Heparan-sulfat (HS) je linearni polisaharid koji se nalazi u svim životinjskim tkivima.[1] Javlja se kao proteoglikan (HSPG, tj. Heparan-sulfat proteoglikan) u kojem su dva ili tri HS lanca vezana u neposrednoj blizini površine ćelije ili vanćelijskog matriksa proteina.[2][3] U ovom obliku se HS vezuje za različite proteinske ligande, uključujući Wnt,[4][5] i reguliše širok spektar bioloških aktivnosti, uključujući razvojne procese, angiogenezu, koagulaciju krvi, ukidajući aktivnost odvajanja GrB (granzim B),[6] i tumorske metastaze. Također se pokazalo da HS služi kao ćelijski receptor za brojne viruse, uključujući respiratorni sincicijski virus.[7] Jedna studija sugerira da ćelijski heparan-sulfat ima ulogu u infekciji SARS-CoV-2, posebno kada se virus veže s ACE2.[8]

Thumb
Strukturna formula heparan-sulfatne podjedinice

.

Proteoglikani

Glavni HSPG-ovi ćelijske membrane su transmembranski sindekani i glikozilfosfatidilinozitoli (GPI) usidreni glipikani.[9][10] Drugi manji oblici membranskog HSPG-a uključuju betaglikan[11] i V-3 izoformu CD44 prisutnu na keratinocitima i aktiviranim monocitima.[12]

U vanćelijskom matriksu, posebno baznim membranama i fraktonima, multi-domenski perlekan, agrin i kolagena XVIII proteini jedrae su glavni tipovi koje nose HS.

Struktura i razlike od heparina

Heparan-sulfat je član glikozaminoglikanske porodice ugljikohidrata i veoma je blisko povezan po strukturi sa heparinom. Heparin, poznat kao antikoagulans, je visoko sulfatirani oblik HS koji se, za razliku od HS, uglavnom nalazi u sekretornim granulama mastocita.[13] Oba se sastoje od varijabilno sulfatirane ponavljajuće disaharidne jedinice. Glavne disaharidne jedinice koje se javljaju u heparan-sulfatu i heparinu prikazane su u nastavku.

Najčešća disaharidna jedinica u heparanasulfatu sastoji se od glukuronske kiseline (GlcA) povezane sa N-acetilglukozaminom (GlcNAc), obično čini oko 50% ukupne disaharidne jedinice. Uporedite ovo sa heparinom, gde IdoA(2S)-GlcNS(6S) čini 85% heparina iz goveđih pluća i oko 75% heparina iz svinjske crijevne sluzokože. Problemi nastaju prilikom definiranja hibridnih GAG-ova koji sadrže i strukture slične 'heparinu' i 'HS-like'. Predloženo je da GAG treba da se kvalifikuje kao heparin samo ako njegov sadržaj N-sulfatnih grupa uveliko premašuje N-acetilne grupe, a koncentracija O-sulfatnih grupa premašuje onu N-sulfatnih.[14]

Dolje nisu prikazani rijetki disaharidi koji sadrže 3-O-sulfat glukozamin (GlcNS(3S,6S) ili slobodnu amino grupu (GlcNH3+). U fiziološkim uslovima esterske i amidne sulfatne grupe se deprotoniraju i privlače pozitivno nabijene kontraione da formiraju so. Smatra se da u tom obliku HS postoji na površini ćelije.

  • Thumb
    GlcA-GlcNAc
  • Thumb
    GlcA-GlcNS
  • Thumb
    IdoA-GlcNS
  • Thumb
    IdoA(2S)-GlcNS
  • Thumb
    IdoA-GlcNS(6S)
  • Thumb
    IdoA(2S)-GlcNS(6S)

Skraćenice

  • GlcA = β-D-glukuronska kiselina
  • IdoA = α-L-iduronska kiselina
  • IdoA(2S) = 2-O-sulfo-α-L-iduronska kiselina
  • GlcNAc = 2-deoksi-2-acetamido-α-D-glukopiranozil
  • GlcNS = 2-deoksi-2-sulfamido-α-D-glukopiranozil
  • GlcNS(6S) = 2-deoksi-2-sulfamido-α-D-glukopiranozil-6-O-sulfat

Biosinteza

Mnogo različitih tipova ćelija proizvodi HS lance sa mnogo različitih primarnih struktura. Stoga postoji velika varijabilnost u načinu na koji se sintetiziraju HS lanci, stvarajući strukturnu raznolikost obuhvaćenu pojmom "heparanom" - koji definira cijeli niz primarnih struktura koje proizvodi određena ćelija, tkivo ili organizam.[15] Međutim, od suštinskog značaja za formiranje HS bez obzira na primarnu sekvencu je niz biosintetskih enzima. Ovi enzimi se sastoje od više glikoziltransferaza, sulfotransferaza i epimeraza. Ti isti enzimi takođe sintetišu heparin.

1980-ih, Jeffrey Esko je bio prvi koji je izolirao i karakterizirao mutante životinjskih ćelija izmijenjene u sklopu heparan-sulfata.[16] Mnogi od ovih enzima su sada pročišćeni, molekulski klonirani i obrasci njihove ekspresije su proučavani. Iz ovog i ranog rada na osnovnim fazama biosinteze HS/heparina koristeći sistem bez ćelija mastocitoma miša, mnogo se zna o redoslijedu enzimskih reakcija i specifičnosti.[17]

Iniciranje lanca

Thumb
Strukture heparan-sulfata i keratan-sulfata, nastale dodavanjem šećera ksiloze ili GalNAc šećera na serinske i treoninske ostatke proteina.

Sinteza HS započinje prijenosom ksiloze sa UDP-ksiloze pomoću ksiloziltransferaza (XT) na specifične serinske ostatke unutar proteinskog jezgra. Spajanje dva galaktozna (Gal) ostatka galaktoziltransferazama I i II (GalTI i GalTII) i glukuronske kiseline (GlcA) pomoću glukuronoziltransferaze I (GlcATI) dovršava formiranje tetrasaharidnog prajmera O-vezanog za serin jezgarnih proteina: βGlcUA-(1→3)-βGal-(1→3)-βGal-(1→4)-βXyl-O-Ser.

Smatra se da se vezivanje ksiloze za jezgarni protein javlja u endoplazmatskom retikulumu (ER) sa daljim sastavljanjem regiona veze i ostatka lanca koji se javlja u Golgijevom aparatu.

Putevi biosinteze HS/heparina ili hondroitin-sulfat (CS) i dermatan-sulfat (DS) se razlikuju nakon formiranja ove zajedničke strukture tetrasaharidne veze. Sljedeći enzim koji djeluje, GlcNAcT-I ili GalNAcT-I, usmjerava sintezu, bilo na HS/heparin ili CS/DS.

Elongacija lanca

Nakon vezivanja prvog N-acetilglukozaminskog (GlcNAc) ostatka, produženje tetrasakridnog linkera nastavlja se postupnim dodavanjem GlcA i GlcNAc ostataka. Oni se prenose sa svojih odgovarajućih UDP-šećernih nukleotida. Ovo se provodi pomoću jednog ili više srodnih enzima čiji su geni članovi porodice egzostoznih gena (EXT) tumorskih supresora.

Mutacije na EXT1-3 genskim lokusima kod ljudi dovode do nesposobnosti ćelija da proizvode HS i do razvoja bolesti multiple nasljedne egzostoze (MHE). MHE karakteriziraju tumori prekriveni hrskavicom, poznati kao osteohondromi ili egzostoze, koji se prvenstveno razvijaju na dugim kostima oboljelih osoba od ranog djetinjstva do puberteta.[18]

Modifikacija lanca

[Kako se HS lanac polimerizira, on prolazi kroz niz reakcija modifikacije koje provode četiri klase sulfotransferaza i epimeraza. Dostupnost donora sulfata PAPS je ključna za aktivnost sulfotransferaza.[19][20]

N-deacetilacija/N-sulfacija

Prva modifikacija polimera je N-deacetilacija/N-sulfatacija GlcNAc ostataka u GlcNS. Ovo je preduslov za sve naknadne modifikacione reakcije, a provodi ga jedan ili više članova porodice od četiri enzima GlcNAc N-deacetilaze/N-sulfotransferaze (NDST). U ranim studijama je pokazano da modificirajući enzimi mogu prepoznati i djelovati na bilo koji N-acetilirani ostatak u polimeru koji se formira.[21] Stoga bi se modifikacija GlcNAc ostataka trebala dogoditi nasumično u cijelom lancu. Međutim, u HS, N-sulfirani ostaci su uglavnom grupirani zajedno i razdvojeni regijama N-acetilacije gdje GlcNAc ostaje nemodificiran.

Postoje četiri izoforme NDST (NDST1–4). Aktivnosti N-deacetilaze i N-sulfotransferaze prisutne su u svim NDST-izoformama, ali se značajno razlikuju u svojim enzimskim aktivnostima.[22]

Generiranje GlcNH2

Zbog toga što se N-deacetilaza i N-sulfotransferaza provode istim enzimom, N-sulfatacija je normalno čvrsto povezana sa N-acetilacijom. Ostaci GlcNH2 koji su rezultat očiglednog razdvajanja dvije aktivnosti pronađeni su u heparinu i nekim vrstama HS.[23]

Epimerizacija i 2-O-sulfatacija

Epimerizaciju katalizira jedan enzim, GlcA C5 epimeraza ili heparosan-N-sulfat-glukuronat 5-epimeraza (EC 5.1.3.17). Ovaj enzim epimerizuje GlcA u iduronsku kiselinu (IdoA). Prepoznavanje supstrata zahteva da ostatak GlcN vezan za neredukcionu stranu potencijalne GlcA mete bude N-sulfat. Uronozil-2-O-sulfotransferaza (2OST) sulfatira rezultirajuće ostatke IdoA.

6-O-sulfacija

Identificirane su tri glukozaminil 6-O-transferaze (6OSTs) koje rezultiraju stvaranjem GlcNS(6S), pored sulfatnog ili nesulfatnog IdoA. GlcNAc(6S) se također nalazi u zrelim HS lancima.

3-O-sulfacija

Do sada je poznato da sedam glukozaminil 3-O-sulfotransferaza (3OSTs, HS3STs) postoji kod sisara (osam kod zebrica).[24][25] Enzimi 3OST stvaraju brojne moguće 3-O-sulfatne disaharide, uključujući GlcA-GlcNS(3S±6S) (modificiran putem HS3ST1 i HS3ST5), IdoA(2S)-GlcNH2(3S±6S) (modificirano prema HS3ST3A1, HS3ST3B1, HS3ST5 i HS3ST6) i GlcA/IdoA(2S)-GlcNS( 3S) (izmijenjeno od strane HS3ST2 i HS3ST4).[26][27][28][29] Kao i kod svih drugih HS sulfotransferaza, 3OST koriste 3'-fosfoadenozin-5'-fosfosulfat (PAPS) kao donatora sulfata. Uprkos tome što su najveća porodica enzima za modifikaciju HS, 3OST proizvode najrjeđu HS modifikaciju, 3-O-sulfataciju specifičnih ostataka glukozamina u C3-OH ostatku.[30]

3OST su podijeljeni u dvije funkcionalne potkategorije, one koje stvaraju antitrombin III mjesto vezanja (HS3ST1 i HS3ST5) i one koje stvaraju herpes simplex virus 1 glikoprotein D ( HSV-1 gD) mjesto vezanja (HS3ST2, HS3ST3A1, HS3ST3B1, HS3ST4, HS3ST5 i HS3ST6).[26][27][28][29][31][32][33][34][35][36][37] Kako su 3OST najveća porodica enzima za modifikaciju HS i njihovo djelovanje ograničava brzinu, specifično za supstrat i proizvodi rijetke modifikacije, pretpostavlja se da 3OST modificirani HS ima važnu regulatornu ulogu u biološkim procesima.[29][32] Pokazalo se da 3-O-sulfatacija može poboljšati vezivanje Wnt za glipikan i može igrati ulogu u regulaciji Wnt kod raka.[5][10]

Vezivanje liganda

Heparan-sulfat se veže sa velikim brojem vanćelijskih proteina. Oni se često zajednički nazivaju "heparin interaktom" ili "heparin-vezujući proteini", jer su izolovani afinitetnom hromatografijom na srodnom polisaharidnom heparinu, iako je termin "heparan sulfat interaktom" ispravniji. Funkcije proteina koji vežu heparan-sulfat kreću se od komponenti vanćelijskog matriksa, do enzima i faktora koagulacije, te većine faktora rasta, citokina, hemokina i morfogena.[38] Laboratorija dr. Mitchella Hoa na NCI-u izolovala je ljudsko monoklonsko antitijelo HS20 s visokim afinitetom za heparan-sulfat, putem displeja faga.[39] Antitijelo vezuje heparan-sulfat, a ne hondroitin sulfat.[5] Vezivanje HS20 za heparan-sulfat zahteva sulfatizaciju i na poziciji C2 i na poziciji C6. HS20 blokira vezivanje Wnt na heparan-sulfat[5] i također inhibira infektivni ulazak patogenog JC poliom virusa.[40]

Interferon-γ

Vezujući region za receptor na površini ćelije, Interferon-γ preklapa se sa HS vezujućim regionom, blizu C-terminala proteina. Vezivanje HS blokira mjesto vezanja receptora i kao rezultat toga, kompleksi protein-HS su neaktivni.[41]

Wnt

Glipikan-3 (GPC3) stupa u interakciju sa Wnt i ukrućenom strukturom, kako bi formirao kompleks i pokreće nizvodnu signalizaciju.[4][10] Eksperimentalno je utvrđeno da Wnt prepoznaje motiv heparan-sulfata na GPC3, koji sadrži IdoA2S i GlcNS6S, i da 3-O-sulfatacija u GlcNS6S3S pojačava vezivanje Wnt za glipikan.[5] Također se proučavaju svojstva vezivanja HS brojnih drugih proteina:

Analog heparan sulfata

Glavni članak: Analog heparan sulfata

Smatra se da analozi heparan-sulfata pokazuju identična svojstva kao i heparan-sulfat, osim što su stabilni u proteolitskom okruženju kao što je rana.[42][43] Budući da se heparan-sulfat u hroničnim ranama razgrađuje heparanazom, analozi se vezuju samo za mjesta na kojima nema prirodnog heparan-sulfata i ne mogu ga razgraditi nijedne poznate heparanaze i glikanaze. Također, funkcija analoga heparan-sulfata je ista kao i heparan-sulfata, štiteći različite proteinske ligande, kao što su faktori rasta i citokini. Držeći ih na mjestu, za proliferaciju tkivo može koristiti različite proteinske ligande.

Reference

Vanjski linkovi

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.

Chrome
Wikiwand for Chrome
Firefox
Wikiwand for Firefox