蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰在妇科肿瘤中的研究进展

马春，张鑫磊，杨虎林，翟宇宏，张玮

1解放军第五医院宁夏军区门诊部，银川750021

2宁夏医科大学临床学院，银川7500010

蛋白质的氧连接N-乙酰葡萄糖胺（O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAc）糖基化修饰作为真核生物内广泛存在的一种翻译后修饰，受到人们的广泛关注。了解异常糖基化修饰和肿瘤临床表现的关系可能能够揭示更多的O-GlcNAc糖基化修饰在细胞中作为营养感受器的原理。同时，更有研究表明糖基化水平增高以及O-GlcNAc糖基转移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）和 O-GlcNAc糖苷酶（O-GlcNAcase，OGA）表达的异常与多种肿瘤的发生、发展密切相关[1]，提示这种修饰具有特殊的生物学特性，可能是一种新型的生物标志物。

1 O-GlcNAc糖基化修饰的研究背景

1983年，科学家纯化牛奶半乳糖基转移酶及其带放射性标记的供体（UDP-[3H]galactose）时，意外发现了O-GlcNAc。半乳糖基转移酶是一种高尔基糖基转移酶，能够把带有β1-4基基团的半乳糖连接到N-乙酰葡萄糖胺上。与预期相反，产物分析显示大多数的半乳糖标记的细胞裂解物中有一部分被O-GlcNAc修饰[1]。进一步研究发现，OGlcNAc不仅在大鼠肝细胞的细胞核内含量丰富，同时在细胞质内也广泛存在[2]。

O-GlcNAc糖基化修饰与其他常见形式的蛋白质糖基化修饰不同，主要表现在以下几个方面：①O-GlcNAc糖基化修饰主要发生在细胞核内、线粒体内以及细胞的细胞器内[3-6]。②O-GlcNAc糖基化修饰一般不会形成更复杂的结构[7-11]。③O-GlcNAc糖基化修饰可反复在同一个蛋白质上连接和水解糖基团[12-17]。O-GlcNAc糖基化修饰类似于磷酸化修饰广泛存在于细胞内，但是磷酸化修饰发现很早，而O-GlcNAc糖基化修饰相对发现较晚。OGlcNAc糖基化修饰与磷酸化修饰有“阴阳调节”的关系，其主要原因有以下几点：①O-GlcNAc糖基化修饰不像磷酸化修饰这种带电荷的修饰方式，添加或者移除一个O-GlcNAc糖基化基团并不能改变多肽在十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecylsulfate-polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）中的移动速度，当一个蛋白质的多个位点被O-GlcNAc糖基化同时修饰时才可能会引起蛋白质迁移速率的改变[18-20]。②由于细胞中含有大量的溶解酶，所以当细胞受损伤和细胞裂解时，大量的O-GlcNAc糖基化基团会从蛋白质上水解下来[21]。③O-GlcNAc糖基化较难用类似质谱分析这样的物理手段进行分析，因为OGlcNAc糖基化修饰后蛋白质会在离子化过程中发生亚化学结构的改变或者蛋白质结构发生折叠。随着科技的进步，人们发现和研究O-GlcNAc糖基化修饰的能力均逐渐提高，更具有特异性的单克隆抗体被应用在O-GlcNAc糖基化修饰研究中，同时更加先进的质谱分析技术也有助于O-GlcNAc糖基化修饰的研究。

2 O-GlcNAc糖基化修饰

参与O-GlcNAc糖基化修饰的酶主要有两种：将糖基团添加到蛋白质上的糖基化转移酶——OGT和将糖基团从蛋白质上水解下来的糖基化水解酶——OGA[1,22-27]。OGA存在2个亚型，而OGT存在3个亚型，虽然只有OGT和OGA两个亚基来调控O-GlcNAc糖基化修饰，但是它们仍然可以完成调控蛋白质的任务，主要是通过不同的亚基与各种蛋白质的结合完成的。

2.1 OGT

糖基化转移酶能够将UDP-GlcNAc上的糖基团添加到蛋白质的丝氨酸/苏氨酸上，完成糖基化修饰。OGT最早是在大鼠细胞内发现的，其编码基因位于X染色体着丝粒附近，是高度保守的蛋白质[28-31]。目前，OGT的调控机制尚不清楚，其本身不仅能够被O-GlcNAc糖基化修饰，还能被磷酸化修饰，磷酸化修饰能够激活OGT的活性，但是O-GlcNAc糖基化修饰对OGT的调控作用尚不清楚[32-34]。OGT的丝氨酸/苏氨酸位点能够通过磷酸化而激活酶活性，磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosinemonophosphate-activated protein kinase，AMPK）、钙调素依赖的蛋白激酶Ⅳ（calmodulin-dependent protein kinaseⅣ，CaMKⅠV）和糖原合成酶激酶 3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）能够调控OGT的生物学活性。重组和纯化后的OGT能够修饰已知糖基化位点的小肽化合物，但是当修饰大分子蛋白质时则需要辅助蛋白。

UDP-GlcNAc为OGT的糖基化修饰提供反应底物，UDP-GlcNAc是一种高能核苷酸糖，正常生理情况下是由己糖胺途径（hexosamine biosynthesis pathway，HBP）产生的[35]。HBP是糖代谢途径之一，体内有3%～5%的葡萄糖通过HBP代谢，因此当体内葡萄糖增多时，HBP相应增强。有研究表明，可以通过调节HBP来调控细胞内O-GlcNAc糖基化修饰水平[36]。当OGT将UDP-GlcNAc上的GlcNAc基团转移到蛋白质上后，剩余的UDP会负反馈抑制OGT活性，由于细胞内UDP会被很快地清除，因此OGT活性主要依赖于UDP-GlcNAc。随着UDP-GlcNAc的增加，其酶的活性也相应增加。同时，UDP-GlcNAc浓度高低会影响OGT对底物的催化作用，由此可以看出OGT调节细胞的功能可能受营养状态的影响。

2.2 OGA

OGA最早发现于大鼠的肾脏细胞，与MGEA5属同源基因。OGA存在两个亚型，其功能主要是将蛋白质上的GlcNAc基团水解下来，该过程动态可逆[26]。目前，国内外对OGA的研究相对较少，主要集中在与OGT的共同作用机制，如何调节细胞内的糖基化水平，完成蛋白质的翻译后修饰等方面。

3 蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰的过程

迄今为止，很多生物细胞内都发现了OGlcNAc糖基化修饰，从丝状真菌、蠕虫、昆虫、植物到人类。O-GlcNAc糖基化修饰也见于单核细胞诸如李斯特菌内，但目前还不清楚单核生物中OGT是否也参与了糖基化反应。相对于其他糖基化修饰，O-GlcNAc糖基化修饰过程相对快速。淋巴细胞在有丝分裂过程中，细胞质内O-GlcNAc糖基化修饰的蛋白质会迅速水解，而细胞核内O-GlcNAc糖基化修饰的蛋白质会相应增加。有研究表明，部分药物能够引起蛋白质的O-GlcNAc糖基化修饰，细胞内O-GlcNAc糖基化修饰水平会受细胞应激、细胞周期，以及胰岛素通路等的影响[21]。以上结果提示，O-GlcNAc糖基化修饰类似于磷酸化修饰，也是一种翻译后修饰过程，能够调节细胞内蛋白质的生物活性。

研究发现，很多蛋白质均能够被O-GlcNAc糖基化修饰，糖基化的反应大部分存在于细胞核内，OGT能够催化包括RNA聚合酶Ⅱ在内的多种蛋白质发生糖基化修饰。此外，糖基化反应也发生在细胞应激和能量代谢过程中，线粒体中超过90多种蛋白质存在糖基化修饰位点，可发生O-GlcNAc糖基化修饰，细胞质内的许多骨架蛋白如actin、vinculin和talin等也会发生O-GlcNAc糖基化修饰[37-39]。α-tubulin蛋白本身也有O-GlcNAc糖基化修饰，但相对较低[40-42]。以上研究表明，目前已发现很多蛋白质能够被O-GlcNAc糖基化所修饰，O-GlcNAc糖基化修饰在完成蛋白质翻译后修饰、调节细胞蛋白质功能方面发挥重要作用。

目前研究发现，O-GlcNAc糖基化修饰和蛋白激酶反应共用相同的丝氨酸/苏氨酸位点，糖基化修饰和蛋白激酶之间可能存在相对复杂的关系，二者共同作用完成细胞内蛋白质的翻译后修饰[43-47]。实际上，许多磷酸化水解酶都与OGT相偶联，在发生去磷酸化过程的同时也会发生糖基化，其中一个典型的例子就是RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端结构域（C-terminal，CTD）重复区，该区域存在多个糖基化与磷酸化的竞争位点。目前研究发现，在一些蛋白质中磷酸化与糖基化作用位点相邻，二者之间存在竞争关系，但对于某些蛋白质而言磷酸化与糖基化之间的关系尚不明确。

4 O-GlcNAc糖基化修饰与肿瘤

4.1 O-GlcNAc糖基化修饰与妇科肿瘤

研究表明，许多与肿瘤相关的蛋白质都存在O-GlcNAc糖基化修饰。而糖基化水平的变化通过何种途径以及作用于哪些靶点影响肿瘤的发生发展，目前尚不清楚。升高子宫内膜癌中的OGlcNAc糖基化水平能够促进细胞内β-catenin的稳定性，完全敲除OGT会导致小鼠胚胎纤维母细胞发育受限。有研究表明，O-GlcNAc糖基化与胚胎干细胞的自我更新和分化有关。O-GLcNAc糖基化修饰在妇科肿瘤中的研究少有报道，其研究尚处于起步阶段[20-49]。

4.2 O-GlcNAc糖基化修饰与其他肿瘤

研究表明，糖基化水平增高以及OGT和OGA表达的异常与多种肿瘤的发生发展密切相关，例如乳腺癌组织中OGT和O-GlcNAc的表达量明显高于癌旁组织[1,22,48-50]。更有研究表明，糖基化水平越高，肿瘤的恶性程度越高，可见于子宫内膜癌、前列腺癌、肺癌、肝癌等[40-43]。还有研究表明，结肠癌中转移灶内OGT的表达量明显高于原发灶[49-50]。以上研究表明，OGT和蛋白质O-GlcNAc糖基化水平可能与肿瘤的恶性程度有关。

5 小结与展望

O-GlcNAc糖基化修饰作为一种营养感受器受体内营养状态的影响，而这一变化又能进一步调控细胞的生理功能。但是OGT与肿瘤发生、发展的关系目前尚不清楚。O-GlcNAc糖基化修饰的研究尚处于起步阶段，在妇科肿瘤中鲜有报道，但随着研究的深入，其在妇科肿瘤领域将展现出广阔的科学研究和临床应用前景，有望成为妇科肿瘤早期诊断、预后判断的肿瘤标志物及分子治疗靶点。