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Proteína O-GlcNAc transferasa

La proteína O -GlcNAc transferasa también conocida como OGT o N-acetilglucosaminiltransferasa ligada a O es una enzima ( EC 2.4.1.255) que en humanos está codificada por el gen OGT . [5] [6] OGT cataliza la adición de la modificación postraduccional O -GlcNAc a las proteínas . [7] [8] [9] [10] [5] [11]

Nomenclatura

Otros nombres incluyen:

Nombre sistemático: UDP- N -α-acetil -d- glucosamina:[proteína]-3- O - N -acetil-β- d -glucosaminil transferasa

Función

Glicosiltransferasa

La OGT cataliza la adición de una única N -acetilglucosamina a través de un enlace O -glicosídico a la serina o treonina y un enlace S -glicosídico a los residuos de cisteína [12] [13] de proteínas nucleocitoplasmáticas. Dado que tanto la fosforilación como la O -GlcNAcilación compiten por residuos de serina o treonina similares, los dos procesos pueden competir por sitios o pueden alterar la especificidad del sustrato de sitios cercanos por efectos estéricos o electrostáticos. Para este gen se han encontrado dos variantes de transcripción que codifican isoformas citoplasmáticas y mitocondriales. [6] OGT glicosila muchas proteínas, incluidas: histona H2B , [14] AKT1 , [15] PFKL , [16] KMT2E/MLL5, [16] MAPT / TAU , [17] factor C1 de la célula huésped , [18] y SIN3A . [19]

La O -GlcNAc transferasa es parte de una serie de funciones biológicas dentro del cuerpo humano. La OGT participa en la resistencia a la insulina en las células musculares y los adipocitos al inhibir la fosforilación de treonina 308 de AKT1, aumentar la tasa de fosforilación de IRS1 (en la serina 307 y la serina 632/635), reducir la señalización de la insulina y glicosilar los componentes de las señales de la insulina. [20] Además, la O -GlcNAc transferasa cataliza la glicosilación intracelular de residuos de serina y treonina con la adición de N -acetilglucosamina. Los estudios muestran que los alelos OGT son vitales para la embriogénesis y que la OGT es necesaria para la glicosilación intracelular y la vitalidad de las células madre embrionarias . [21] La O -GlcNAc transferasa también cataliza la modificación postraduccional que modifica los factores de transcripción y la ARN polimerasa II , sin embargo, la función específica de esta modificación se desconoce en gran medida. [22]

proteasa

OGT escinde el factor C1 de la célula huésped en una o más de 6 secuencias repetidas de 26 aminoácidos. El dominio TPR de OGT se une a la porción carboxilo terminal de una repetición proteolítica de HCF1, de modo que la región de escisión está en el sitio activo de la glicosiltransferasa encima de uridina-difosfato-GlcNAc [11]. La gran proporción de OGT complejada con HCF1 es necesaria para la escisión de HCF1. y se requiere HCFC1 para la estabilización de OGT en el núcleo. HCF1 regula la estabilidad de OGT mediante un mecanismo postranscripcional; sin embargo, aún se desconoce el mecanismo de interacción con HCFC1. [23]

Estructura

El gen OGT humano tiene 1046 residuos de aminoácidos y es un heterotrímero que consta de dos subunidades de 110 kDa y una subunidad de 78 kDa. [10] La subunidad de 110 kDa contiene 13 repeticiones de tetratricopéptidos (TPR); la decimotercera repetición está truncada. Estas subunidades están dimerizadas por las repeticiones 6 y 7 de TPR. La OGT se expresa altamente en el páncreas y también en el corazón , el cerebro , el músculo esquelético y la placenta . Se han encontrado trazas en el pulmón y el hígado . [5] Los sitios de unión se han determinado para la subunidad de 110 kDa. Tiene tres sitios de unión en los residuos de aminoácidos 849, 852 y 935. El probable sitio activo está en el residuo 508. [16]

La estructura cristalina de la O -GlcNAc transferasa no se ha estudiado bien, pero se ha investigado la estructura de un complejo binario con UDP y un complejo ternario con UDP y un sustrato peptídico . [11] El complejo OGT-UDP contiene tres dominios en su región catalítica: el dominio amino ( N ), el dominio carboxi ( C )-terminal y el dominio intermedio (Int-D). La región catalítica está unida a las repeticiones de TPR mediante una hélice de traducción (H3), que forma un bucle desde el dominio C -cat al dominio N -cat a lo largo de la superficie superior de la región catalítica. [11] El complejo OGT-UDP-péptido tiene un espacio más grande entre el dominio TPR y la región catalítica que el complejo OGT-UDP. El péptido CKII, que contiene tres residuos de serina y un residuo de treonina, se une en este espacio. En 2021, un análisis CryoEM de 5 Å reveló la relación entre los dominios catalíticos [24] y las regiones TPR intactas, lo que confirma la disposición de los dímeros observada por primera vez en la estructura de rayos X de TPR solo. Esta estructura respalda un mecanismo bi-bi secuencial ordenado que coincide con el hecho de que "a concentraciones de péptido saturadas, se obtuvo un patrón de inhibición competitivo para UDP con respecto a UDP-GlcNAc". [11]

Mecanismo de catálisis

El mecanismo molecular de la N -acetilglucosamina transferasa unida a O tampoco se ha estudiado exhaustivamente, ya que no existe una estructura cristalina confirmada de la enzima. Un mecanismo propuesto por Lazarus et al. está respaldado por patrones de inhibición del producto de UDP en condiciones de saturación de péptidos. Este mecanismo se produce con materiales de partida uridina difosfato N -acetilglucosamina y una cadena peptídica con un grupo hidroxilo de serina o treonina reactivo . La reacción propuesta es un mecanismo bi-bi secuencial ordenado. [11]

Figura 2: El mecanismo catalítico propuesto de la O -GlcNAc transferasa. Es un mecanismo bi-bi secuencial ordenado con un solo paso, sin incluir la transferencia de protones. El péptido está representado por un residuo de serina con un grupo hidroxilo reactivo. [11]

La reacción química se puede escribir como:

  1. UDP- N -acetil- D -glucosamina + [proteína]- L -serina → UDP + [proteína]-3- O -( N -acetil- D -glucosaminil)- L -serina
  2. UDP- N -acetil- D -glucosamina + [proteína]- L -treonina → UDP + [proteína]-3- O -( N -acetil- D- glucosaminil)- L -treonina

Primero, el grupo hidroxilo de la serina es desprotonado por la histidina 498, una base catalítica en esta reacción propuesta. La lisina 842 también está presente para estabilizar el resto UDP . Luego, el ion oxígeno ataca el enlace azúcar-fosfato entre la glucosamina y la UDP. Esto da como resultado la división de UDP- N -acetilglucosamina en N -acetilglucosamina – péptido y UDP. Las transferencias de protones tienen lugar en el fosfato y la histidina 498. Este mecanismo es estimulado por el gen OGT que contiene N -acetilglucosamina transferasa unida a O. Aparte de las transferencias de protones, la reacción se desarrolla en un solo paso, como se muestra en la Figura 2. [11] La Figura 2 utiliza un residuo de serina solitario como representante del péptido con un grupo hidroxilo reactivo. La treonina también podría haberse utilizado en el mecanismo.

Inhibidores

Se han informado muchos inhibidores de la actividad enzimática de OGT. La inhibición de OGT da como resultado una regulación negativa global de O -GlcNAc. Las células parecen regular al alza la OGT y regular a la baja la OGA en respuesta a la inhibición de la OGT. [25]

5S-GlcNAc

Ac 4 5 S -GlcNAc se convierte intracelularmente en UDP-5 S -GlcNAc, un inhibidor análogo de sustrato de OGT. La OGT no utiliza eficientemente UDP-5 S -GlcNAc como azúcar donante, posiblemente debido a la distorsión del anillo de piranosa por la sustitución del oxígeno por azufre. [25] Como otras glicosiltransferasas utilizan UDP-GlcNAc como azúcar donante, UDP-5 S -GlcNAc tiene algunos efectos no específicos sobre la glicosilación de la superficie celular. [26]

OSMI

OSMI-1 se identificó por primera vez a partir de un cribado de alto rendimiento mediante polarización de fluorescencia . [26] Una mayor optimización condujo al desarrollo de OSMI-2, OSMI-3 y OSMI-4, que se unen a OGT con baja afinidad nanomolar. La cristalografía de rayos X mostró que la estructura de quinolinona-6-sulfonamida de los compuestos OSMI actúa como un mimético de uridina . OSMI-2, OSMI-3 y OSMI-4 tienen grupos carboxilato cargados negativamente; la esterificación hace que estos inhibidores sean permeables a las células. [27]

Regulación

Figura 3: Competencia dinámica entre glicosilación y fosforilación de proteínas. A: Competencia entre OGT y quinasa por el grupo funcional serina o treonina de una proteína. B: ocupación de sitios adyacentes donde la O -GlcNAc y la O -fosfatasa se encuentran una al lado de la otra y pueden influir recíprocamente en el recambio o la función de las proteínas. El círculo G representa un grupo N -acetilglucosamina y el círculo P representa un grupo fosfato. Figura adaptada de Hart. [28]

La O -GlcNAc transferasa es parte de una competencia dinámica por un grupo funcional hidroxilo de serina o treonina en una unidad peptídica. La Figura 3 muestra un ejemplo de ocupación recíproca del mismo sitio y de ocupación de sitios adyacentes. Para la ocupación del mismo sitio, OGT compite con la quinasa para catalizar la glicosilación de la proteína en lugar de la fosforilación. El ejemplo de ocupación del sitio adyacente muestra la proteína desnuda catalizada por OGT convertida en una glicoproteína , que puede aumentar el recambio de proteínas como el represor tumoral p53. [28]

La modificación postraduccional de proteínas por O -GlcNAc es estimulada por el flujo de glucosa a través de la vía biosintética de hexosamina . OGT cataliza la unión del grupo O -GlcNAc a la serina y treonina, mientras que la O -GlcNAcasa estimula la eliminación de azúcar . [29] [30]

Esta regulación es importante para múltiples procesos celulares, incluida la transcripción , la transducción de señales y la degradación proteasomal. Además, existe una regulación competitiva entre la OGT y la quinasa para que la proteína se una a un grupo fosfato u O -GlcNAc, lo que puede alterar la función de las proteínas en el cuerpo a través de efectos posteriores. [16] [29] La OGT inhibe la actividad de la 6-fosfofructosequinasa PFKL al mediar en el proceso de glicosilación. Esto luego actúa como parte de la regulación de la glucólisis . O -GlcNAc se ha definido como un regulador de transcripción negativo en respuesta a la señalización de hormonas esteroides. [20]

Los estudios muestran que la O -GlcNAc transferasa interactúa directamente con la enzima Ten eleven translocación 2 ( TET2 ), que convierte la 5-metilcitosina en 5-hidroximetilcitosina y regula la transcripción genética. [31] Además, los niveles crecientes de OGT para O -GlcNAcilación pueden tener efectos terapéuticos para los pacientes con enfermedad de Alzheimer. El metabolismo de la glucosa cerebral se ve afectado en la enfermedad de Alzheimer y un estudio sugiere que esto conduce a la hiperfosforilación de tau y a la degerenación de la O -GlcNCAcilación de tau. La reposición de tau O -GlcNacilación en el cerebro junto con la proteína fosfatasa podría impedir este proceso y mejorar el metabolismo de la glucosa en el cerebro. [17]

Ver también

Referencias

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