研究人员发现了身体碳水化合物(糖链或“聚糖”)中一种调节其与其他分子结合方式的结构如何与关键酶相互作用，从而导致一系列疾病。

人体最重要的生化过程之一就是碳水化合物(糖链或“聚糖”)与蛋白质和脂肪(脂质)的结合，当这一过程发生故障时，患上一系列疾病的风险就会急剧增加。研究人员最近发现，在这种结合过程中，一种关键酶与聚糖中的一种小结构相互作用，会导致这种分解。

他们的研究结果发表在 2024 年 6 月 4 日《生物化学杂志》在线版的一篇论文中 。

在生物体内，碳水化合物或“聚糖”附着在蛋白质或脂质上(这一过程称为“糖基化”)在大量生理过程中起着至关重要的作用。它是细胞识别、细胞信号传导、免疫反应、蛋白质折叠、发育和受精所必需的。同时，聚糖结构的轻微改变可能导致或加重癌症、糖尿病、阿尔茨海默氏症和肌营养不良症等疾病。

事实上，聚糖及其相关过程非常重要，因此有了自己的一个领域：糖生物学。在这个学科中，几乎所有负责人类聚糖生产的酶(启动或加速化学反应的分子)都已被识别和分类，各种生产过程或“生物合成途径”也已被识别和分类。

然而，尽管糖生物学作为一个领域已经成熟，研究人员和临床医生仍需要能够更准确地预测和微调细胞中的聚糖结构，从而更好地应对糖基化功能障碍可能导致的各种疾病。因此，研究人员仍然需要更好地了解将聚糖附着到蛋白质或脂质上的酶(“糖转移酶”)的活性在细胞内是如何调节的。

在两种类型的聚糖中，N 连接聚糖(与蛋白质内的氮原子连接的聚糖)和 O 连接聚糖(与蛋白质内的氧原子连接的聚糖)，存在一种由两种糖组成的结构，称为 LacdiNAc，或简称为 LDN，位于聚糖的末端(末端位置)或半末端(次末端位置)。LDN 结构的生物合成由两种酶中的一种催化，即 B4GALNT3 或 B4GALNT4。在其他聚糖中，没有 LDN，而是略有不同的双糖结构，称为 LacNAc。

研究表明，LDN 结构参与了一系列重要的身体过程，并且在许多疾病中功能失调。特别是，体内循环的几种激素受到 LDN 的修饰，而 LDN 似乎参与了干细胞的维持。此外，催化 LDN 生物合成的 B4GALNT3 变体与骨密度降低和骨折风险增加有关，而当 B4GALNT3 似乎被关闭时，结肠癌的风险会增加。

“鉴于所有这些与疾病和关键身体过程有关的确凿证据，我们必须了解这些酶如何合成 LDN，” 本文首席研究员、岐阜大学糖核研究所 ( iGCORE ) 糖生物学家Yasuhiko Kizuka说道。“但到目前为止，这些过程一直是个黑匣子。”

但近年来，结构生物学、酶学和糖组学的进展提供了新的工具和技术，为此类研究提供了可能性。

首先，通过对所有已知的人类糖基转移酶的结构进行筛选，研究人员发现，在两种类型的B4GALNT中，都有一个独特的特征，即在其他糖基转移酶中并不常见的“PA14结构域”。

研究人员还将正常 B4GALNT3 的酶活性与他们突变的糖基转移酶版本进行了比较，突变后的版本缺乏 PA14 结构域，以了解当这种结构缺失时会发生什么。然后，他们将正常 B4GALNT3 的活性与其他正常糖基转移酶和聚糖修饰酶进行了比较。

此外，论文作者还制作了 B4GALNT3 及其 PA14 结构域的计算机模型，以研究影响酶活性的潜在结合相互作用和结构特征。他们还进行了各种生化分析，以表征 B4GALNT3 产生的聚糖的结构，包括它们的“表位”——与其他分子相互作用的识别位点——然后研究了 LDN 对这些表位制造的影响。

他们发现，缺少 PA14 结构域的 B4GALNT3 突变版本与 N 连接和 O 连接聚糖以及糖蛋白相关的活性显著降低。这表明 PA14 结构域对于酶活性至关重要。

研究人员还能够更好地理解 LDN 和 LacNAc 之间的功能差异。他们发现，LDN 取代 LacNAc 会对许多糖基转移酶在 N-糖链末端修饰或添加糖残基的作用产生负面影响。这些末端修饰(称为“N-糖链封端”)在确定糖蛋白的结构、功能、稳定性和相互作用方面起着至关重要的作用。

“换句话说，LDN 对与典型的 LacNAc 结构完全不同的 N-聚糖的产生有显著影响，”Yasuhiko Kizuka 说。

研究人员现在希望深入研究 B4GALNT3 和 LDN 在疾病发病机制中的作用并确定潜在的治疗靶点。