研究人員發現了身體碳水化合物(糖鏈或“聚糖”)中一種調節其與其他分子結合方式的結構如何與關鍵酶相互作用，從而導致一系列疾病。

人體最重要的生化過程之一就是碳水化合物(糖鏈或“聚糖”)與蛋白質和脂肪(脂質)的結合，當這一過程發生故障時，患上一系列疾病的風險就會急劇增加。研究人員最近發現，在這種結合過程中，一種關鍵酶與聚糖中的一種小結構相互作用，會導致這種分解。

他們的研究結果發表在 2024 年 6 月 4 日《生物化學雜志》在線版的一篇論文中 。

在生物體內，碳水化合物或“聚糖”附著在蛋白質或脂質上(這一過程稱為“糖基化”)在大量生理過程中起著至關重要的作用。它是細胞識別、細胞信號傳導、免疫反應、蛋白質折疊、發育和受精所必需的。同時，聚糖結構的輕微改變可能導致或加重癌癥、糖尿病、阿爾茨海默氏癥和肌營養不良癥等疾病。

事實上，聚糖及其相關過程非常重要，因此有了自己的一個領域：糖生物學。在這個學科中，幾乎所有負責人類聚糖生產的酶(啟動或加速化學反應的分子)都已被識別和分類，各種生產過程或“生物合成途徑”也已被識別和分類。

然而，盡管糖生物學作為一個領域已經成熟，研究人員和臨床醫生仍需要能夠更準確地預測和微調細胞中的聚糖結構，從而更好地應對糖基化功能障礙可能導致的各種疾病。因此，研究人員仍然需要更好地了解將聚糖附著到蛋白質或脂質上的酶(“糖轉移酶”)的活性在細胞內是如何調節的。

在兩種類型的聚糖中，N 連接聚糖(與蛋白質內的氮原子連接的聚糖)和 O 連接聚糖(與蛋白質內的氧原子連接的聚糖)，存在一種由兩種糖組成的結構，稱為 LacdiNAc，或簡稱為 LDN，位于聚糖的末端(末端位置)或半末端(次末端位置)。LDN 結構的生物合成由兩種酶中的一種催化，即 B4GALNT3 或 B4GALNT4。在其他聚糖中，沒有 LDN，而是略有不同的雙糖結構，稱為 LacNAc。

研究表明，LDN 結構參與了一系列重要的身體過程，并且在許多疾病中功能失調。特別是，體內循環的幾種激素受到 LDN 的修飾，而 LDN 似乎參與了干細胞的維持。此外，催化 LDN 生物合成的 B4GALNT3 變體與骨密度降低和骨折風險增加有關，而當 B4GALNT3 似乎被關閉時，結腸癌的風險會增加。

“鑒于所有這些與疾病和關鍵身體過程有關的確鑿證據，我們必須了解這些酶如何合成 LDN，” 本文首席研究員、岐阜大學糖核研究所 ( iGCORE ) 糖生物學家Yasuhiko Kizuka說道。“但到目前為止，這些過程一直是個黑匣子。”

但近年來，結構生物學、酶學和糖組學的進展提供了新的工具和技術，為此類研究提供了可能性。

首先，通過對所有已知的人類糖基轉移酶的結構進行篩選，研究人員發現，在兩種類型的B4GALNT中，都有一個獨特的特征，即在其他糖基轉移酶中并不常見的“PA14結構域”。

研究人員還將正常 B4GALNT3 的酶活性與他們突變的糖基轉移酶版本進行了比較，突變后的版本缺乏 PA14 結構域，以了解當這種結構缺失時會發生什么。然后，他們將正常 B4GALNT3 的活性與其他正常糖基轉移酶和聚糖修飾酶進行了比較。

此外，論文作者還制作了 B4GALNT3 及其 PA14 結構域的計算機模型，以研究影響酶活性的潛在結合相互作用和結構特征。他們還進行了各種生化分析，以表征 B4GALNT3 產生的聚糖的結構，包括它們的“表位”——與其他分子相互作用的識別位點——然后研究了 LDN 對這些表位制造的影響。

他們發現，缺少 PA14 結構域的 B4GALNT3 突變版本與 N 連接和 O 連接聚糖以及糖蛋白相關的活性顯著降低。這表明 PA14 結構域對于酶活性至關重要。

研究人員還能夠更好地理解 LDN 和 LacNAc 之間的功能差異。他們發現，LDN 取代 LacNAc 會對許多糖基轉移酶在 N-糖鏈末端修飾或添加糖殘基的作用產生負面影響。這些末端修飾(稱為“N-糖鏈封端”)在確定糖蛋白的結構、功能、穩定性和相互作用方面起著至關重要的作用。

“換句話說，LDN 對與典型的 LacNAc 結構完全不同的 N-聚糖的產生有顯著影響，”Yasuhiko Kizuka 說。

研究人員現在希望深入研究 B4GALNT3 和 LDN 在疾病發病機制中的作用并確定潛在的治療靶點。