La glicosilación ligada a O 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 se produce después de que se ha sintetizado la proteína. En eucariotas , se presenta en el retículo endoplásmico , 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 a 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 añadidos 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, el control del metabolismo celular y la flexibilidad de los cartílagos y tendones. [2] Debido a las muchas funciones que tienen, los cambios en la O-glicosilación son importantes en muchas enfermedades, como el cáncer , la diabetes y el Alzheimer . La O-glicosilación se produce en todos los ámbitos de la vida, incluidos los eucariotas , las arqueas y una serie debacterias patógenas , incluidas Burkholderia cenocepacia , [3] Neisseria gonorrhoeae [4] y Acinetobacter baumannii . [5]
La adición de N -acetilgalactosamina (GalNAc) a una serina o treonina se produce en el aparato de Golgi , después de que la proteína se ha plegado. [1] [6] El proceso lo realizan enzimas conocidas como GalNAc transferasas (GALNT), de las cuales existen 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 las estructuras, por lo tanto, cambian de una célula a otra. [6] Los azúcares comunes agregados incluyen galactosa , N -acetilglucosamina , fucosa y ácido siálico . Estos azúcares también pueden modificarse mediante la adición de sulfatos o grupos acetilo.
GalNAc se añade a un residuo de serina o treonina de una molécula precursora , mediante la actividad de una enzima GalNAc transferasa. [1] Este precursor es necesario para que el azúcar pueda ser transportado hasta donde se agregará a la proteína. El residuo específico al que se unirá GalNAc no está definido, porque existen numerosas enzimas que pueden agregar el azúcar y cada una favorecerá diferentes residuos. [7] Sin embargo, a menudo hay residuos de prolina (Pro) cerca de la treonina o la serina. [6]
Una vez añadido este azúcar inicial, otras glicosiltransferasas pueden catalizar la adición de azúcares adicionales. Dos de las estructuras más comunes formadas son el Núcleo 1 y el Núcleo 2. El Núcleo 1 se forma mediante la adición de un azúcar galactosa a la GalNAc inicial. El núcleo 2 consta de una estructura del núcleo 1 con un azúcar N -acetilglucosamina (GlcNAc) adicional. [6] Se puede formar una estructura de poli- N -acetilactosamina mediante la adición alterna de azúcares GlcNAc y galactosa al azúcar GalNAc. [6]
Los azúcares terminales de los O-glicanos son importantes para el reconocimiento de las lectinas y desempeñan un papel clave en el sistema inmunológico. La adición de azúcares de fucosa por las fucosiltransferasas forma epítopos de Lewis y el andamio para los determinantes del grupo sanguíneo. La adición de una fucosa sola crea el antígeno H, presente en personas con grupo sanguíneo O. [6] Al agregar una galactosa a esta estructura, se crea el antígeno B del grupo sanguíneo B. Alternativamente, agregar un azúcar GalNAc creará el antígeno A para el 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 más allá de la superficie. [6] Por ejemplo, el receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDL) se proyecta desde la superficie celular mediante una región rigidizada por O-glicanos. [2]
Para que los leucocitos del sistema inmunológico pasen a las células infectadas, tienen que 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 uno de esos ligandos 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 es necesario un epítopo sLex terminal para las interacciones con el receptor. [8]
Las mucinas son un grupo de proteínas fuertemente 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 mucina cambia drásticamente su forma tridimensional 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 las proteínas citoplasmáticas y nucleares que permanecen en la célula, en comparación con las modificaciones de O -GalNAc que generalmente ocurren en las proteínas que serán secretadas. [10] Las modificaciones de O-GlcNAc se descubrieron recientemente, pero el número de proteínas con modificaciones conocidas de O-GlcNAc 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 generalmente no se agregan azúcares a la estructura central y porque el azúcar se puede unir o eliminar de una proteína varias veces. [6] [7] Esta adición y eliminación ocurre en ciclos y es realizada por dos enzimas muy específicas. O-GlcNAc se agrega mediante O-GlcNAc transferasa (OGT) y se elimina mediante O-GlcNAcase (OGA). Debido a que sólo hay dos enzimas que afectan esta modificación específica, están muy reguladas y dependen de muchos otros factores. [11]
Debido a que O-GlcNAc se puede agregar y eliminar, se conoce como modificación dinámica y tiene muchas similitudes con la fosforilación . La O-GlcNAcilación y fosforilación pueden ocurrir en los mismos residuos de treonina y serina, lo que sugiere una relación compleja entre estas modificaciones que puede 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 implicado 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 potenciar el Efecto Warburg , que se define como el cambio que se produce 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 donadora 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] Una diferencia adicional con otras O-glicosilaciones es que el proceso se inicia en el retículo endoplásmico de la célula, en lugar del aparato de Golgi. [1] Sin embargo, se produce una mayor adición de azúcares en el Golgi. [15]
Hasta hace poco se creía que el proceso estaba restringido a los hongos , sin embargo ocurre en todos los ámbitos de la vida; eucariotas, (eu)bacterias y archae(bacteri)a. [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 extracelular e intracelular para anclar la célula en su posición. [17] A esta estructura se le pueden añadir ribitol , xilosa y ácido glucurónico 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 , a los que a menudo se les agrega un grupo hidroxilo para formar hidroxilisina . Debido a esta adición de 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 sólo en los residuos de hidroxilisina en una secuencia específica. [1] [18]
Si bien esta O-galactosilación es necesaria para el funcionamiento correcto de todos los colágenos, es especialmente común en los tipos de colágeno IV y V. [19] En algunos casos, se puede agregar un azúcar 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] Estos fueron descubiertos en Plasmodium falciparum [21] y Toxoplasma gondii . [22]
Varias enzimas diferentes catalizan el alargamiento de la fucosa central, lo que significa que se pueden agregar diferentes azúcares a la fucosa inicial de 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 de EGF se produce entre el segundo y 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 desarrollo, con varios dominios de 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 inusual ligada a O que ocurre en el retículo endoplásmico, catalizada por O-glucosiltransferasas, y también requiere una secuencia definida para agregarse a la proteína. La O-glucosa suele estar unida a residuos de serina entre el primer y 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 glucosaminoglicanos (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 generalmente se encuentran en la superficie celular y en la matriz extracelular (MEC) y son importantes para la resistencia 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 metástasis tumorales. [25]
Existen diferentes tipos de proteoglicanos, dependiendo del azúcar que esté unido al átomo de oxígeno del residuo de la proteína. Por ejemplo, el sulfato de heparán GAG está unido a un residuo de proteína serina a través de un azúcar xilosa . [7] La estructura se amplía con varias unidades de azúcar repetidas de N -acetillactosamina añadidas a la xilosa. Este proceso es inusual y requiere xilosiltransferasas específicas. [6] El sulfato de queratán se une a un residuo de serina o treonina a través de GalNAc y se extiende con dos azúcares de galactosa, seguido de unidades repetidas de ácido glucurónico (GlcA) y GlcNAc. El sulfato de queratán tipo II es especialmente común en el cartílago. [25]
Los azúcares galactosa o glucosa se pueden unir a un grupo hidroxilo de lípidos ceramidas 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.
Debido a que se pueden agregar azúcares galactosa y glucosa al lípido ceramida, tenemos dos grupos de glicoesfingolípidos. Los galactoesfingolípidos generalmente tienen una estructura muy simple y la galactosa central no suele modificarse. Sin embargo, los glucoesfingolípidos a menudo se modifican y pueden volverse mucho más complejos.
La biosíntesis de galacto y glucoesfingolípidos se produce de forma diferente. [6] Se añade glucosa a la ceramida desde su precursor en el retículo endoplásmico, antes de que se produzcan modificaciones adicionales en el aparato de Golgi. [8] La galactosa, por otro lado, se agrega a la ceramida que ya se encuentra en el aparato de Golgi, donde el galactoesfingolípido formado a menudo se sulfata mediante la adición de grupos sulfato. [6]
Uno de los primeros y únicos ejemplos de O-glicosilación en 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 desempeñan funciones importantes en muchas funciones celulares.
Los epítopos de Lewis son importantes para determinar los grupos sanguíneos , y permiten generar una respuesta inmune 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]
El Alzheimer puede verse afectado por la O-glicosilación. Tau, la proteína que se acumula para causar la 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]