글리코실화

3. 글리코실화의 메커니즘

글리코실화는 다양한 메커니즘을 가지지만, 대부분 몇 가지 공통적인 특징을 공유한다.^[2]

• 글리코실화는 글리케이션과 달리 효소 반응이다. 실제로 글리코실화는 관련된 효소 단계가 많기 때문에 가장 복잡한 번역 후 변형으로 여겨진다.^[10]
• 공여 분자는 종종 활성화된 뉴클레오티드 당이다.
• 이 과정은 템플릿 기반이 아니다(DNA 전사 또는 단백질 번역과 달리). 대신 세포는 효소를 서로 다른 세포 구획(예: 소포체, 골지체 내의 시스테르나)으로 분리하는 데 의존한다. 따라서 글리코실화는 부위 특이적 변형이다.

4. 글리코실화의 유형

글리코실화는 결합하는 당의 종류와 결합 위치에 따라 다양한 유형으로 나뉜다.

• N-글리코실화: 아스파라긴 잔기의 아마이드 질소에 탄수화물이 결합한다. 자세한 내용은 N-글리코실화 (N-linked glycosylation)를 참고하라.
• O-글리코실화: 세린 또는 트레오닌 잔기의 하이드록시기에 탄수화물이 결합한다. 자세한 내용은 O-글리코실화 (O-linked glycosylation)를 참고하라.
• C-만노실화: 트롬보스폰딘과 같은 특정 단백질의 트립토판 잔기에 만노스가 결합하는 특이한 형태이다. 당이 질소나 산소가 아닌 탄소에 결합한다. 자세한 내용은 C-만노실화 (C-mannosylation)를 참고하라.
• 글리피에이션 (GPI 앵커 형성): 글리칸을 통해 소수성 지질을 단백질에 연결하는 글리코실화 방식이다. GPI 앵커(글리코포스파티딜이노시톨)라고도 한다. 자세한 내용은 글리피에이션 (Glypiation)를 참고하라.
• 인산세린 글리코실화: 자일로스, 푸코스, 만노스, GlcNAc가 인산세린에 결합하는 방식이다. 자세한 내용은 인산세린 글리코실화 (Phosphoserine glycosylation)를 참고하라.

4. 1. N-글리코실화 (N-linked glycosylation)

4. 1. 1. N-글리코실화 과정

• 고만노스형 당쇄는 2분자의 ''N''-아세틸글루코사민과 다수의 만노스 잔기로 구성된다.^[1]
• 복합형 당쇄는 다양한 당과 원래의 2분자보다 많은 ''N''-아세틸글루코사민을 갖는다.^[1]

4. 1. 2. N-글리칸의 종류

• 고만노스형 당쇄는 2분자의 ''N''-아세틸글루코사민과 다수의 만노스 잔기로 구성되어 있다.
• 복합형 당쇄는 다양한 당과 원래의 2분자보다 많은 ''N''-아세틸글루코사민을 갖는다.

4. 2. O-글리코실화 (O-linked glycosylation)

''O''-글리코실화는 진핵생물의 골지체에서 발생하는 글리코실화의 한 형태이며,^[11] 고세균과 세균에서도 발견된다. ''O''-글리코실화는 세린(Ser) 또는 트레오닌(Thr) 잔기의 하이드록시기(-OH)에 탄수화물이 결합하는 방식이다.

• '''O-GalNAc 글리코실화:''' N-아세틸갈락토사민이 세린 또는 트레오닌 잔기에 결합하는 반응으로, 골지체에서 일어난다. 이후 다른 탄수화물들이 결합한다.
• '''O-푸코실화:''' 푸코스가 노치 단백질의 특정 서열에 부착되는 과정이다.
• '''O-글루코실화:''' 글루코스가 노치 단백질의 특정 서열에 부가되는 과정이다.
• '''O-GlcNAc 글리코실화:''' O-GlcNAc 트랜스퍼라제에 의해 세린 또는 트레오닌에 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)이 부착된다.

4. 2. 1. O-GalNAc 글리코실화

''O''-결합형 글리코실화는 단백질 처리 중 후기 단계에 골지체에서 일어난다. 이것은 UDP-N-아세틸-D-갈락토사민: 폴리펩티드 N-아실갈락토사미닐트랜스퍼라제(EC 2.4.1.41)에 의한 세린 또는 트레오닌 잔기에 ''N''-아세틸갈락토사민의 부가 반응으로, 다른 탄수화물(예: 갈락토스나 시알산)이 그 다음에 이어진다.

이 과정은 처음에 비글리코실화된 프로테오글리칸 핵 단백질에 글리코사미노글리칸 사슬(GAG)의 부가를 필연적으로 포함하는 프로테오글리칸과 같은 단백질 유형에 중요하다. 이러한 부가는 통상 세린 ''O''-당 단백질로, 이는 두 가지 주요 기능 중 하나를 갖는 것으로 여겨진다. 한 가지 기능은 세포 외 기질의 구성을 형성하기 위한 분비 작용으로 필연적으로 포함하며, 프로테오글리칸의 큰 당 복합체 간의 상호 작용으로 세포끼리 부착시킨다. 다른 기능은 점막의 분비 작용을 구성하는 동작으로, 이는 탄수화물이 고농도가 된 것으로 "끈적끈적한" 점액을 제공한다. 혈액 중에서 순환하는 단백질은 이뮤노글로불린 A와 이뮤노글로불린 D의 두 항체와 C1 억제제의 예외를 제외하고 정상적으로 ''O''-글리코실화하지 않는다.

4. 2. 2. O-푸코실화

''O''-푸코실화는 노치 단백질의 EGF 유사 반복 서열 내 컨센서스 서열 (-C₂-X-X-G-G-S/T-C₃-)에 푸코스가 부착되는 과정이다. 여기서 C₂와 C₃는 각각 두 번째와 세 번째 보존된 시스테인 잔기를, G는 글리신 잔기를, S/T는 ''O''-푸코스가 결합하는 세린 또는 트레오닌 잔기를, X는 임의의 아미노산을 의미한다. 이 반응은 GDP-푸코스 단백질 ''O''-푸코실트랜스퍼라제 1(POFUT1)과 GDP-푸코스 단백질 ''O''-푸코실트랜스퍼라제 2(POFUT2) 두 효소에 의해 촉매된다. ''O''-푸코스에는 N-아세틸글루코사민(GlcNAc), 갈락토스, 시알산이 순차적으로 결합하며, 트롬보스폰딘 반복 서열에서는 글루코스가 추가로 결합한다. 두 푸코실트랜스퍼라제는 소포체에 위치하고, 글리코실트랜스퍼라제는 골지체에 위치한다.

4. 2. 3. O-글루코실화

''O''-글루코스는 노치 단백질의 EGF 유사 반복 서열(EGF-like repeats)의 컨센서스 서열 -C₁-X-S-X-P-C₂- 위치에 부가된다. C₁과 C₂는 각각 첫 번째와 두 번째 보존된 시스테인이며, S는 ''O''-글루코스가 부가되는 세린, P는 프롤린, X는 임의의 아미노산이다. ''O''-글루코스에는 α1,3 결합으로 1~2개의 자일로스가 결합되어 있다.

4. 2. 4. O-GlcNAc 글리코실화

''O''-GlcNAc는 O-GlcNAc 트랜스퍼라제에 의해 세린 또는 트레오닌에 부착된다. ''O''-GlcNAc와 인산화는 세린/트레오닌에 동시에 일어날 수 없는데, 만약 세린/트레오닌에 인산화가 일어나면 ''O''-GlcNAc 수식은 일어나지 않고, 반대로 ''O''-GlcNAc가 나타나면 인산화는 일어나지 않기 때문이다. 즉, 인산화와 ''O''-GlcNAc는 길항 관계에 있다. 이것은 인산화/탈인산화가 세포 내 신호 조절에 관여하기 때문에 자연 과학의 중요한 패러다임으로 여겨진다. 현재 암 연구는 인산화에 초점을 맞춰 진행되고 있으며, ''O''-GlcNAc의 부착과 제거는 당뇨병 발병의 중요한 조절 기전으로 작용한다.

4. 3. C-만노실화 (C-mannosylation)

만노스 당은 W–X–X–W 서열(W는 트립토판을 나타내고, X는 임의의 아미노산)의 첫 번째 트립토판 잔기에 첨가된다. C-C 결합은 알파-만노스의 첫 번째 탄소와 트립토판의 두 번째 탄소 사이에 형성된다.^[13] 그러나 이 패턴을 가진 모든 서열이 만노실화되는 것은 아니다. 실제로 만노실화되는 것은 3분의 2정도이며, 만노실화가 일어나려면 두 번째 아미노산이 극성 아미노산(Ser, Ala, Gly, Thr) 중 하나인 것을 선호한다. 최근에는 서열에 만노실화 부위가 있는지 예측하는 기술이 발전하여 WXXW 모티프만 고려할 경우 정확도가 67%인 것에 비해 93%의 정확도를 제공한다.^[16]

트롬보스폰딘은 이러한 방식으로 가장 흔하게 변형되는 단백질 중 하나이다. ''C''-만노실화를 겪는 또 다른 단백질 그룹은 I형 사이토카인 수용체이다.^[14] ''C''-만노실화는 당이 질소나 산소와 같은 반응성 원자가 아닌 탄소에 연결되기 때문에 특이하다. 2011년, 이러한 유형의 당화가 포함된 단백질의 첫 번째 결정 구조가 결정되었는데, 그것은 인간 보체 성분 8의 구조였다.^[15] 현재 인간 단백질의 18%, 분비 및 막 단백질이 C-만노실화 과정을 거치는 것으로 밝혀졌다.^[16] 수많은 연구에서 이 과정이 트롬보스폰딘 1형 함유 단백질의 분비에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었으며, C-만노실화를 거치지 않으면 소포체에 유지된다. 사이토카인 수용체의 일종인 에리트로포이에틴 수용체가 C-만노실화 부위가 없으면 소포체에 남아 있는 이유가 이것으로 설명된다.^[17]

4. 4. 글리피에이션 (Glypiation)

글리피에이션은 GPI 앵커의 형성을 특징으로 하는 특별한 형태의 글리코실화 반응이다. 글리피에이션에서 단백질은 당 사슬을 통해 지질 앵커에 부착된다. (프레닐화도 참고)

글리코실화의 특수한 구조는 '''GPI 앵커'''(글리코포스파티딜이노시톨)라고 한다. GPI 앵커는 글리칸을 매개로 소수성의 지질을 단백질에 연결하는 역할을 한다. (프레닐화 참조)

4. 5. 인산세린 글리코실화 (Phosphoserine glycosylation)

자일로스, 푸코스, 만노스, GlcNAc가 인산세린에 결합하는 글리칸이 보고되었다. 푸코스와 GlcNAc는 ''Dictyostelium discoideum''에서만, 만노스는 ''Leishmania mexicana''에서, 자일로스는 ''Trypanosoma cruzi''에서 발견되었다. 만노스는 최근 포유류인 생쥐(''Mus musculus'')의 세포 표면 라미닌 수용체 알파 디스트로글리칸⁴에서 보고되었다. 이러한 희귀한 발견은 알파 디스트로글리칸이 하등 척추동물에서 포유류까지 고도로 보존되어 있다는 사실과 관련이 있을 수 있다고 제안되었다.^[12]

5. 비효소적 글리코실화 (Non-enzymatic glycosylation)

비효소적 글리코실화는 당화(glycation) 또는 비효소적 글리코실화라고도 알려져 있다. 이는 자발적인 반응이며, 단백질의 번역 후 변형의 한 유형으로, 단백질의 구조와 생물학적 활성을 변화시킨다. 이는 환원당(주로 포도당과 과당)의 카르보닐기와 단백질의 아미노산 측쇄 사이의 공유 결합으로, 효소의 개입이 필요하지 않다. 이 반응은 물 채널과 돌출된 소관을 가로질러서 그리고 그 근처에서 일어난다.^[21]

처음에는 반응이 임시 분자를 형성하고, 이 분자는 나중에 다양한 반응(아마도리 전위, 쉬프 염기 반응, 마이야르 반응, 가교 등)을 거쳐 최종 당화 산물(AGEs)로 알려진 영구적인 잔류물을 형성한다.

AGE는 특히 인간에서 가장 많이 당화되고 구조적으로 풍부한 단백질인 콜라겐^[22]과 같이 수명이 긴 세포외 단백질에 축적된다. 일부 연구에서는 라이신이 자발적인 비효소적 당화를 유발할 수 있음을 밝혀냈다.^[23] AGE는 여러 물질의 원인 물질이며, 특히 영양에서 중요한 역할을 한다. 일부 식품의 갈색, 향, 맛을 담당하며, 고온에서 조리하면 다양한 식품에서 AGE 수치가 높아진다.^[24]

체내 AGE 수치가 증가하면 여러 질병 발생에 직접적인 영향을 미친다. 제2형 당뇨병에 직접적인 영향을 미치며, 백내장, 신부전, 심장 손상 등과 같은 많은 합병증을 유발할 수 있다.^[25] AGE가 감소하면 피부 탄력이 감소하는데, 이는 노화의 중요한 증상이다.^[22]

또한 AGE는 많은 호르몬의 전구체이며 DNA 수준에서 수용체 메커니즘을 조절하고 수정한다.^[22]

6. 글리코실화 조절: Notch 신호 전달

Notch 신호전달은 여러 역할 중에서도 동등한 전구 세포에서 세포 분화 과정을 조절하는 세포 신호 전달 경로이다.^[27] 이는 배아 발달에 매우 중요하며, 쥐 실험을 통해 Notch 단백질의 글리칸을 제거하면 배아 사망 또는 심장과 같은 필수 기관의 기형을 초래할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.^[26]

이 과정을 조절하는 특정 조절 인자 중 일부는 소포체와 골지체에 위치한 글리코실전이효소이다.^[29] Notch 단백질은 성숙 과정에서 이러한 소기관을 거치며, N-결합 글리코실화와 O-결합 글리코실화 (더 구체적으로는 O-결합 포도당 및 O-결합 푸코스)와 같은 다양한 유형의 글리코실화를 겪을 수 있다.^[27]

모든 Notch 단백질은 공통적인 특징인 O-푸코스화 합의 서열을 공유하기 때문에 O-푸코스로 변형된다.^[27] 이 과정에 관여하는 조절 인자 중 하나는 Fringe이며, 이는 신호 전달의 일부를 활성화하거나 비활성화하기 위해 O-푸코스를 변형하는 글리코실전이효소로, 각각 양성 또는 음성 조절 인자 역할을 한다.^[29]

7. 글리코실화 관련 질환

탄수화물이 표적 고분자에 공유 결합으로 부착되는 과정인 글리코실화의 변형 유형에 따라 세 가지 유형의 글리코실화 장애가 있다. 선천적 변형, 후천적 변형, 비효소적 후천적 변형이 있다.

• '''선천성 변형:''' 인간에게는 40가지 이상의 선천성 글리코실화 장애(CGD)가 보고되었다.^[28] 이는 단백질 ''N''-글리코실화 장애, 단백질 ''O''-글리코실화 장애, 지질 글리코실화 장애 및 기타 글리코실화 경로 및 다중 글리코실화 경로의 장애의 네 그룹으로 나눌 수 있다. 이러한 장애에 효과적인 치료법은 알려져 있지 않다. 이 중 80%가 신경계에 영향을 미친다.
• '''후천적 변형:''' 이 그룹의 주요 장애는 감염성 질환, 자가면역 질환 또는 암이다. 이러한 경우 글리코실화의 변화가 특정 생물학적 사건의 원인이 된다. 예를 들어, 류마티스 관절염(RA)에서는 환자의 신체가 림프구 갈락토실전달효소에 대한 항체를 생성하여 IgG의 글리코실화를 억제한다. 따라서 N-글리코실화의 변화는 이 질병과 관련된 면역 결핍을 유발한다. 이 그룹에서는 알라질 증후군과 같이 Notch 단백질의 글리코실화를 제어하는 효소의 돌연변이에 의해 발생하는 장애도 포함된다.^[29]
• '''비효소적 후천적 변형:''' 비효소적 장애는 후천적이지만 단백질에 올리고당을 부착하는 효소의 결핍으로 인해 발생한다. 이 그룹에서 두드러지는 질병은 알츠하이머병과 당뇨병이다.^[30]

8. 치료 효능에 대한 영향

포유류 글리코실화는 생물의약품의 치료 효과를 향상시킬 수 있다고 보고되었다. 예를 들어, HEK 293 세포 플랫폼에서 발현된 재조합 인간 인터페론 감마의 치료 효과는 약물 내성 난소암 세포주에 대해 개선되었다.^[32]

9. 탈글리코실화 (Deglycosylation)

글리칸을 제거하거나 당 사슬의 일부를 제거하는 데 사용되는 다양한 효소가 있다.

• α2-3,6,8,9-뉴라미니다아제 (from 요소분해세균): 모든 비환원성 말단 분지형 및 비분지형 시알산을 절단한다.
• β1,4-갈락토시다아제 (from 폐렴연쇄상구균): 복합 탄수화물 및 당단백질에서 β1,4-결합, 비환원성 말단 갈락토스만 방출한다.
• β-''N''-아세틸글루코사미니다아제 (from 폐렴연쇄상구균): 복합 탄수화물 및 당단백질에서 모든 비환원성 말단 β-결합 N-아세틸글루코사민 잔기를 절단한다.
• ''endo''-α-''N''-아세틸갈락토사미니다아제 (from ''폐렴연쇄상구균''의 ''O''-글리코시다아제): ''O''-글리코실화를 제거한다. 이 효소는 세린 또는 트레오닌에 연결된 비치환 Galβ1,3GalNAc을 절단한다.
• PNGase F: α1,3-코어 퓨코실화되지 않은 경우 아스파라긴에 연결된 올리고당을 절단한다.

10. 화학적 글리코실화

화학적 글리코실화는 유기 합성 화학의 도구를 사용하여 수행할 수도 있다. 생화학적 과정과는 달리, 합성 글리코화학은 원하는 위치 선택성을 얻기 위해 보호기(예: 4,6-''O''-벤질리덴)에 크게 의존한다.^[18] 화학적 글리코실화의 또 다른 과제는 각 글리코시드 결합이 α/β 또는 ''시스''/''트랜스''의 두 가지 입체 결과를 갖는 입체 선택성이다. 일반적으로 α- 또는 ''시스''-글리코시드를 합성하는 것이 더 어렵다.^[19] 용매 참여 또는 키랄 보조 그룹으로서 이환식 설포늄 이온의 형성을 기반으로 하는 새로운 방법이 개발되었다.^[20]

참조

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_[2] 서적 Essentials of Glycobiology https://www.ncbi.nlm[...] Cold Spring Harbor Laboratories Press
_[3] 논문 Bypassing glycosylation: engineering aglycosylated full-length IgG antibodies for human therapy 2011-12
_[4] 논문 Transgenic plants of ''Nicotiana tabacum'' L. express aglycosylated monoclonal antibody with antitumor activity https://www.research[...]
_[5] 서적 Introduction to Glycobiology Oxford University Press, USA
_[6] 논문 Emerging principles for the therapeutic exploitation of glycosylation 2014-01
_[7] 논문 Structural plasticity of the Semliki Forest virus glycome upon interspecies transmission 2014-03
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_[9] 논문 Stereoelectronic effects in stabilizing protein– N -glycan interactions revealed by experiment and machine learning 2021-03-15
_[10] 서적 Posttranslational Modification of Proteins: Expanding Nature's Inventory Roberts and Co. Publishers, Englewood, CO
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_[16] 논문 NetCGlyc 1.0: prediction of mammalian C-mannosylation sites, K Julenius (2007) https://academic.oup[...] 2007-05
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_[24] 논문 Advanced Glycation End Products (AGEs) May Be a Striking Link Between Modern Diet and Health 2019-12-17
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