N -glycosylation liée - N-linked glycosylation
La glycosylation N- liée , est la fixation d'un oligosaccharide , un glucide constitué de plusieurs molécules de sucre, parfois aussi appelé glycane , à un atome d'azote (l'azote amide d'un résidu asparagine (Asn) d'une protéine ), dans un processus appelée N- glycosylation , étudiée en biochimie . Ce type de liaison est important à la fois pour la structure et la fonction de nombreuses protéines eucaryotes. Leprocessus de N - glycosylation se produit chez les eucaryotes et largement chez les archées , mais très rarement chez les bactéries . La nature desglycanes N- liés attachés à une glycoprotéine est déterminée par la protéine et la cellule dans laquelle elle est exprimée. Il varie également selon les espèces . Différentes espèces synthétisent différents types deglycane N- lié.
Énergétique de la formation de liens
Il existe deux types de liaisons impliquées dans une glycoprotéine : les liaisons entre les résidus saccharides dans le glycane et la liaison entre la chaîne glycane et la molécule de protéine.
Le sucre fragments sont liés les uns aux autres dans la chaîne glycane par des liaisons glycosidiques . Ces liaisons sont typiquement formées entre les carbones 1 et 4 des molécules de sucre. La formation de liaison glycosidique est énergétiquement défavorable, donc la réaction est couplée à l' hydrolyse de deux molécules d' ATP .
D'autre part, la fixation d'un résidu glycane à une protéine nécessite la reconnaissance d'une séquence consensus . N lié en glycanes sont attachés presque toujours à l' azote atome d'une chaîne latérale d' asparagine (Asn) qui est présent en tant que partie de Asn-X- Ser / Thr séquence consensus, où X est un acide aminé quelconque sauf la proline (Pro).
Dans les cellules animales, le glycane attaché à l'asparagine est presque inévitablement la N- acétylglucosamine (GlcNAc) dans la configuration . Cette liaison est similaire à la liaison glycosidique entre les fragments sucre dans la structure glycane comme décrit ci-dessus. Au lieu d'être attaché à un groupe hydroxyle de sucre , l' atome de carbone anomérique est attaché à un azote d'amide. L'énergie nécessaire à cette liaison provient de l' hydrolyse d'une molécule de pyrophosphate .
Biosynthèse
La biosynthèse des glycanes N- liés se fait via 3 étapes majeures :
- Synthèse d'oligosaccharide précurseur lié au dolichol
- Transfert en bloc d'oligosaccharide précurseur à la protéine
- Traitement de l'oligosaccharide
La synthèse, le transfert en bloc et le parage initial de l' oligosaccharide précurseur se produisent dans le réticulum endoplasmique (RE). Le traitement et la modification ultérieurs de la chaîne oligosaccharidique sont effectués dans l'appareil de Golgi .
La synthèse des glycoprotéines est ainsi spatialement séparée dans différents compartiments cellulaires. Par conséquent, le type de N- glycane synthétisé dépend de son accessibilité aux différentes enzymes présentes au sein de ces compartiments cellulaires.
Cependant, malgré la diversité, tous les N- glycanes sont synthétisés par une voie commune avec une structure de glycane centrale commune. La structure centrale du glycane est essentiellement constituée de deux résidus N- acétylglucosamine et de trois résidus mannose . Ce glycane central est ensuite élaboré et modifié davantage, ce qui donne une gamme diversifiée de structures de N- glycane.
Synthèse d'oligosaccharide précurseur
Le processus de glycosylation liée à N commence par la formation de sucre GlcNAc lié au dolichol . Le dolichol est une molécule lipidique composée d' unités isoprène répétitives . Cette molécule se trouve attachée à la membrane du RE. Les molécules de sucre sont attachées au dolichol par une liaison pyrophosphate (un phosphate était à l'origine lié au dolichol et le second phosphate provenait du sucre nucléotidique ). La chaîne oligosaccharidique est ensuite prolongée par l'ajout de diverses molécules de sucre de manière progressive pour former un oligosaccharide précurseur.
L'assemblage de cet oligosaccharide précurseur se déroule en deux phases : Phase I et II. La phase I a lieu du côté cytoplasmique du RE et la phase II a lieu du côté luminal du RE.
La molécule précurseur, prête à être transférée dans une protéine, est constituée de 2 molécules de GlcNAc, 9 molécules de mannose et 3 molécules de glucose .
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| Phase II | |
est le donneur de résidus Mannose (formation : Dol-P + GDP-Man → Dol-P-Man + GDP) et Dol-P-Gluc est le donneur de résidus glucose (formation : Dol-P + UDP-Glc → Dol-P- Glc + UDP).
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Transfert de glycane en protéine
Une fois que l'oligosaccharide précurseur est formé, le glycane terminé est ensuite transféré au polypeptide naissant dans la lumière de la membrane du RE. Cette réaction est entraînée par l'énergie libérée par le clivage de la liaison pyrophosphate entre la molécule de dolichol-glycane. Il y a trois conditions à remplir avant qu'un glycane ne soit transféré à un polypeptide naissant :
- L'asparagine doit être localisée dans une séquence consensus spécifique dans la structure primaire (Asn-X-Ser ou Asn-X-Thr ou dans de rares cas Asn-X-Cys).
- L'asparagine doit être localisée de manière appropriée dans la structure tridimensionnelle de la protéine (les sucres sont des molécules polaires et doivent donc être attachés à l'asparagine située à la surface de la protéine et non enfouie dans la protéine)
- Asparagine doit se trouver dans la partie luminale du réticulum endoplasmique pour N lié en glycosylation à l' initiative. Les résidus cibles se trouvent soit dans les protéines sécrétoires, soit dans les régions des protéines transmembranaires faisant face à la lumière.
L'oligosaccharyltransférase est l'enzyme responsable de la reconnaissance de la séquence consensus et du transfert du glycane précurseur à un accepteur de polypeptide qui est traduit dans la lumière du réticulum endoplasmique. La glycosylation liée à N est donc un événement co-traductionnel
Traitement du glycane
Le traitement des N- glycanes est effectué dans le réticulum endoplasmique et le corps de Golgi. Le rognage initial de la molécule précurseur se produit dans le RE et le traitement ultérieur se produit dans l'appareil de Golgi.
Lors du transfert du glycane terminé sur le polypeptide naissant, deux résidus glucose sont retirés de la structure. Les enzymes connues sous le nom de glycosidases éliminent certains résidus de sucre. Ces enzymes peuvent rompre les liaisons glycosidiques en utilisant une molécule d'eau. Ces enzymes sont des exoglycosidases car elles n'agissent que sur les résidus monosaccharidiques situés à l'extrémité non réductrice du glycane. Cette étape de parage initiale est censée agir comme une étape de contrôle de la qualité dans le RE pour surveiller le repliement des protéines .
Une fois la protéine correctement repliée, deux résidus glucose sont éliminés par les glucosidases I et II. L'élimination du troisième résidu de glucose final signale que la glycoprotéine est prête pour le transit du RE vers le cis- Golgi. La mannosidase ER catalyse l'élimination de ce glucose final. Cependant, si la protéine n'est pas correctement repliée, les résidus de glucose ne sont pas éliminés et la glycoprotéine ne peut donc pas quitter le réticulum endoplasmique. Une protéine chaperon ( calnexine / calréticuline ) se lie à la protéine dépliée ou partiellement repliée pour faciliter le repliement de la protéine.
L'étape suivante implique l'ajout et l'élimination de résidus de sucre dans le cis-Golgi. Ces modifications sont catalysées respectivement par les glycosyltransférases et les glycosidases. Dans le cis- Golgi, une série de mannosidases éliminent tout ou partie des quatre résidus mannose dans les liaisons -1,2. Alors que dans la partie médiane de l'appareil de Golgi, les glycosyltransférases ajoutent des résidus de sucre à la structure centrale du glycane, donnant lieu aux trois principaux types de glycanes : les glycanes riches en mannose, hybrides et complexes.
- Une teneur élevée en mannose est essentiellement constituée de deux N- acétylglucosamines avec de nombreux résidus de mannose, souvent presque autant que ceux observés dans les oligosaccharides précurseurs avant qu'ils ne soient attachés à la protéine.
- Les oligosaccharides complexes sont ainsi nommés car ils peuvent contenir presque n'importe quel nombre d'autres types de saccharides, y compris plus que les deux N- acétylglucosamines d'origine.
- Les oligosaccharides hybrides contiennent des résidus de mannose d'un côté de la ramification, tandis que de l'autre côté une N- acétylglucosamine initie une ramification complexe.
L'ordre d'addition des sucres aux chaînes glycanes en croissance est déterminé par les spécificités de substrat des enzymes et leur accès au substrat lorsqu'elles se déplacent dans la voie sécrétoire . Ainsi, l'organisation de cette machinerie au sein d'une cellule joue un rôle important dans la détermination des glycanes fabriqués.
Enzymes dans le Golgi
Les enzymes de Golgi jouent un rôle clé dans la détermination de la synthèse des différents types de glycanes. L'ordre d'action des enzymes se reflète dans leur position dans la pile de Golgi :
| Enzymes | Emplacement au sein de Golgi |
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| Mannosidase I | cis- Golgi |
| GlcNAc transférases | Golgi médial |
| Galactosyltransférase et Sialyltransférase | trans -Golgi |
Chez les archées et les procaryotes
Une voie de biosynthèse similaire du N- glycane a été trouvée chez les procaryotes et les archées. Cependant, par rapport aux eucaryotes, la structure finale des glycanes chez les eubactéries et les archées ne semble pas très différente du précurseur initial fabriqué dans le réticulum endoplasmique. Chez les eucaryotes, l'oligosaccharide précurseur d'origine est largement modifié en route vers la surface cellulaire.
Fonction
Les glycanes N- liés ont des fonctions intrinsèques et extrinsèques.
Au sein du système immunitaire, les glycanes N- liés à la surface d'une cellule immunitaire aideront à dicter ce modèle de migration de la cellule, par exemple les cellules immunitaires qui migrent vers la peau ont des glycosylations spécifiques qui favorisent l'hébergement vers ce site. Les profils de glycosylation sur les diverses immunoglobulines, y compris IgE, IgM, IgD, IgA et IgG, leur confèrent des fonctions effectrices uniques en modifiant leurs affinités pour Fc et d'autres récepteurs immunitaires. Les glycanes peuvent également être impliqués dans la discrimination du "soi" et du "non-soi", ce qui peut être pertinent pour la physiopathologie de diverses maladies auto-immunes.
| Intrinsèque |
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| Extrinsèque |
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Dans certains cas, l'interaction entre le N-glycane et la protéine stabilise la protéine grâce à des effets électroniques complexes.
Signification clinique
Des modifications de la glycosylation liée à l' azote ont été associées à différentes maladies, notamment la polyarthrite rhumatoïde , le diabète de type 1 , la maladie de Crohn et les cancers.
Des mutations dans dix-huit gènes impliqués dans la glycosylation liée à l' azote entraînent diverses maladies, dont la plupart impliquent le système nerveux .
Importance dans les protéines thérapeutiques
De nombreuses protéines thérapeutiques sur le marché sont des anticorps , qui sont des glycoprotéines N- liées. Par exemple, l' étanercept , infliximab et rituximab sont N -glycosylated protéines thérapeutiques.
L' importance de la glycosylation N - liée devient de plus en plus évidente dans le domaine pharmaceutique . Bien que les systèmes de production de protéines bactériennes ou de levure présentent des avantages potentiels importants tels qu'un rendement élevé et un faible coût, des problèmes surviennent lorsque la protéine d'intérêt est une glycoprotéine. La plupart des systèmes d'expression procaryotes tels que E. coli ne peuvent pas effectuer de modifications post-traductionnelles . D'autre part, les hôtes d'expression eucaryotes tels que la levure et les cellules animales, ont des modèles de glycosylation différents. Les protéines produites dans ces hôtes d'expression ne sont souvent pas identiques aux protéines humaines et provoquent ainsi des réactions immunogènes chez les patients. Par exemple, S. cerevisiae (levure) produit souvent des glycanes riches en mannose qui sont immunogènes.
Les systèmes d'expression de mammifères non humains tels que les cellules CHO ou NSO ont la machinerie requise pour ajouter des glycanes complexes de type humain. Cependant, les glycanes produits dans ces systèmes peuvent différer des glycanes produits chez l'homme, car ils peuvent être coiffés à la fois par de l'acide N- glycolylneuraminique (Neu5Gc) et de l' acide N- acétylneuraminique (Neu5Ac), alors que les cellules humaines ne produisent que des glycoprotéines contenant de l' acide N- acétylneuraminique. De plus, les cellules animales peuvent également produire des glycoprotéines contenant l' épitope galactose-alpha-1,3-galactose , qui peuvent induire des réactions allergiques graves, y compris un choc anaphylactique , chez les personnes allergiques à l'alpha-gal .
Ces inconvénients ont été résolus par plusieurs approches telles que l'élimination des voies qui produisent ces structures glycanes par des knock-outs génétiques. En outre, d'autres systèmes d'expression ont été génétiquement modifiés pour produire des glycoprotéines thérapeutiques avec des glycanes liés à l' azote de type humain. Ceux-ci incluent des levures telles que Pichia pastoris , des lignées cellulaires d'insectes, des plantes vertes et même des bactéries.
Voir également
Les références
Liens externes
- GlycoEP : Plateforme in silico de prédiction des glycosites N -, O - et C dans les séquences de protéines eucaryotes
- Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (février 2015). "Les glycanes dans le système immunitaire et la théorie des glycanes modifiées de l'auto-immunité: un examen critique" . Journal de l'auto-immunité . 57 : 1-13. doi : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .