蛋白質O-GlcNAc糖基化修飾在婦科腫瘤中的研究進展

馬春，張鑫磊，楊虎林，翟宇宏，張瑋

1解放軍第五醫院寧夏軍區門診部，銀川750021

2寧夏醫科大學臨床學院，銀川7500010

蛋白質的氧連接N-乙酰葡萄糖胺（O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAc）糖基化修飾作為真核生物內廣泛存在的一種翻譯后修飾，受到人們的廣泛關注。了解異常糖基化修飾和腫瘤臨床表現的關系可能能夠揭示更多的O-GlcNAc糖基化修飾在細胞中作為營養感受器的原理。同時，更有研究表明糖基化水平增高以及O-GlcNAc糖基轉移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）和 O-GlcNAc糖苷酶（O-GlcNAcase，OGA）表達的異常與多種腫瘤的發生、發展密切相關[1]，提示這種修飾具有特殊的生物學特性，可能是一種新型的生物標志物。

1 O-GlcNAc糖基化修飾的研究背景

1983年，科學家純化牛奶半乳糖基轉移酶及其帶放射性標記的供體（UDP-[3H]galactose）時，意外發現了O-GlcNAc。半乳糖基轉移酶是一種高爾基糖基轉移酶，能夠把帶有β1-4基基團的半乳糖連接到N-乙酰葡萄糖胺上。與預期相反，產物分析顯示大多數的半乳糖標記的細胞裂解物中有一部分被O-GlcNAc修飾[1]。進一步研究發現，OGlcNAc不僅在大鼠肝細胞的細胞核內含量豐富，同時在細胞質內也廣泛存在[2]。

O-GlcNAc糖基化修飾與其他常見形式的蛋白質糖基化修飾不同，主要表現在以下幾個方面：①O-GlcNAc糖基化修飾主要發生在細胞核內、線粒體內以及細胞的細胞器內[3-6]。②O-GlcNAc糖基化修飾一般不會形成更復雜的結構[7-11]。③O-GlcNAc糖基化修飾可反復在同一個蛋白質上連接和水解糖基團[12-17]。O-GlcNAc糖基化修飾類似于磷酸化修飾廣泛存在于細胞內，但是磷酸化修飾發現很早，而O-GlcNAc糖基化修飾相對發現較晚。OGlcNAc糖基化修飾與磷酸化修飾有“陰陽調節”的關系，其主要原因有以下幾點：①O-GlcNAc糖基化修飾不像磷酸化修飾這種帶電荷的修飾方式，添加或者移除一個O-GlcNAc糖基化基團并不能改變多肽在十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳（sodium dodecylsulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）中的移動速度，當一個蛋白質的多個位點被O-GlcNAc糖基化同時修飾時才可能會引起蛋白質遷移速率的改變[18-20]。②由于細胞中含有大量的溶解酶，所以當細胞受損傷和細胞裂解時，大量的O-GlcNAc糖基化基團會從蛋白質上水解下來[21]。③O-GlcNAc糖基化較難用類似質譜分析這樣的物理手段進行分析，因為OGlcNAc糖基化修飾后蛋白質會在離子化過程中發生亞化學結構的改變或者蛋白質結構發生折疊。隨著科技的進步，人們發現和研究O-GlcNAc糖基化修飾的能力均逐漸提高，更具有特異性的單克隆抗體被應用在O-GlcNAc糖基化修飾研究中，同時更加先進的質譜分析技術也有助于O-GlcNAc糖基化修飾的研究。

2 O-GlcNAc糖基化修飾

參與O-GlcNAc糖基化修飾的酶主要有兩種：將糖基團添加到蛋白質上的糖基化轉移酶——OGT和將糖基團從蛋白質上水解下來的糖基化水解酶——OGA[1,22-27]。OGA存在2個亞型，而OGT存在3個亞型，雖然只有OGT和OGA兩個亞基來調控O-GlcNAc糖基化修飾，但是它們仍然可以完成調控蛋白質的任務，主要是通過不同的亞基與各種蛋白質的結合完成的。

2.1 OGT

糖基化轉移酶能夠將UDP-GlcNAc上的糖基團添加到蛋白質的絲氨酸/蘇氨酸上，完成糖基化修飾。OGT最早是在大鼠細胞內發現的，其編碼基因位于X染色體著絲粒附近，是高度保守的蛋白質[28-31]。目前，OGT的調控機制尚不清楚，其本身不僅能夠被O-GlcNAc糖基化修飾，還能被磷酸化修飾，磷酸化修飾能夠激活OGT的活性，但是O-GlcNAc糖基化修飾對OGT的調控作用尚不清楚[32-34]。OGT的絲氨酸/蘇氨酸位點能夠通過磷酸化而激活酶活性，磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosinemonophosphate-activated protein kinase，AMPK）、鈣調素依賴的蛋白激酶Ⅳ（calmodulin-dependent protein kinaseⅣ，CaMKⅠV）和糖原合成酶激酶 3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）能夠調控OGT的生物學活性。重組和純化后的OGT能夠修飾已知糖基化位點的小肽化合物，但是當修飾大分子蛋白質時則需要輔助蛋白。

UDP-GlcNAc為OGT的糖基化修飾提供反應底物，UDP-GlcNAc是一種高能核苷酸糖，正常生理情況下是由己糖胺途徑（hexosamine biosynthesis pathway，HBP）產生的[35]。HBP是糖代謝途徑之一，體內有3%～5%的葡萄糖通過HBP代謝，因此當體內葡萄糖增多時，HBP相應增強。有研究表明，可以通過調節HBP來調控細胞內O-GlcNAc糖基化修飾水平[36]。當OGT將UDP-GlcNAc上的GlcNAc基團轉移到蛋白質上后，剩余的UDP會負反饋抑制OGT活性，由于細胞內UDP會被很快地清除，因此OGT活性主要依賴于UDP-GlcNAc。隨著UDP-GlcNAc的增加，其酶的活性也相應增加。同時，UDP-GlcNAc濃度高低會影響OGT對底物的催化作用，由此可以看出OGT調節細胞的功能可能受營養狀態的影響。

2.2 OGA

OGA最早發現于大鼠的腎臟細胞，與MGEA5屬同源基因。OGA存在兩個亞型，其功能主要是將蛋白質上的GlcNAc基團水解下來，該過程動態可逆[26]。目前，國內外對OGA的研究相對較少，主要集中在與OGT的共同作用機制，如何調節細胞內的糖基化水平，完成蛋白質的翻譯后修飾等方面。

3 蛋白質O-GlcNAc糖基化修飾的過程

迄今為止，很多生物細胞內都發現了OGlcNAc糖基化修飾，從絲狀真菌、蠕蟲、昆蟲、植物到人類。O-GlcNAc糖基化修飾也見于單核細胞諸如李斯特菌內，但目前還不清楚單核生物中OGT是否也參與了糖基化反應。相對于其他糖基化修飾，O-GlcNAc糖基化修飾過程相對快速。淋巴細胞在有絲分裂過程中，細胞質內O-GlcNAc糖基化修飾的蛋白質會迅速水解，而細胞核內O-GlcNAc糖基化修飾的蛋白質會相應增加。有研究表明，部分藥物能夠引起蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾，細胞內O-GlcNAc糖基化修飾水平會受細胞應激、細胞周期，以及胰島素通路等的影響[21]。以上結果提示，O-GlcNAc糖基化修飾類似于磷酸化修飾，也是一種翻譯后修飾過程，能夠調節細胞內蛋白質的生物活性。

研究發現，很多蛋白質均能夠被O-GlcNAc糖基化修飾，糖基化的反應大部分存在于細胞核內，OGT能夠催化包括RNA聚合酶Ⅱ在內的多種蛋白質發生糖基化修飾。此外，糖基化反應也發生在細胞應激和能量代謝過程中，線粒體中超過90多種蛋白質存在糖基化修飾位點，可發生O-GlcNAc糖基化修飾，細胞質內的許多骨架蛋白如actin、vinculin和talin等也會發生O-GlcNAc糖基化修飾[37-39]。α-tubulin蛋白本身也有O-GlcNAc糖基化修飾，但相對較低[40-42]。以上研究表明，目前已發現很多蛋白質能夠被O-GlcNAc糖基化所修飾，O-GlcNAc糖基化修飾在完成蛋白質翻譯后修飾、調節細胞蛋白質功能方面發揮重要作用。

目前研究發現，O-GlcNAc糖基化修飾和蛋白激酶反應共用相同的絲氨酸/蘇氨酸位點，糖基化修飾和蛋白激酶之間可能存在相對復雜的關系，二者共同作用完成細胞內蛋白質的翻譯后修飾[43-47]。實際上，許多磷酸化水解酶都與OGT相偶聯，在發生去磷酸化過程的同時也會發生糖基化，其中一個典型的例子就是RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結構域（C-terminal，CTD）重復區，該區域存在多個糖基化與磷酸化的競爭位點。目前研究發現，在一些蛋白質中磷酸化與糖基化作用位點相鄰，二者之間存在競爭關系，但對于某些蛋白質而言磷酸化與糖基化之間的關系尚不明確。

4 O-GlcNAc糖基化修飾與腫瘤

4.1 O-GlcNAc糖基化修飾與婦科腫瘤

研究表明，許多與腫瘤相關的蛋白質都存在O-GlcNAc糖基化修飾。而糖基化水平的變化通過何種途徑以及作用于哪些靶點影響腫瘤的發生發展，目前尚不清楚。升高子宮內膜癌中的OGlcNAc糖基化水平能夠促進細胞內β-catenin的穩定性，完全敲除OGT會導致小鼠胚胎纖維母細胞發育受限。有研究表明，O-GlcNAc糖基化與胚胎干細胞的自我更新和分化有關。O-GLcNAc糖基化修飾在婦科腫瘤中的研究少有報道，其研究尚處于起步階段[20-49]。

4.2 O-GlcNAc糖基化修飾與其他腫瘤

研究表明，糖基化水平增高以及OGT和OGA表達的異常與多種腫瘤的發生發展密切相關，例如乳腺癌組織中OGT和O-GlcNAc的表達量明顯高于癌旁組織[1,22,48-50]。更有研究表明，糖基化水平越高，腫瘤的惡性程度越高，可見于子宮內膜癌、前列腺癌、肺癌、肝癌等[40-43]。還有研究表明，結腸癌中轉移灶內OGT的表達量明顯高于原發灶[49-50]。以上研究表明，OGT和蛋白質O-GlcNAc糖基化水平可能與腫瘤的惡性程度有關。

5 小結與展望

O-GlcNAc糖基化修飾作為一種營養感受器受體內營養狀態的影響，而這一變化又能進一步調控細胞的生理功能。但是OGT與腫瘤發生、發展的關系目前尚不清楚。O-GlcNAc糖基化修飾的研究尚處于起步階段，在婦科腫瘤中鮮有報道，但隨著研究的深入，其在婦科腫瘤領域將展現出廣闊的科學研究和臨床應用前景，有望成為婦科腫瘤早期診斷、預后判斷的腫瘤標志物及分子治療靶點。