Heparansulfat - Heparan sulfate

Strukturformel for en heparansulfatsubenhet

Heparansulfat ( HS ) er et lineært polysakkarid som finnes i alt animalsk vev. Det forekommer som en proteoglykan (HSPG, dvs. Heparansulfat ProteoGlycan) der to eller tre HS -kjeder er festet i umiddelbar nærhet av celleoverflaten eller ekstracellulære matriseproteiner . Det er i denne form at HS binder seg til en rekke protein ligander , inkludert Wnt , og regulerer et bredt spekter av biologiske aktiviteter, inkludert utviklingsprosesser, angiogenese , blodkoagulering , avskaffe løsgjøring aktivitet ved GrB (granzyme B), og tumormetastase . HS har også vist seg å fungere som mobilreseptor for en rekke virus, inkludert respiratorisk syncytialvirus . En studie antyder at cellulært heparansulfat har en rolle i SARS-CoV-2-infeksjon, spesielt når viruset fester seg til ACE2.

Proteoglykaner

De viktigste cellemembranen HSPG er transmembrane syndecans og glykosylfosfatidylinositol (GPI) forankrede glypikaner . Andre mindre former for membran-HSPG inkluderer betaglykan og V-3-isoformen av CD44 som er tilstede på keratinocytter og aktiverte monocytter .

I den ekstracellulære matrisen, spesielt kjellermembraner , er multi-domene perlecan , agrin og kollagen XVIII kjerneproteiner de viktigste HS-bærende artene.

Struktur og forskjeller fra heparin

Heparansulfat er medlem av glykosaminoglykanfamilien av karbohydrater og er veldig nært knyttet til strukturen til heparin . Heparin, vanligvis kjent som et antikoagulant, er en høysulfatert form av HS som, i motsetning til HS, hovedsakelig finnes i mastcellesekretoriske granuler. Begge består av en variabelt sulfatert repeterende disakkaridenhet . De viktigste disakkaridenhetene som forekommer i heparansulfat og heparin er vist nedenfor.

Den vanligste disakkaridenheten i heparansulfat består av en glukuronsyre (GlcA) knyttet til N -acetylglukosamin (GlcNAc), som vanligvis utgjør rundt 50% av de totale disakkaridenhetene. Sammenlign dette med heparin, hvor IdoA (2S) -GlcNS (6S) utgjør 85% av heparinene fra oksekjøttlunge og omtrent 75% av de fra svin tarmslimhinnen. Problemer oppstår når man definerer hybrid GAG som inneholder både 'heparinlignende' og 'HS-lignende' strukturer. Det har blitt foreslått at en GAG bare skulle kvalifisere som heparin hvis innholdet av N-sulfatgrupper i stor grad overstiger innholdet av N-acetylgrupper og konsentrasjonen av O-sulfatgrupper overstiger innholdet av N-sulfat.

Ikke vist nedenfor er de sjeldne disakkarider inneholdende en 3-O-sulfatert glucosamin (GlcNS (3S, 6S) eller en fri amingruppe (GlcNH 3 + ). Under fysiologiske betingelser ester og amid- sulfatgrupper deprotonert og tiltrekke positivt ladede motioner til danne et salt. Det er i denne formen at HS antas å eksistere på celleoverflaten.

  • GlcA-GlcNAc

  • GlcA-GlcNS

  • IdoA-GlcNS

  • IdoA (2S) -GlcNS

  • IdoA-GlcNS (6S)

  • IdoA (2S) -GlcNS (6S)

Forkortelser

  • GlcA = β- D - glukuronsyre
  • IdoA = α- L - iduronsyre
  • IdoA (2S) = 2- O- sulfo-α- L- iduronsyre
  • GlcNAc = 2-deoksy-2-acetamido-α- D- glukopyranosyl
  • GlcNS = 2-deoksy-2-sulfamido-α- D- glukopyranosyl
  • GlcNS (6S) = 2-deoksy-2-sulfamido-α- D- glukopyranosyl-6- O- sulfat

Biosyntese

Mange forskjellige celletyper produserer HS -kjeder med mange forskjellige primære strukturer. Derfor er det stor variasjon i måten HS -kjeder syntetiseres, og produserer strukturell mangfold som omfattes av begrepet "heparanom" - som definerer hele spekteret av primære strukturer produsert av en bestemt celle, vev eller organisme. Imidlertid er en rekke biosyntetiske enzymer avgjørende for dannelsen av HS uavhengig av primær sekvens. Disse enzymene består av flere glykosyltransferaser , sulfotransferaser og en epimerase . De samme enzymene syntetiserer også heparin .

På 1980 -tallet var Jeffrey Esko den første som isolerte og karakteriserte dyrecellemutanter som ble endret i sammensetningen av heparansulfat. Mange av disse enzymene er nå renset, molekylært klonet og ekspresjonsmønstrene deres studert. Fra dette og tidlige arbeidet med de grunnleggende stadiene av HS/heparin biosyntese ved bruk av et mus -mastocytom cellefritt system er mye kjent om rekkefølgen av enzymreaksjoner og spesifisitet.

Kjedestart

Strukturer av heparansulfat og keratansulfat, dannet ved tilsetning av henholdsvis xylose- eller GalNAc -sukker på serin- og treoninrester av proteiner.

HS-syntese starter med overføring av xylose fra UDP-xylose av xylosyltransferase (XT) til spesifikke serinrester i proteinkjernen. Festing av to galaktose (Gal) rester av galactosyltransferases I og II (GalTI og GalTII) og glukuronsyre (GlcA) ved glucuronosyltransferase I (GlcATI) fullfører dannelsen av en tetrasakkarid primer O -koblet til en serin av kjerne-protein:

βGlcUA- (1 → 3) -βGal- (1 → 3) -βGal- (1 → 4) -βXyl- O -Ser.

Xylosefeste til kjerneproteinet antas å forekomme i det endoplasmatiske retikulum (ER) med ytterligere montering av koblingsområdet og resten av kjeden som forekommer i Golgi -apparatet .

Veiene for HS/heparin eller kondroitinsulfat (CS) og dermatansulfat (DS) biosyntese avviker etter dannelsen av denne vanlige tetrasakkaridbindingsstrukturen. Det neste enzymet som virker, GlcNAcT-I eller GalNAcT-I, dirigerer syntese, enten til henholdsvis HS/heparin eller CS/DS.

Kjedeforlengelse

Etter festing av den første N -acetylglukosamin (GlcNAc) resten, fortsettes forlengelsen av tetrasakkrid -linkeren ved trinnvis tilsetning av GlcA- og GlcNAc -rester. Disse overføres fra sine respektive UDP-sukkernukleotider. Dette utføres av ett eller flere beslektede enzymer hvis gener er medlemmer av exostoses (EXT) genfamilien til tumorsuppressorer.

Mutasjoner ved EXT1-3-genlokalitet hos mennesker fører til manglende evne til celler til å produsere HS og til utvikling av sykdommen Multiple Hereditary Exostoses (MHE). MHE er preget av bruskhumrede svulster, kjent som osteokondromer eller eksostoser, som først og fremst utvikler seg på de lange beinene til berørte individer fra tidlig barndom til puberteten.

Kjedemodifisering

Når en HS -kjede polymeriserer, gjennomgår den en rekke modifikasjonsreaksjoner utført av fire klasser av sulfotransferaser og en epimerase. Tilgjengeligheten av sulfatdonoren PAPS er avgjørende for sulfotransferasernes aktivitet.

N-deacetylering/N-sulfasjon

Den første polymermodifikasjonen er N-deacetylering/N-sulfasjon av GlcNAc-rester til GlcNS. Dette er en forutsetning for alle påfølgende modifikasjonsreaksjoner, og utføres av ett eller flere medlemmer av en familie på fire GlcNAc N-deacetylase/N-sulfotransferase-enzymer (NDST). I tidlige studier ble det vist at modifiserende enzymer kunne gjenkjenne og virke på eventuelle N-acetylerte rester i den dannende polymeren. Derfor bør modifikasjonen av GlcNAc -rester skje tilfeldig gjennom hele kjeden. I HS er imidlertid N-sulfaterte rester hovedsakelig gruppert sammen og adskilt av områder med N-acetylering der GlcNAc forblir umodifisert.

Det er fire isoformer av NDST (NDST1–4). Både N-deacetylase- og N-sulfotransferase-aktiviteter er tilstede i alle NDST-isoformer, men de skiller seg vesentlig ut i deres enzymatiske aktiviteter.

Generasjon av GlcNH 2

På grunn av at N-deacetylase og N-sulfotransferase blir utført av det samme enzymet, er N-sulfasjon normalt tett koblet til N-acetylering. GlcNH 2 -rester som følge av tilsynelatende frakobling av de to aktivitetene er funnet i heparin og noen arter av HS.

Epimerisering og 2-O-sulfasjon

Epimerisering katalyseres av ett enzym, GlcA C5 epimerase eller heparosan-N-sulfat-glukuronat 5-epimerase ( EC 5.1.3.17 ). Dette enzymet epimeriserer GlcA til iduronsyre (IdoA). Substratgjenkjenning krever at GlcN-resten som er knyttet til den ikke-reduserende siden av et potensielt GlcA-mål, er N-sulfatert. Uronosyl-2-O-sulfotransferase (2OST) sulfaterer de resulterende IdoA-restene.

6-O-sulfasjon

Tre glukosaminyl 6-O-transferaser (6OSTs) er identifisert som resulterer i dannelse av GlcNS (6S) ved siden av sulfaterte eller ikke-sulfaterte IdoA. GlcNAc (6S) finnes også i modne HS -kjeder.

3-O-sulfasjon

For tiden er det kjent at sju glukosaminyl 3- O -sulfotransferaser (3OSTs, HS3STs) finnes hos pattedyr (åtte hos sebrafisk). 3OST-enzymene danner en rekke mulige 3- O- sulfaterte disakkarider, inkludert GlcA-GlcNS (3S ± 6S) (modifisert av HS3ST1 og HS3ST5 ), IdoA (2S) -GlcNH 2 (3S ± 6S) (modifisert av HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST5 og HS3ST6 ) og GlcA/IdoA (2S) -GlcNS (3S) (modifisert av HS3ST2 og HS3ST4 ). Som med alle andre HS-sulfotransferaser bruker 3OSTs 3'-fosfoadenosin-5'-fosfosulfat (PAPS) som en sulfatdonor . Til tross for at de er den største familien av HS-modifikasjonsenzymer, produserer 3OSTs den sjeldneste HS-modifikasjonen, 3- O- sulfateringen av spesifikke glukosaminrester ved C3-OH-gruppen.

3OSTs er delt inn i to funksjonelle underkategorier, de som genererer et antitrombin III bindingssted ( HS3ST1 og HS3ST5 ) og de som genererer et herpes simplex virus 1 glykoprotein D (HSV-1 gD) bindingssted ( HS3ST2 , HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST4 , HS3ST5 og HS3ST6 ). Siden 3OSTs er den største familien av HS-modifikasjonsenzymer og deres handlinger er hastighetsbegrensende, substratspesifikke og produserer sjeldne modifikasjoner, har det blitt antatt at 3OST-modifisert HS spiller en viktig regulatorisk rolle i biologiske prosesser. Det har blitt vist at 3- O -sulfasjon kan forbedre bindingen av Wnt til glypikanen og kan spille en rolle i reguleringen av Wnt ved kreft.

Ligandbinding

Heparansulfat binder seg til et stort antall ekstracellulære proteiner. Disse kalles ofte kollektivt "heparininteraktomet" eller "heparinbindende proteiner", fordi de er isolert ved affinitetskromatografi på det beslektede polysakkaridheparinet, selv om begrepet "heparansulfatinteraktom" er mer korrekt. Funksjonene til heparansulfatbindende proteiner spenner fra ekstracellulære matrikskomponenter, til enzymer og koagulasjonsfaktorer, og de fleste vekstfaktorer, cytokiner, kjemokiner og morfogener Laboratoriet til Dr. Mitchell Ho ved NCI isolerte det humane monoklonale HS20 -antistoffet med høy affinitet for heparan sulfat av fagvisning. Antistoffet binder heparansulfat, ikke kondroitinsulfat. Bindingen av HS20 til heparansulfat krever sulfatering både i C2 -stillingen og C6 -stillingen. HS20 blokkerer Wnt -bindingen på heparansulfat og hemmer også smittsom oppføring av patogen JC polyomavirus.

Interferon-γ

Celleoverflate-reseptorbindingsområdet til Interferon-y overlapper med HS-bindingsområdet, nær proteinets C-terminal. Binding av HS blokkerer reseptorbindingsstedet, og som et resultat er protein-HS-komplekser inaktive.

Wnt

Glypican-3 (GPC3) samhandler med både Wnt og Frizzled for å danne et kompleks og utløser nedstrøms signalering. Det har blitt eksperimentelt fastslått at Wnt gjenkjenner et heparansulfatmodif på GPC3, som inneholder IdoA2S og GlcNS6S, og at 3-O-sulfateringen i GlcNS6S3S forbedrer bindingen av Wnt til glypikanen.

HS-bindingsegenskapene til en rekke andre proteiner studeres også:

Heparansulfatanalog

Hovedartikkel: Heparansulfatanalog

Heparansulfatanaloger antas å vise identiske egenskaper som heparansulfat med unntak av å være stabile i et proteolytisk miljø som et sår. Fordi heparansulfat brytes ned i kroniske sår av heparanase, binder analogene bare steder der naturlig heparansulfat er fraværende og ikke kan brytes ned av noen kjente heparanaser og glykanaser. Funksjonen til heparansulfatanalogene er også den samme som heparansulfat, og beskytter en rekke proteinligander som vekstfaktorer og cytokiner. Ved å holde dem på plass, kan vevet deretter bruke de forskjellige proteinligandene for spredning.

Referanser