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这篇综述全面阐述了糖基化这一普遍且关键的蛋白质翻译后修饰。它系统介绍了人类糖基化的主要类型（如N-连接、O-连接、蛋白聚糖型）及其关键生物学功能（如蛋白质质量控制、信号通路调控、细胞粘附）。文章重点梳理了超过400个参与聚糖生物合成的“糖基因”，并详细探讨了糖基因突变导致的多种遗传性疾病，统称为先天性糖基化异常（CDGs）。综述强调，将特定基因突变与聚糖结构改变及临床症状直接关联仍具挑战性，并指出整合遗传学、生物化学、糖组学和临床研究的多学科方法是理解这些疾病的关键。
摘要
糖基化是生物系统中一种普遍且必不可少的蛋白质翻译后修饰（PTM）。大多数细胞表面蛋白和分泌蛋白都带有聚糖，这些聚糖不仅有助于维持蛋白质和细胞膜的结构完整性，还参与了从细胞间通讯、胞外信号调节到免疫反应和组织发育等众多生理功能。目前，有超过400个“糖基因”参与人类聚糖的生物合成。鉴于糖基化的核心作用，糖基因突变会导致各种遗传性疾病，统称为先天性糖基化异常（CDGs）。然而，将特定基因突变与改变的聚糖结构及由此产生的临床症状直接联系起来仍然是一个重大挑战，因为生物功能不是由酶本身介导，而是由它们产生的多样化聚糖结构介导。全面理解这些疾病需要整合遗传学、生物化学、糖组学和临床研究的多学科方法。
什么是聚糖？
碳水化合物与蛋白质、脂质并列为三大类生物分子。聚糖是由多种单糖组成的多糖类别。它们也是糖缀合物的组成部分，即与蛋白质或脂质共价连接的分子，介导关键的生物相互作用。
聚糖与蛋白质的连接模式
聚糖主要通过三种主要连接方式附着于蛋白质：
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N-连接糖基化：一个N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）残基连接到天冬酰胺（Asn）残基的酰胺基上。N-聚糖进一步分为高甘露糖型、复杂型和杂合型。
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O-连接糖基化：一个单糖连接到丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）残基的羟基上。最常见的形式是黏蛋白型O-糖基化，涉及N-乙酰半乳糖胺（GalNAc），形成8种核心结构。其他形式包括O-岩藻糖（Fuc）、O-甘露糖（Man）、O-葡萄糖（Glc）和O-GlcNAc。
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蛋白聚糖型糖基化：糖胺聚糖（GAG）链共价连接到核心蛋白的Ser残基上，通常由木糖（Xyl）残基起始。GAGs包括硫酸软骨素（CS）、硫酸皮肤素（DS）、硫酸肝素（HS）和硫酸角质素（KS），它们由重复的二糖单元组成，并广泛被硫酸化修饰。
此外，C-甘露糖化是一种罕见的糖基化形式，涉及Man通过碳-碳（C–C）键共价连接到色氨酸（Trp）残基的碳上。
与脂质连接的聚糖
神经酰胺主要被葡萄糖（Glc）糖基化，形成鞘糖脂（GSLs）的基础结构。根据核心糖结构，GSLs被分为多个系列。糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚是一种特殊的基于糖脂的糖缀合物，它将蛋白质锚定在细胞膜上。
聚糖的生物学功能
聚糖的生物合成主要在ER和高尔基体的腔室中进行，由大约400种不同的糖基转移酶和糖苷酶组成的复杂网络协调。进化研究表明，核心糖基转移酶家族在后口动物和原口动物（包括线虫和果蝇）分化之前就已建立。在果蝇中进行的全基因组RNA干扰筛选显示，沉默糖基转移酶和核苷酸糖转运蛋白会导致78%的致死率，强调了这些酶在发育中的关键作用。
N-聚糖的代表性功能
N-连接聚糖的一个主要功能在于针对细胞表面或分泌蛋白质的质量控制。在ER内，N-聚糖作为分子标签监测蛋白质折叠。在果蝇中，有缺陷的N-糖基化会损害蛋白质折叠、突触发生和电压门控离子通道的功能，最终缩短寿命。
O-聚糖的代表性功能
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黏蛋白型O-聚糖：是黏膜分泌物中的主要成分，形成保护性黏液屏障的关键部分。它们还通过与其配体相互作用参与免疫细胞运输，并与癌症细胞侵袭和转移有关。
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O-岩藻糖化聚糖：修饰Notch受体，这是细胞命运决定、组织模式和再生的关键调节因子。O-岩藻糖化对于Notch的正确折叠、ER输出和细胞表面定位是必需的。随后被Fringe酶延伸可调节Notch的配体特异性。
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O-甘露糖化聚糖：由POMT1和POMT2合成，对于肌营养不良聚糖的糖基化至关重要，后者将肌纤维锚定在细胞外基质上。人类POMT1和POMT2突变会导致严重的先天性肌营养不良（CMDs）。
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O-GlcNAc化：是唯一发生在细胞质和细胞核中的糖基化形式，是一种动态、可逆的修饰，调节转录、信号传导和应激反应。它作为一种营养传感器，将代谢状态与基因表达联系起来。
糖胺聚糖的代表性功能
在GAGs中，硫酸肝素（HS）是功能最多样化和特征最明确的。在果蝇中，HS蛋白聚糖是多种发育信号通路（包括Wnt/Wingless、Hedgehog（Hh）、BMP、FGF、Slit-Robo和JAK/STAT）调节的核心。HS链稳定形态发生素并帮助建立其梯度，从而指导组织模式和器官发育。
糖脂的代表性功能
糖脂是必不可少的膜成分，促进细胞识别、信号传导和结构稳定性。它们富含于脂筏中，脂筏是质膜中胆固醇和鞘脂丰富的微区，是信号传导的枢纽。
聚糖相关基因与聚糖合成途径
聚糖结构的多样性源于各种单糖的组合、它们之间的连接模式、分支结构的存在和位置以及硫酸化、乙酰化和磷酸化等化学修饰。这些结构变化主要由参与聚糖生物合成的酶的底物特异性调节。
参与聚糖生物合成的基因
直接参与人类聚糖生物合成的基因（糖基因）超过400个。负责聚糖合成的主要酶类包括糖基转移酶、糖苷酶、聚糖修饰酶、核苷酸糖合成酶和核苷酸糖转运蛋白。
糖基转移酶基因家族
糖基转移酶催化单糖从活化的糖供体（通常是核苷酸糖）转移到受体底物，是聚糖生物合成的主要催化剂。据估计，人类基因组中存在超过200个糖基转移酶（GT）基因。
糖苷酶基因家族
糖苷酶水解糖苷键。在聚糖生物合成的背景下，它们通过在聚糖加工中去除不必要的糖残基和降解聚糖而发挥关键作用。
参与核苷酸糖合成和转运的基因
核苷酸糖是聚糖生物合成过程中糖基转移酶必需的糖供体。一旦在细胞质或细胞核中合成，糖核苷酸通过核苷酸糖转运蛋白（SLC35家族）被转运到ER和高尔基体的腔室中，在那里进行聚糖的生物合成。
聚糖修饰酶
合成的聚糖通过各种酶促化学修饰进一步结构多样化和功能精细化。代表性的修饰包括硫酸转移酶催化的硫酸化、乙酰转移酶催化的乙酰化和激酶催化的磷酸化。
N-聚糖的主要生物合成途径
N-连接聚糖的生物合成始于ER中脂联寡糖（LLO）的形成，随后通过寡糖转移酶（OST）将其转移至新生多肽，并在高尔基体中加工成成熟的聚糖（高甘露糖型、杂合型或复杂型）。该过程涉及一系列ALG基因编码的酶、翻转酶（如RFT1）、以及后续在高尔基体中的修剪（MAN1A1/A2， MAN2A1/A2）和延伸（MGAT1-5）步骤。最终，复杂型N-聚糖的非还原末端进一步被半乳糖基化（B4GALT1）、唾液酸化（ST3GAL， ST6GAL家族）和核心岩藻糖基化（FUT8）修饰。
O-聚糖的主要生物合成途径
O-连接糖基化是一类多样化的修饰，聚糖附着在Ser/Thr（以及胶原O-半乳糖基化中的羟赖氨酸）的羟基上。
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O-GalNAc（黏蛋白型）聚糖：其生物合成由N-乙酰半乳糖胺转移酶（GalNAcT）家族启动，超过20种GalNAcT亚型已被鉴定。一旦添加了GalNAc，不同的糖基转移酶依次作用构建各种核心结构（例如，核心1-8）。这些核心结构可以通过添加单糖进一步延伸。
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O-甘露糖聚糖：O-甘露糖化途径涉及多个不同的基因（POMT1/2， POMGNT1， FKTN， FKRP， LARGE1/2， ISPD [CRPPA]， DPM3）。O-甘露糖聚糖的启动是通过单个Man残基共价连接到Ser/Thr残基的羟基氧上，由POMT1和POMT2组成的复合物催化。随后，O-甘露糖聚糖可以在ER（针对核心M3/基质糖途径）或高尔基体（针对核心M1/M2途径）中进一步延伸。钙黏蛋白和原钙黏蛋白家族蛋白的O-甘露糖化则由跨膜和四肽重复序列包含（TMTC）家族介导。
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O-GlcNAc聚糖：O-连接GlcNAc（O-GlcNAc）是一种独特、高度动态且可逆的PTM，特异性地在细胞质和细胞核中合成。它由O-GlcNAc转移酶（OGT）添加，并由O-GlcNAc酶（OGA）去除。O-GlcNAc也通过EGF结构域特异性O-GlcNAc转移酶（EOGT）存在于分泌蛋白和膜蛋白的EGF重复序列上。
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O-岩藻糖聚糖：O-岩藻糖化是Fuc直接连接到Ser/Thr残基羟基上的一种O-连接修饰。POFUT1特异性识别EGF样结构域，对Notch信号传导至关重要。POFUT2特异性靶向TSR结构域，对其底物蛋白的正确折叠和分泌稳定性至关重要。POFUT3和POFUT4作用于蛋白质的EMI结构域。
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O-葡萄糖聚糖：O-葡萄糖聚糖修饰是一种罕见的O-连接PTM，其中Glc通过O-连接直接附着在蛋白质上。它由蛋白O-葡萄糖基转移酶（POGLUT1， 也称为Rumi）催化。
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O-半乳糖聚糖：O-半乳糖基聚糖修饰主要集中在胶原分子的羟赖氨酸（Hyl）上。在ER中，赖氨酸首先被赖氨酰羟化酶（PLOD1-3）羟基化。然后，胶原β-半乳糖基转移酶（COLGALT1， COLGALT2）将Gal从UDP-Gal转移到Hyl上。最后，葡萄糖基转移酶赖氨酰羟化酶3（LH3/PLOD3）将Glc添加到Gal-Hyl上形成二糖。
