糖基化是生物体重要的蛋白翻译后修饰。有2%的人类基因与糖代谢相关，这些基因的突变与一百多种人类疾病息息相关。糖基化缺陷是许多神经系统疾病的重要特征，这是因为N-糖基化位点在调控突触可塑性、轴突生长及神经元形态等重要生物学功能上具有重要作用。
为更好了解大脑特异性的N-糖代谢的分子特征，2021年5月26日，来自美国肯塔基大学的研究人员在Cell metabolism杂志在线发表了题为Brain glycogen serves as a critical glucosamine cache required for protein glycosylation的研究论文，通过同位素示踪及质谱等技术，发现了葡萄糖胺作为大脑糖原的丰富替代物，能作为多种糖复合物的天然缓冲，从而揭示了大脑糖原在蛋白糖基化中的重要生物学作用。
首先，研究人员从多种小鼠组织中分离纯化了糖原，在水解糖苷键后，使用气相色谱-质谱技术分析了糖的单体组分 (图1)。小鼠肌肉和肝脏的糖原分别含1%、0.1%的葡萄糖胺，而大脑糖原含葡萄糖胺高达25%。随后研究人员在原代星形胶质细胞上开展同位素示踪实验揭示了胞内葡萄糖胺的替代来源，因此认为由葡萄糖合成来的葡萄糖胺可能是胞内葡萄糖胺的来源。这一假设由13C6标记的葡萄糖示踪剂得到验证。体外实验使用喂食13C6标记的葡萄糖示踪剂的小鼠大脑也验证了这一结论。
图1. 葡萄糖胺是大脑糖原的天然单体
研究人员随后通过体外实验证明了UDP-葡萄糖胺是糖原合成酶 (GYS) 的底物之一，并通过结构化学手段揭示了葡萄糖胺由GYS直接掺入进糖原的机制。体外敲减实验也证明了葡萄糖胺的糖原分解效应使用过糖原磷酸化酶 (GP) 介导的。研究人员进一步通过体外敲减实验结合代谢分析、同位素示踪技术揭示了糖原来源的葡萄糖胺作为GlcNAc和N-糖生成的重要前体代谢物 (图2)。
图2. 研究人员揭示糖原及N-联聚糖之间的代谢产物自由流动机制
那么，大脑糖基化障碍如何导致脑疾病呢？已知由EPM2A基因编码的紫草素是一种参与糖原代谢的糖原磷酸酶，这种酶的功能缺陷与一种小儿神经退行性癫痫症有关，通常患儿在发病十年内死亡。研究人员使用紫草素敲除小鼠研究蛋白糖基化缺陷的病理机制，发现具有高水平聚葡聚糖体的脑区缺乏充足的葡萄糖胺以转化成糖基化蛋白，这种状况伴随有内质网应激及神经炎症的出现，而将聚葡聚糖体通过酶水解后可缓解低糖基化程度，从而缓解病理特征 (图3)。
图3. 糖基化异常能导致N-聚糖代谢及神经退行性病变
本文证实了葡萄糖胺可通过三种不同的方式得到利用——自由代谢形式、糖原结合形式及支链聚糖及聚甘露糖链形式，从而揭示了这三种葡萄糖胺形式之间的相互作用对于维持大脑代谢稳态的重要作用。由糖原产生的葡萄糖胺可以作为应激刺激等状况下的关键缓冲，从而帮助我们应对衰老、创伤性脑损伤等多重病理状况。
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