グリコシル化
グリコシル化は、タンパク質や脂質に糖鎖が付加される反応であり、細胞膜の合成やタンパク質分泌における重要な翻訳後修飾の一つです。この反応は、主に粗面小胞体で行われます。非酵素的な糖化反応であるメイラード反応とは異なり、グリコシル化は酵素によって厳密に制御されています。
グリコシル化の種類
グリコシル化には、大きく分けてN-結合型グリコシル化とO-結合型グリコシル化の2種類があります。
N-結合型グリコシル化: アスパラギン側鎖のアミドの窒素原子(N)に糖鎖が付加される反応です。
O-結合型グリコシル化: セリンやトレオニン側鎖のヒドロキシ基の酸素原子(O)に糖鎖が付加される反応です。
グリコシル化の役割
糖鎖は、タンパク質の様々な機能に影響を与えます。例えば、以下のような役割があります。
タンパク質の正しい折りたたみ: グリコシル化は、一部のタンパク質が正しく折りたたまれるために必要です。
タンパク質の安定化: 糖鎖が結合することで、タンパク質の安定性が向上し、分泌が促進されます。
細胞間の接着: グリコシル化は、細胞同士の接着にも関与しています。
実験的には、グリコシル化はタンパク質の折りたたみの必須条件ではありませんが、グリコシル化されないタンパク質は分解されやすいことが示されています。
グリコシル化の機構
グリコシル化は、以下のような共通の特徴を持つ様々な機構によって行われます。
1. 酵素による制御: 特定の酵素が反応を触媒します。
2. 活性化された糖の供与体: ヌクレオチドに結合した活性化糖が供与体として利用されます。
3. 特定の場所での反応: 反応は、細胞内の特定の区画で行われます。
N-結合型グリコシル化の詳細
N-結合型グリコシル化は、真核生物のタンパク質の折りたたみに重要です。この反応は、真核生物や多くの古細菌で見られますが、細菌では稀です。
N-結合型糖鎖は、14糖からなる前駆体がアスパラギン残基に付加されることから始まります。この前駆体は、一般的にグルコース3分子、マンノース9分子、N-アセチルグルコサミン2分子で構成されており、ドリコールリン酸と呼ばれるキャリア分子に結合して運搬されます。
N-結合型糖鎖には、高マンノース型糖鎖と複合型糖鎖の2種類があります。
高マンノース型糖鎖: N-アセチルグルコサミン2分子と多数のマンノース残基から構成されます。
複合型糖鎖: 様々な糖と、2分子以上のN-アセチルグルコサミンが含まれます。
タンパク質は、異なる部位で両方の型のグリコシル化を受けます。糖鎖が高マンノース型か複合型かは、ゴルジ体の糖タンパク質の影響を受けやすいと考えられています。
オリゴ糖鎖は、オリゴ糖トランスフェラーゼ（OST）によって、Asn-X-SerまたはAsn-X-Thrの配列（シークオン配列）を持つアスパラギン残基に結合します（Xはプロリン以外のアミノ酸）。結合後、タンパク質は正しく折りたたまれ、3つのグルコース残基が除去されて小胞体から運び出されます。その後、ゴルジ体で残りのマンノース残基が除去され、複合型糖鎖へと修飾されます。
しかし、グリコシル化はタンパク質の輸送に必須ではないという意見もあります。グリコシル化を阻害する薬剤や酵素の変異による研究では、異常な構造のタンパク質が生じますが、細胞の生育を著しく妨げるものではないと考えられています。
十分に成長した高マンノース型糖鎖は、5～9個のマンノース残基を含んでいます。マンノース残基が除去され、コア構造（マンノース3分子とN-アセチルグルコサミン2分子）に誘導された後、ガラクトース、N-アセチルグルコサミン、N-アセチルガラクトサミン、フコース、シアル酸が付加されることで複合型糖鎖となります。
O-結合型グリコシル化の詳細
O-N-アセチルガラクトサミン (O-GalNAc)
O-結合型グリコシル化は、ゴルジ体でタンパク質処理の後期段階に起こります。UDP-N-アセチル-D-ガラクトサミン：ポリペプチドN-アシルガラクトサミニルトランスフェラーゼによって、セリンまたはトレオニン残基にN-アセチルガラクトサミンが付加されます。続いて、ガラクトースやシアル酸などの他の糖が結合します。
この過程は、プロテオグリカンのようなタンパク質にとって重要であり、グリコサミノグリカン鎖（GAG）の付加を伴います。プロテオグリカンは細胞外マトリックスの構成要素であり、細胞同士の接着に関与しています。また、O-結合型グリコシル化は、粘液の分泌にも関与しており、粘膜の潤滑性を高めています。血中で循環するタンパク質は、一部の例外を除き、通常はO-グリコシル化を受けません。
O-フコース
O-フコースは、ノッチタンパク質のEGF様反復配列の特定の部位に付加されます。この反応は、2種類のフコシルトランスフェラーゼ（POFUT1とPOFUT2）によって触媒されます。O-フコースには、N-アセチルグルコサミン、ガラクトース、シアル酸などの糖が結合します。
O-グルコース
O-グルコースは、ノッチタンパク質のEGF様反復配列の特定の部位に付加されます。O-グルコースには、1～2個のキシロースが付加されることがあります。
O-N-アセチルグルコサミン (O-GlcNAc)
O-GlcNAcは、O-GlcNAcトランスフェラーゼによってセリンまたはトレオニンに付加されます。O-GlcNAcはリン酸化と競合関係にあり、一方の修飾が生じるともう一方は阻害されます。この拮抗関係は、細胞内シグナルの調節において重要な役割を果たしており、癌や糖尿病の研究においても注目されています。
GPIアンカー
グリコシル化の特殊な構造として、GPIアンカー（グリコホスファチジルイノシトール）があります。GPIアンカーは、糖鎖を介して疎水性の脂質をタンパク質に結合させることで、細胞膜への固定に関与しています。
C-マンノシル化
C-マンノシル化は、マンノースがトロンボスポンジンタンパク質のトリプトファン残基に付加される特殊な修飾です。糖が炭素原子に結合するという点で、通常のグリコシル化とは異なります。
関連項目
糖化反応
* メイラード反応
グリコシル化の種類
グリコシル化には、大きく分けてN-結合型グリコシル化とO-結合型グリコシル化の2種類があります。
N-結合型グリコシル化: アスパラギン側鎖のアミドの窒素原子(N)に糖鎖が付加される反応です。
O-結合型グリコシル化: セリンやトレオニン側鎖のヒドロキシ基の酸素原子(O)に糖鎖が付加される反応です。
グリコシル化の役割
糖鎖は、タンパク質の様々な機能に影響を与えます。例えば、以下のような役割があります。
タンパク質の正しい折りたたみ: グリコシル化は、一部のタンパク質が正しく折りたたまれるために必要です。
タンパク質の安定化: 糖鎖が結合することで、タンパク質の安定性が向上し、分泌が促進されます。
細胞間の接着: グリコシル化は、細胞同士の接着にも関与しています。
実験的には、グリコシル化はタンパク質の折りたたみの必須条件ではありませんが、グリコシル化されないタンパク質は分解されやすいことが示されています。
グリコシル化の機構
グリコシル化は、以下のような共通の特徴を持つ様々な機構によって行われます。
1. 酵素による制御: 特定の酵素が反応を触媒します。
2. 活性化された糖の供与体: ヌクレオチドに結合した活性化糖が供与体として利用されます。
3. 特定の場所での反応: 反応は、細胞内の特定の区画で行われます。
N-結合型グリコシル化の詳細
N-結合型グリコシル化は、真核生物のタンパク質の折りたたみに重要です。この反応は、真核生物や多くの古細菌で見られますが、細菌では稀です。
N-結合型糖鎖は、14糖からなる前駆体がアスパラギン残基に付加されることから始まります。この前駆体は、一般的にグルコース3分子、マンノース9分子、N-アセチルグルコサミン2分子で構成されており、ドリコールリン酸と呼ばれるキャリア分子に結合して運搬されます。
N-結合型糖鎖には、高マンノース型糖鎖と複合型糖鎖の2種類があります。
高マンノース型糖鎖: N-アセチルグルコサミン2分子と多数のマンノース残基から構成されます。
複合型糖鎖: 様々な糖と、2分子以上のN-アセチルグルコサミンが含まれます。
タンパク質は、異なる部位で両方の型のグリコシル化を受けます。糖鎖が高マンノース型か複合型かは、ゴルジ体の糖タンパク質の影響を受けやすいと考えられています。
オリゴ糖鎖は、オリゴ糖トランスフェラーゼ（OST）によって、Asn-X-SerまたはAsn-X-Thrの配列（シークオン配列）を持つアスパラギン残基に結合します（Xはプロリン以外のアミノ酸）。結合後、タンパク質は正しく折りたたまれ、3つのグルコース残基が除去されて小胞体から運び出されます。その後、ゴルジ体で残りのマンノース残基が除去され、複合型糖鎖へと修飾されます。
しかし、グリコシル化はタンパク質の輸送に必須ではないという意見もあります。グリコシル化を阻害する薬剤や酵素の変異による研究では、異常な構造のタンパク質が生じますが、細胞の生育を著しく妨げるものではないと考えられています。
十分に成長した高マンノース型糖鎖は、5～9個のマンノース残基を含んでいます。マンノース残基が除去され、コア構造（マンノース3分子とN-アセチルグルコサミン2分子）に誘導された後、ガラクトース、N-アセチルグルコサミン、N-アセチルガラクトサミン、フコース、シアル酸が付加されることで複合型糖鎖となります。
O-結合型グリコシル化の詳細
O-N-アセチルガラクトサミン (O-GalNAc)
O-結合型グリコシル化は、ゴルジ体でタンパク質処理の後期段階に起こります。UDP-N-アセチル-D-ガラクトサミン：ポリペプチドN-アシルガラクトサミニルトランスフェラーゼによって、セリンまたはトレオニン残基にN-アセチルガラクトサミンが付加されます。続いて、ガラクトースやシアル酸などの他の糖が結合します。
この過程は、プロテオグリカンのようなタンパク質にとって重要であり、グリコサミノグリカン鎖（GAG）の付加を伴います。プロテオグリカンは細胞外マトリックスの構成要素であり、細胞同士の接着に関与しています。また、O-結合型グリコシル化は、粘液の分泌にも関与しており、粘膜の潤滑性を高めています。血中で循環するタンパク質は、一部の例外を除き、通常はO-グリコシル化を受けません。
O-フコース
O-フコースは、ノッチタンパク質のEGF様反復配列の特定の部位に付加されます。この反応は、2種類のフコシルトランスフェラーゼ（POFUT1とPOFUT2）によって触媒されます。O-フコースには、N-アセチルグルコサミン、ガラクトース、シアル酸などの糖が結合します。
O-グルコース
O-グルコースは、ノッチタンパク質のEGF様反復配列の特定の部位に付加されます。O-グルコースには、1～2個のキシロースが付加されることがあります。
O-N-アセチルグルコサミン (O-GlcNAc)
O-GlcNAcは、O-GlcNAcトランスフェラーゼによってセリンまたはトレオニンに付加されます。O-GlcNAcはリン酸化と競合関係にあり、一方の修飾が生じるともう一方は阻害されます。この拮抗関係は、細胞内シグナルの調節において重要な役割を果たしており、癌や糖尿病の研究においても注目されています。
GPIアンカー
グリコシル化の特殊な構造として、GPIアンカー（グリコホスファチジルイノシトール）があります。GPIアンカーは、糖鎖を介して疎水性の脂質をタンパク質に結合させることで、細胞膜への固定に関与しています。
C-マンノシル化
C-マンノシル化は、マンノースがトロンボスポンジンタンパク質のトリプトファン残基に付加される特殊な修飾です。糖が炭素原子に結合するという点で、通常のグリコシル化とは異なります。
関連項目
糖化反応
* メイラード反応
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