景杰编者按：O-乙酰葡糖胺糖基化修饰(O-GlcNAcylation)是指在多细胞生物中发生的，针对胞质蛋白质、核蛋白质和线粒体蛋白质的一种蛋白质翻译后修饰，由N-乙酰葡萄糖胺和蛋白中丝氨酸、苏氨酸侧链的羟基形成的一种糖基化修饰(O-GlcNAc)。N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(OGT)和O-连接的N-乙酰葡糖胺水解酶(OGA)，这两种修饰酶以营养应答和应激反应的方式控制这种蛋白质修饰的动态平衡。耶鲁大学的研究人员总结了目前O-GlcNAcylation的功能及其调控的研究进展，发表在著名学术期刊Nature Review in Molecular Cell Biology上。上述研究从蛋白结构、分子生物学水平，到细胞信号传导和基因调控水平，再到生理和疾病的水平上，人们对O-GlcNAcylation认识上深入了许多，该修饰主要影响蛋白质之间的相互作用。景杰生物作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套O-GlcNAcylation修饰蛋白质组学研究的解决方案，助力您的研究工作。
关键词：O-GlcNAcylation、N-乙酰氨基葡萄糖转移酶、OGT、O-连接的N-乙酰葡糖胺水解酶、OGA、
蛋白质的翻译后修饰（PTM）使细胞能够通过对蛋白质功能，进行直接、动态的调控，以迅速响应内部和外部信号。由于PTM在调节多种细胞过程中发挥了重要作用，磷酸化，乙酰化和泛素化等蛋白质翻译后修饰类型在过去几十年中获得了相当大的关注。
其实除此之外，还有许多其他类型的蛋白质修饰类型，它们在正常和疾病生理学方面的意义才刚开始被认识。O-GlcNAcylation是一种较为新型的蛋白质翻译后修饰，O-GlcNAcylation是将单个O-连接的N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc）连接到细胞质蛋白质、细胞核蛋白质和线粒体蛋白质的丝氨酸Ser和苏氨酸Thr残基。
O-GlcNAcylation是通过己糖胺生物合成途径（HBP）生成，该过程汇合了葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和核苷酸代谢，产生出O-GlcNAcylation的供体-尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）。最新的研究发现，除了营养物质的丰度外，O-GlcNAc信号通路还对各种形式的细胞应激（热休克、缺氧和营养缺失等）高度敏感。因此，有人将O-GlcNAcylation比作营养和压力的传感器，进而调节转录、翻译、信号转导和代谢等细胞活动。在生理上，O-GlcNAcylation体内平衡的破坏涉及许多人类疾病的发病机理，包括癌症、糖尿病和神经变性。
有大量证据表明O-GlcNAcylation与其他蛋白质修饰发生复杂的相互作用。其他蛋白质修饰通常是由多种 “writers” 和“erasers”调节，目前的研究表明可逆的O-GlcNAcylation修饰由一对酶控制：N-乙酰氨基葡萄糖转移酶（OGT）和O-连接的N-乙酰葡糖胺水解酶（OGA），OGT将供体UDP-GlcNAc的GlcNAc转移目的蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基的羟基上， OGA负责将GlcNAc移除。
传统上，蛋白质糖基化被认为只发生在内质网、高尔基体和细胞外基质中。然而，在细胞质，细胞核，线粒体和质膜隔室中的蛋白质上也发现了O-GlcNAcylation，这些蛋白质上发生的O-GlcNAcylation可以调节基本细胞过程，如转录、表观遗传修饰和细胞信号转导。下图总结了目前已发现的，不同细胞／组织中O-GlcNAcylation的功能，由此可见该修饰广泛存在于多种细胞／组织，参与了许多生命过程（图 1）。
图1. O-GlcNAcylation在不同细胞和组织中的生物功能
关于O-GlcNAcylation调控转录，以NF-κB的O-GlcNAcylation为例，其修饰有着双重作用：一方面，NF-κB的O-GlcNAcylation促进其入核（通过阻断其与IκBα的相互作用）并增强其DNA结合和转录活性；另一方面，糖皮质激素受体（GR）可直接与NF-κB结合，募集OGT以抑制NF-κB活性 （图 2）。SP1的O-GlcNAcylation促进其核定位及其稳定性，同时抑制其转录激活功能。 RNA聚合酶II（Pol II）羧基末端结构域（CTD）上的O-GlcNAcylation对于转录起始位点上转录起始复合物的组装非常重要。将Pol II CTD的O-GlcNAcylation移除，是在转录起始和延长过程中Pol II上发生动态磷酸化的基础。因此，Pol II CTD上面的O-糖基化和磷酸化的相互配合对于维持稳定有序的转录周期是必不可少的。
图2. O-GlcNAcylation参与转录激活／抑制的调控
O-GlcNAcylation还参与表观遗传调控。比如OGT-HCF1复合物可与TET蛋白结合，促进基因组DNA的胞嘧啶5-羟甲基化，从而促进DNA去甲基化。OGT-HCF1复合物还可以与BAP1蛋白结合，介导组蛋白H2A的去泛素化。OGT还可稳定EZH2的增强子（EZH2是PRC2复合物中的组分），从而促进H3K27三甲基化（图 3）。此外，OGT与SIN3A-HDAC共抑制物复合物协同配合，通过促进组蛋白去乙酰化抑制基因表达。OGT还可能通过某种未知的机制直接催化组蛋白发生O-GlcNAcylation。
图3. OGT在表观遗传调控中有多种作用
O-GlcNAcylation参与了信号通路的调控，以胰岛素信号通路为例（图 4）：胰岛素与胰岛素受体（IR）的结合诱导IR发生自身磷酸化，接着，IR催化胰岛素受体底物1（IRS1）发生酪氨酸磷酸化。磷酸化的IRS1结合并激活磷酸肌醇3-激酶（PI3K），其催化磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）的产生。PIP3将3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PDK1）和AKT募集到细胞膜上，导致AKT的磷酸化和激活，并增加葡萄糖摄取和合成代谢。当胰岛素刺激持续时间太长时，OGT从细胞核转移到细胞质并通过与PIP3结合定位到细胞膜上， 这导致OGT发生酪氨酸磷酸化并被IR激活。然后，OGT催化重要的胰岛素信号传导蛋白如IRS1、PI3K、PDK1和AKT发生O-GlcNAcylation，抑制这些蛋白的磷酸化和/或相互作用，从而促进胰岛素信号通路的终止。
图4. O-GlcNAcylation参与胰岛素信号传导动态的实时调控
做一个通俗的比喻，O-GlcNAcylation的功能好比是“隔离层和黏合剂”：作为“隔离层”，它涂覆在靶蛋白（折叠或展开，成熟或新生），抑制不必要的蛋白质聚集和修饰；作为“黏合剂”，它可调节特定时间和空间上的蛋白质-蛋白质之间的相互作用，来相应内部和外部的刺激，从而影响细胞中各种蛋白质的功能。这只是一个有趣的想法，人们对O-GlcNAcylation认识还有待完善。展望未来，运用系统生物学方法，我们能够了解O-GlcNAc信号如何协调和整合细胞中不同分子网络。系统生物学方法将变得越来越重要，基于质谱的O-GlcNAc修饰蛋白质组学技术必将成为O-GlcNAcylation研究领域不可或缺的利器。景杰生物作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套O-GlcNAcylation修饰蛋白质组学研究的解决方案，助力您的研究工作。
参考文献：
Xiaoyong Yang, Kevin Qian. Protein O-GlcNAcylation: emerging mechanisms and functions. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 18, 452–465 (2017).
景杰生物通过整合以组学为导向（包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学）的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节，逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条，从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。
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