
Varias enzimas diferentes catalizan la elongación de la fucosa central, lo que significa que se pueden agregar diferentes azúcares a la fucosa inicial en la proteína. [20] Junto con la O-glucosilación, la O-fucosilación se encuentra principalmente en los dominios del factor de crecimiento epidérmico (EGF) que se encuentran en las proteínas. [7] La O-fucosilación en los dominios EGF ocurre entre el segundo y el tercer residuo de cisteína conservado en la secuencia de la proteína. [1] Una vez que se ha agregado la O-fucosa central, a menudo se alarga mediante la adición de GlcNAc, galactosa y ácido siálico.
Notch es una proteína importante en el desarrollo, con varios dominios EGF que están O-fucosilados. [23] Los cambios en la elaboración de la fucosa central determinan qué interacciones puede formar la proteína y, por lo tanto, qué genes se transcribirán durante el desarrollo. La O-fucosilación también podría desempeñar un papel en la degradación de proteínas en el hígado. [1]
De manera similar a la O-fucosilación, la O-glucosilación es una modificación ligada a O poco común, ya que se produce en el retículo endoplásmico, catalizada por O-glucosiltransferasas, y también requiere una secuencia definida para ser añadida a la proteína. La O-glucosa suele estar unida a residuos de serina entre el primer y el segundo residuo de cisteína conservado de los dominios EGF, por ejemplo, en los factores de coagulación VII y IX. [7] La O-glucosilación también parece ser necesaria para el plegamiento adecuado de los dominios EGF en la proteína Notch. [24]
Los proteoglicanos consisten en una proteína con una o más cadenas laterales de azúcar, conocidas como glicosaminoglicanos (GAG), unidas al oxígeno de los residuos de serina y treonina. [25] Los GAG consisten en largas cadenas de unidades de azúcar repetidas. Los proteoglicanos se encuentran generalmente en la superficie celular y en la matriz extracelular (ECM), y son importantes para la fuerza y flexibilidad del cartílago y los tendones. La ausencia de proteoglicanos se asocia con insuficiencia cardíaca y respiratoria, defectos en el desarrollo esquelético y aumento de la metástasis tumoral. [25]
Existen diferentes tipos de proteoglicanos, dependiendo del azúcar que esté unido al átomo de oxígeno del residuo en la proteína. Por ejemplo, el heparán sulfato GAG se une a un residuo de serina de la proteína a través de un azúcar xilosa . [7] La estructura se extiende con varias unidades de azúcar repetitivas de N -acetil-lactosamina añadidas a la xilosa. Este proceso es inusual y requiere xilosiltransferasas específicas. [6] El queratán sulfato se une a un residuo de serina o treonina a través de GalNAc, y se extiende con dos azúcares galactosa, seguidos de unidades repetitivas de ácido glucurónico (GlcA) y GlcNAc. El queratán sulfato de tipo II es especialmente común en el cartílago. [25]
Los azúcares galactosa o glucosa se pueden unir a un grupo hidroxilo de los lípidos de ceramida en una forma diferente de O-glicosilación, ya que no ocurre en las proteínas. [6] Esto forma glicoesfingolípidos , que son importantes para la localización de receptores en las membranas. [8] La descomposición incorrecta de estos lípidos conduce a un grupo de enfermedades conocidas como esfingolipidosis , que a menudo se caracterizan por neurodegeneración y discapacidades del desarrollo.
Dado que tanto la galactosa como la glucosa se pueden añadir al lípido de ceramida, tenemos dos grupos de glicoesfingolípidos. Los galactoesfingolípidos suelen tener una estructura muy simple y la galactosa central no suele modificarse. Los glucoesfingolípidos, sin embargo, suelen modificarse y pueden volverse mucho más complejos.
La biosíntesis de los galacto- y glucoesfingolípidos se produce de forma diferente. [6] La glucosa se añade a la ceramida desde su precursor en el retículo endoplasmático, antes de que se produzcan más modificaciones en el aparato de Golgi. [8] La galactosa, por otro lado, se añade a la ceramida ya en el aparato de Golgi, donde el galactoesfingolípido formado suele sulfatarse mediante la adición de grupos sulfato. [6]
Uno de los primeros y únicos ejemplos de O-glicosilación en residuos de tirosina , en lugar de en residuos de serina o treonina, es la adición de glucosa a un residuo de tirosina en la glucogenina . [7] La glucogenina es una glicosiltransferasa que inicia la conversión de glucosa en glucógeno, presente en las células musculares y hepáticas. [26]
Todas las formas de O-glicosilación son abundantes en todo el cuerpo y juegan papeles importantes en muchas funciones celulares.
Los epítopos de Lewis son importantes para determinar los grupos sanguíneos y permiten generar una respuesta inmunitaria si detectamos órganos extraños. Comprenderlos es importante en los trasplantes de órganos . [1]
Las regiones bisagra de las inmunoglobulinas contienen regiones altamente O-glicosiladas entre dominios individuales para mantener su estructura, permitir interacciones con antígenos extraños y proteger la región de la escisión proteolítica. [1] [8]
La O-glicosilación puede afectar al Alzheimer . Tau, la proteína que se acumula para causar neurodegeneración en el Alzheimer, contiene modificaciones de O-GlcNAc que pueden estar implicadas en la progresión de la enfermedad. [1]
Los cambios en la O-glicosilación son extremadamente comunes en el cáncer . Las estructuras de O-glicano, y especialmente los epítopos terminales de Lewis, son importantes para permitir que las células tumorales invadan nuevos tejidos durante la metástasis. [6] Comprender estos cambios en la O-glicosilación de las células cancerosas puede conducir a nuevos enfoques de diagnóstico y oportunidades terapéuticas. [1]