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Basic Information

• 英文标题： Genetics of glycosylation in mammalian development and disease
• 中文标题：哺乳动物发育和疾病中的糖基化遗传学
• 发表日期：09 May 2024
• 文章类型：Review Article
• 所属期刊：Nature Reviews Genetics
• 文章作者：Pamela Stanley
• 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41576-024-00725-x

Abstract

1. 蛋白质和脂质在哺乳动物中的糖基化对胚胎发育和所有组织的形成至关重要。
2. 在培养的哺乳动物细胞和模型生物体中对糖基化突变体的分析，对定义糖基化途径和糖类的生物学功能至关重要。
3. 近年来，基因组测序的应用揭示了人类中罕见的糖基化先天性疾病范围的广泛性，以及遗传学对与传染病、癌症进展和免疫系统疾病相关的糖类合成的影响。
4. 这种对糖类合成和功能的更深入了解，为糖基化相关疾病的诊断和治疗进展铺平了道路，包括通过糖基化工程开发糖蛋白治疗药物。

Introduction

1. 糖基化是一种将单糖催化转移到另一种糖上形成聚糖，或者将单糖转移到蛋白质或脂质上的过程，并且这一过程是由糖基转移酶介导的。
2. 被转移的单糖必须被激活（即与核苷酸或长链醇磷酸共价结合），以成为糖基转移酶的供体底物。
3. 糖基化广泛存在——大多数膜结合蛋白和分泌蛋白都是糖基化的——并且深刻影响着糖蛋白和糖脂的溶解性、亚细胞定位和活性构象。
4. 例如，关键信号分子如生长因子受体的糖基化，可以影响它们定位到质膜、在细胞表面的停留时间、生长因子结合的动力学，以及生长因子信号的整体持续时间和强度。
5. 此外，形成聚糖的连接单糖被糖苷结合蛋白识别，并促进细胞-细胞和细胞-生物体的相互作用。
6. 糖基化对人类健康也很重要。
7. 1996年首次报道了与糖基化先天性障碍（CDG）相关的人类突变（参考文献2），现在已定义的CDG超过170种（见表1；CDG中心）。
8. 糖基化也被证明参与到诸如炎症（参考文献4）和癌症进展（参考文献5）等过程中。

Table 1 Congenital disorders of glycosylation 表1：糖基化先天性障碍

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1. 糖蛋白含有共价连接的N-糖链和/或O-糖链：N-糖链与天冬酰胺（Asn）连接，而O-糖链与丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）连接（Ser/Thr）。最简单的糖链是O-糖链，它们以单个糖开始，例如N-乙酰半乳糖胺（GalNAc），N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc），岩藻糖（Fuc），葡萄糖（Glc），甘露糖（Man）或半乳糖（Gal）。对于那些预定留在细胞核和细胞质中的蛋白质，GlcNAc可能会添加到Ser/Thr残基上形成O-GlcNAc，并且不再有进一步的添加。然而，对于分泌型和膜结合蛋白，较简单的糖链通常在通过分泌途径运输时，会添加额外的糖进行延伸。这个复杂的合成途径对于特定N-糖链被凝集素伴侣识别很重要，这些伴侣介导内质网和高尔基体中的折叠，以及涉及从内质网中移除错误折叠糖蛋白的伴侣。最终，在细胞表面发现了多种带有共价连接糖链的糖共轭物（图1）。与Ser/Thr残基连接的O-GalNAc和O-Man糖链通常以串联数组形式出现，并且可能与糖蛋白协同发挥作用。糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定糖链将蛋白质连接到质膜的外层。N-糖链、矩阵糖蛋白和蛋白聚糖含有许多可能单独或成组发挥作用的糖。例如，N-糖链通常以唾液酸（Sia）结尾。值得注意的是，N-糖链上的Sia是表皮生长因子受体信号的重要调节剂。Notch受体细胞外结构域上的O-糖链调节Notch信号的强度。此外，各种糖共轭物中的糖可能会被硫酸或磷酸修饰，进一步增加了潜在功能糖型的数量。

Fig. 1: The diverse glycome.

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• 编码糖基转移酶和其他参与糖基化活动的基因由糖组编码，并产生图中所示的各种类型的糖苷。
• 不同的糖苷连接到糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白、具有表皮生长因子样（EGF）或血栓结合蛋白重复（TSR）模块的蛋白、蛋白聚糖、基质糖蛋白、糖蛋白、糖脂和质膜中的糖RNA。
• O-GlcNAc修饰的蛋白存在于细胞质中。
• 除了后者，所显示的成熟糖苷位于质膜糖缀合物的细胞外域或分泌到细胞外基质中。
• 这些糖苷的不成熟形式存在于分泌途径中（未显示）。
• 值得注意的是，糖组的表达会随发育阶段和生理条件的不同而变化。
• 大约有150个GPI锚定蛋白和大约50个带有EGF重复的蛋白（深灰色）携带连接到丝氨酸或苏氨酸（S/T）的O-糖苷，包括Notch受体和Notch配体。
• TSRs（灰色）出现在血栓结合蛋白1和2以及大约70个非血栓结合蛋白中，包括ADAMTS蛋白。
• C-甘露糖连接到色氨酸（浅灰色）存在于细胞因子受体1家族蛋白和TSR1重复中。
• 肝素硫酸盐、软骨素硫酸盐和其他糖胺聚糖出现在大约30个蛋白聚糖的核心蛋白上，以及少数非蛋白聚糖糖蛋白上。
• 基质糖蛋白出现在α- dystroglycan（αDG）和少数其他蛋白上。
• 糖蛋白包括所有分泌途径和质膜中的跨膜蛋白，携带N-糖苷和/或O-糖苷；糖脂根据脂质组成分为三大类；糖RNA包括几个携带N-糖苷的小RNA类别。
• 每个糖苷中的保守核心糖位于灰色框内。
• 细胞质中已知的唯一糖蛋白携带O-GlcNAc，其中有许多。
• 最近发现的糖缀合物是连接到N-糖苷的RNA和免疫球蛋白样、plexin、转录因子（IPT）结构域上的O-甘露糖。
• 用于糖苷的符号命名法在图例中给出。
• Fuc，岩藻糖；Gal，半乳糖；GalNAc，N-乙酰半乳糖胺；Glc，葡萄糖；GlcNAc，N-乙酰葡萄糖胺；IdoA，艾杜糖醛酸；Man，甘露糖；NXS/T，天冬酰胺-X-丝氨酸或苏氨酸；Rib，核糖；Sia，唾液酸；Xyl，木糖。
• 图经许可改编自参考文献167，Springer Nature。

para

1. 该领域早期的许多工作，尤其是在糖链的特征描述方面，依赖于基于生物化学的方法。
2. 然而，第一个哺乳动物糖基化基因的克隆提供了一个新的目标：表征哺乳动物糖组，其中包括编码生成糖链所需的所有活动的所有基因。
3. 最终，对糖组的完整理解应该能够预测糖链在时间和空间上的表达以及表达扰动（例如与人健康相关）的效果。
4. 单细胞蛋白质组学和转录组学方法的进步将促进该领域的发展。
5. 然而，这样的预测受到这样一个事实的复杂影响：尽管糖链的形成基于遗传学，但在特定时间点给定细胞中的最终糖链组成还受到非遗传因素的影响，例如分泌途径中不同的生化环境和糖基转移酶之间的竞争。

para

1. 本篇综述强调了近期我们在理解哺乳动物糖基化遗传学方面的进展。
2. 我首先提供了一个概述，介绍了生成附着在蛋白质和脂质上的多种糖链的复杂遗传学和生物化学途径及其在发育中的作用。
3. 接下来，我讨论了影响糖基化的遗传变化如何导致广泛的生物学后果，包括改变疾病易感性以及诸如多种CDG和免疫障碍等人类疾病。
4. 我还总结了在肿瘤发生和肿瘤进展过程中发生的糖基化变化，包括糖链和糖链结合蛋白作为检查点抑制剂的新功能。
5. 最后，我以讨论糖基化工程方面的进展如何现在被用于生物技术和开发跟踪疾病进展中糖链变化的新工具来结束。
6. 值得注意的是，此处总结的原则和要点主要是在合成糖蛋白的N-糖链和O-糖链的基因背景下讨论的，但也适用于参与糖脂、糖胺聚糖（GAGs）、基质糖蛋白和GPI锚定蛋白合成的基因（图1）。
7. 资源如NCBI糖链页面、GlyGen门户网站和《糖生物学基础》第4版免费在线教科书为所有人提供了全面进入糖科学的入口。

Genetic and biochemical complexity of glycosylation

1. 尽管附加在成熟糖缀合物上的糖链是表达糖基基因的产物，但糖基化是一个非模板过程。
2. 每个糖基化位点的最终糖链形成，源于糖缀合物在分泌途径的各个室中传递时其对糖基转移酶的接触。
3. 许多因素，包括糖基转移酶的活性和特异性，或者糖苷酶的存在，都影响着在成熟糖缀合物上发现的最终糖型组合。

Direct regulators of glycan synthesis

糖链合成的直接调控因子

1. 细胞表面成熟的糖缀合物的糖链起源于内质网或早期高尔基体室。
2. 然而，它们合成、成熟和运输过程中涉及的高度局部化过程（及基因产物）差异很大，这导致了大量的遗传学和生物化学复杂性。
3. 本文简要概述了各种糖链的合成（详见在线教科书《糖生物学基础》第4版，其中全面描述了糖基化的直接调节因子）。
4. 单糖通过膜转运蛋白被运送到细胞质中，或通过细胞质中的挽救途径生成，然后与核苷酸（在细胞质中）或 Dolichol-磷酸（在内质网胞质面）结合，形成活化的糖供体。
5. 一些糖链（GPI锚和N-糖链）的起始发生在内质网膜胞质侧，但其他糖链，包括O-岩藻糖、O-葡萄糖、O-葡萄糖胺和O-甘露糖，是在内质网腔中添加的。
6. O-半乳糖胺糖链（也称为蛋白聚糖上的GAG）和糖脂是在高尔基体室起始的，需要将糖供体从细胞质运输到高尔基体。
7. 对于在内质网起始的糖链，在内质网膜胞质侧和/或腔侧可以添加一个或多个糖，后者需要将糖供体运输到内质网。
8. 糖链在通过高尔基体室时的延长也需要糖供体的运输。
9. 重要的是，许多过程的参与成分和定位对每种糖链类型都是特定的，这突显了糖基化的遗传学和生物化学复杂性。
10. 例如，O-半乳糖胺糖链是由多达20种不同的多肽GalNAc转移酶启动的，这些酶位于早期高尔基体中。
11. 此外，最近的研究提出，4个不同的细胞质GDP-岩藻糖池（通过不同途径生成）为内质网和高尔基体中的13个岩藻糖基转移酶提供GDP-岩藻糖底物。

Fig. 2: Genetics of fucosylation.

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• 许多基因产物需要合成、运输和利用GDP-岩藻糖（GDP-Fuc），然后岩藻糖被转移至岩藻糖基化丝氨酸、苏氨酸或其他糖类。
• 该图展示了GDP-岩藻糖在细胞质中的合成、进入分泌途径的运输以及在内质网和高尔基体隔室中使用GDP-岩藻糖岩藻糖基化目标糖蛋白、蛋白质或脂质的岩藻糖基转移酶。
• L-岩藻糖通过大胞吞（macropinocytosis，宏观）、葡萄糖转运蛋白SLC2A1（也称为GLUT1）或预测的L-岩藻糖转运蛋白（P）168进入细胞质。
• 此外，L-岩藻糖通过溶酶体中的岩藻糖苷酶FUCA1从糖蛋白中释放并运输到细胞质169。
• 挽救途径使用酶FCSK和FPGT将L-岩藻糖转化为细胞质中的GDP-岩藻糖。
• 从头合成途径从葡萄糖（Glc）和甘露糖（Man）通过果糖-6-P和GDP-甘露糖利用酶PMM1、PMM2、GMPPA、GMPPB、GMDS和GFUS在细胞质中生成GDP-岩藻糖。
• 根据合成途径的来源，已经提出了四种细胞质中的GDP-岩藻糖池17。
• GDP-岩藻糖通过从高尔基体隔室逆向运输或预测的定位于内质网的GDP-岩藻糖转运蛋白（P）170,171进入内质网腔。
• GDP-岩藻糖进入高尔基腔是由SLC35C1 GDP-岩藻糖转运蛋白172执行的，也可能是由定位于高尔基膜上的假设GDP-岩藻糖转运蛋白SLC35C2（173）执行的。
• 在分泌途径中利用GDP-岩藻糖的岩藻糖基转移酶包括内质网中的POFUT1和POFUT2、中高尔基体中的FUT8以及跨高尔基体和跨高尔基体网络（TGN）中的FUT1-FUT9。
• COG，保守的寡聚复合物；ERGIC，内质网-高尔基体中间隔室；TMF，与Rab6结合的高尔基蛋白。图改编自参考文献18，CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。

Indirect regulators of glycan synthesis

间接调节糖合成

1. 除了直接调节因子外，许多基因可以通过间接方式影响糖基化，例如那些维持分泌途径结构、囊泡运输和离子运输所必需的基因，或者那些作为分子伴侣发挥作用的基因。
2. 例如，导致糖基化缺陷的突变已追溯到编码蛋白质的基因，如保守的寡聚复合物（COG）、GRASP蛋白、高尔基蛋白和GARP蛋白，这些蛋白质调节内质网和高尔基体的结构与运输。
3. 第一个作为糖基转移酶活性所需的分子伴侣的例子是COSMC，这是一种内质网糖蛋白，对于生成活性的T-合成酶（即Gal转移酶C1GALT1）以启动核心1和2 O-GalNAc糖苷合成是必需的。
4. 最近，基于CRISPR的筛选方法已经鉴定出对于个别糖基转移酶功能所需的新分子伴侣。
5. 例如，一种称为LYSET的小型跨膜分子伴侣，对于磷酸化GlcNAc转移酶的功能是必需的，该酶将P-GlcNAc转移至高尔基室中溶酶体水解酶的寡甘露糖N-糖苷上的甘露糖残基。
6. 此外，针对志贺毒素抗性的CRISPR筛选确定LAPTM4A是Gb3合成酶在糖脂合成中的激活剂或分子伴侣，以及另外两个因素TMEM165和TM9SF2对糖脂合成、定位和运输的重要性。
7. 这些几个例子说明了众多基因对各种类型糖基化的贡献，这使得表征糖组及其产物的功能成为一项重大任务。

Glycosylation genes in mammalian development

para

1. 小鼠模型，可以通过失活糖基转移酶基因或糖修饰基因（如磺基转移酶基因），为特定糖基在哺乳动物发育中的作用提供了见解。
2. 初步实验发现，许多糖基化基因的同义缺失会导致小鼠出现胚胎致死性，这些基因包括Dpagt1（无N-糖基），Mgat1（无复杂N-糖基），Galnt2（O-GalNAc糖基减少），Pofut1（表皮生长因子样（EGF）重复上无O-Fuc糖基），Pofut2（血栓蛋白重复（TSR）上无O-Fuc糖基），Poglut1（EGF重复上无O-葡萄糖糖基），Pomt1（无matriglycan），Xylt1 + Xylt2（无蛋白聚糖），Piga（无GPI锚定）或Ugcg（无葡萄糖神经酰胺）（见图1）。
3. 在一些情况下，已经确定了导致胚胎致死的机制。
4. 例如，删除Pofut2，该基因在TSRs上添加岩藻糖，会导致胚胎发育缺陷，这种缺陷在遗传和生物化学上与ADAMTS9从额外胚胎组织的缺陷分泌有关。
5. 另一个例子是，Notch配体DLL4和JAG1结合NOTCH1的EGF重复12上的O-Fuc，并诱导Notch信号。
6. 具有消除该O-Fuc位点的点突变的C57BL/6J小鼠胚胎，在大约胚胎第11.5天死亡，这表明，在NOTCH1 EGF重复上的潜在20个O-Fuc中，配体与这一特定的O-Fuc的结合对于NOTCH1信号和胚胎发育中期之后至关重要。
7. 然而，在混合遗传背景下，同样的同义突变由于Notch信号减少，会导致T细胞发育缺陷。

para

1. 其他实验表明，在哺乳动物发育过程中并非所有的糖基化都具有功能上的重要性。
2. 例如，有人提出，Cripto 单个表皮生长因子（EGF）重复序列中的 O-Fuc 对节点信号传导很重要。
3. 然而，尽管 Ser 上存在 O-Fuc，将携带 O-Fuc 的 Thr 转变为 Ser 会使 Cripto 和节点信号传导失活。
4. 因此，Cripto 上的 O-Fuc 在基于细胞的实验中并不是功能所必需的。
5. 值得注意的是，小鼠的敲除实验已经确定了编码看似冗余酶的糖基转移酶基因之间的差异。
6. 例如，Lfng 的失活而不是 Mfng 或 Rfng 的失活会导致严重的骨骼缺陷，尽管这三种基因都编码一种 GlcNAc 转移酶。
7. 此外，Lfng 和 Mfng 在生成边缘区 B 细胞方面具有协同作用，且这三种 Fng 基因都有助于 T 细胞和B 细胞的发育。

para

1. 为了更具体地定义糖基化在器官发生和细胞类型分化中的效应，近年来的工作使用了细胞类型特异性的条件性基因敲除，这些基因对于胚胎发生或出生后早期发育是必需的。
2. 例如，Mgat1编码的GlcNAc转移酶启动了复杂N-聚糖的合成，而在精原细胞中敲除Mgat1（因此也就没有了复杂N-聚糖）会导致精子发生受阻并减少生殖细胞中的ERK信号。
3. 相比之下，敲除C1galt1（以消除核心1和2 O-GalNAc聚糖）或Pofut1（以消除Notch信号）并不会影响精子发生。
4. 因此，在精子发生过程中表达的聚糖中，只有一小部分是精子生产所必需的。
5. 此外，T细胞或B细胞中涉及复杂N-聚糖合成的基因的条件性敲除为T和B细胞发育以及T细胞激活的机制提供了关键见解。
6. 含有Gal的复杂N-聚糖可以结合名为galectins的蛋白，这些蛋白与细胞表面糖缀合物相互作用，形成所谓的galectin格架。
7. 与galectin格架结合的生长因子受体在质膜上的停留时间更长，增强了它们的信号强度。
8. T细胞中的重要信号受体是CD4和CD8共受体，它们调节T细胞受体（TCR）的聚集和信号以及胸腺细胞的产生。
9. 在B细胞中，Toll样受体TLR2和TLR4促进促炎性的固有免疫应答，而CD19和B细胞受体（BCR）则促进适应性免疫应答。
10. 缺乏MGAT1和复杂N-聚糖的T细胞或B细胞显示出galectins的结合减少，以及质膜受体的内吞作用增强，导致相应信号通路的减少。
11. 因此，缺乏MGAT1的T细胞由于在T细胞表面减少了CD4和CD8，导致胸腺细胞的阳性选择减少，以及由于忽视而导致的细胞死亡增加。
12. 缺乏MGAT1的B细胞在细胞表面减少了CD19和BCR信号，导致B细胞的产生减少。
13. 相比之下，条件性敲除Mgat2（其添加启动复杂N-聚糖第二个分支的GlcNAc）仅对T细胞或B细胞的产生有轻微影响。
14. 这种意外结果是因为在MGAT2缺失的情况下积累的杂合N-聚糖通过添加多个Galβ1,4GlcNAc单元形成聚乳糖胺，这为galectin结合提供了平台，并且显然是一个足够强度的格架，以允许几乎正常的T和B细胞发育。
15. 缺乏MGAT5的小鼠（其启动复杂N-聚糖的β1,6GlcNAc分支）显示出内源性激活的T细胞增加。
16. 这种表型的可能解释是，在MGAT5缺失的情况下，产生在CTLA4（一种T细胞膜糖蛋白，T细胞信号的抑制剂）上的较少分支的N-聚糖减少了其与galectin格架的相互作用，因此减少了CTLA4信号。
17. 这导致正常情况下未激活的T细胞的活化，进而引发炎症反应和自身免疫疾病。

Fig. 3: Genetics of N-glycan branching and cell proliferation.

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• 糖蛋白与复杂的、分支状的N-糖链通过半乳糖凝集素与半乳糖（Gal）残基的交联形成了一个格子结构。
• 图中展示了T细胞和B细胞中的糖蛋白，它们的N-糖链与相应的半乳糖凝集素格子相互作用。
• b, 复杂N-糖链的合成与小鼠突变体。
• MGAT1通过将N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）转移到一个甘露糖（Man）上，在Man5GlcNAc2Asn中启动了复杂、分支状N-糖链的合成。
• 这一转移产生了作为甘露糖苷酶MAN2A1或MAN2A2底物的物质，这两种酶通过移除两个Man残基来生成MGAT2的底物并添加第二个GlcNAc。
• 形成的双天线N-糖链是FUT8和分支酶MGAT3、MGAT4A、MGAT4B和MGAT5的底物。
• 值得注意的是，除非MGAT2不存在，否则MGAT3添加的GlcNAc不会被延伸。
• 在T细胞中条件性删除（cKO）Mgat1或B细胞中的Mgat1会废除N-糖链的分支，并导致MGAT1底物的积累。
• 胸腺、骨髓和脾脏中的免疫细胞发育发生改变，以至于显著减少了可选择生存的T细胞或B细胞，而注定发生凋亡的细胞数量大大增加。
• 这一效应是由于T细胞中CD4和CD8以及B细胞中CD19和B细胞受体（BCR）与半乳糖凝集素格子的相互作用减少，导致它们的内吞。
• 出乎意料的是，T细胞或B细胞中Mgat2的cKO（参考文献44）的影响很小，因为MGAT2的不成熟杂合N-糖链底物被多乳糖胺（pLN）延伸，这在很大程度上拯救了Mgat2 cKO细胞中减少的N-糖链分支的影响。
• 丢失MGAT5的N-糖链分支会导致CTLA4与半乳糖凝集素格子的相互作用减少，这个T细胞信号的抑制剂被内吞，使得脾脏中未成熟的T细胞被激活，并带来有害的后果，导致自身免疫疾病。
• Fuc，岩藻糖；Sia，神经氨酸；GalTs、FucTs、SiaTs，分别是将Gal、Fuc或Sia转移过来形成复杂N-糖链的糖基转移酶。

Congenital disorders of glycosylation

1. 人类突变可能会改变糖类的生物合成，从而引起CDG。
2. 此类突变可能会直接影响糖类合成的必需活动，例如糖基转移酶的活动，或者影响糖基转移酶的最佳运输所需的活性，例如SEC63的活性。
3. CDG是根据受影响的人类基因命名，并在其后加上'CDG'（例如，MGAT2-CDG和SEC63-CDG）。

Causes and consequences of CDG

CDG的原因和后果

para

1. 在基因组 wide 测序和基因组 wide 关联研究（GWAS）出现之前，由罕见糖基化基因突变引起的人类疾病常常没有被认识和处理。
2. 对理解 CDG 突变在人类中的广泛生物学后果的进展来自于使用基因工程小鼠模型的实验。
3. 事实上，当在小鼠中删除时会导致胚胎致死的糖基化基因，其在人类中有同源基因，这些基因可能因为单等位基因常染色体显性突变而引起 CDG。

para

1. CDG 大致上可以被归类为一种代谢性疾病，但对其遗传和分子基础的了解使得人们根据被破坏的糖基化途径将其系统分类（见表1）。
2. 绝大多数的 CDG 是由 N-糖基化的缺陷引起的。
3. 这些包括参与复杂 N-聚糖生成如 MGAT2-CDG54 和 FUT8-CDG55 的糖基转移酶基因。
4. 最近，TMEM260-CDG 被确认为第一种影响免疫球蛋白样、 Plexin、转录因子（IPT）域特异性 O-甘露糖基转移酶的 CDG；这种突变最初是在具有结构性心脏病和肾脏异常综合症的患者中发现的。
5. CDG 也可能是由 COG 亚基57,58、高尔基基因59 和离子转运蛋白（包括 TMEM19960 和 TMEM16561）的突变引起的改变糖基化作用所导致的。
6. 另外，并非所有的 glycogenes 基因突变都会导致疾病；例如，一些 fucosyltransferase 基因的突变会导致血型多态性62，而其他的则会导致 CDG63。
7. 在另一个例子中，FUT7 的丧失在很大程度上被 FUT4 的存在所补偿。
8. 值得注意的是，一些 CDG 有不反映其在糖基化作用中的角色的替代名称：POFUT1-CDG 也被称为 Dowling–Degos 疾病 2；POGLUT1-CDG 也被称为 Dowling–Degos 疾病 4；EOGT-CDG 也被称为 Adams–Oliver 综合征 4；而引起 COG4-CDG 的显性突变也被称为 Saul–Wilson 综合征。
9. 因此，临床医生和遗传咨询师必须谨慎地搜索文献，以避免在 CDG 的诊断和治疗中出现严重错误。
10. CDG 命名法的复杂状况很可能会随着更多先前存在的疾病被发现是由糖基化缺陷引起的而大大增加真正的 CDG 数量。
11. 例如，由新发现的将大脑糖原与 N-聚糖的合成联系起来的途径的破坏所引起的糖原储存疾病可以考虑为一种 CDG。

CDG treatment

CDG治疗

1. 某些CDG可以通过摄入单糖来治疗，以改善一部分症状（见表2）。
2. 例如，一些患有SLC35C1-CDG的患者，由于GDP-岩藻糖运输到高尔基体缺陷（见图2），可以通过摄入L-岩藻糖来治疗。
3. 这种治疗的效力可能取决于突变如何严重地影响生化功能。
4. 近期，L-岩藻糖已用于治疗一对患有FUT8-CDG的双胞胎和另一位患有GFUS-CDG的患者。
5. 此外，已经用于治疗其他疾病的药物正在被重新用于潜在治疗某些CDG。
6. 例如，epalrestat，一种用于治疗糖尿病的醛糖还原酶小分子抑制剂，在治疗某些PMM2-CDG病例中是有效的。
7. 通过增加醛糖还原酶，这种药物对抗多醇的积累，从而改变葡萄糖代谢，导致PMM2-CDG中Man 1-磷酸盐和GDP-Man的增加（见表2）。
8. 这种意想不到的好处强调了关于糖代谢和糖基化还有很多需要学习的。
9. 最终，基因治疗可能对CDG的治疗有益，特别是对于治疗发育缺陷。
10. 为此，调节相关基因而非突变基因的表达可能有效，特别是对于添加末端糖如Sia的糖基转移酶基因。
11. 例如，在 medaka 鱼中删除一个α2,6-唾液酸转移酶基因的表型效应可以通过过表达一个α2,3-唾液酸转移酶cDNA来纠正。

Table 2 Examples of treatments for CDG 表2 CDG治疗方法示例

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Glycosylation in infection and autoimmunity

1. 糖基化基因的变异可能使个体更容易感染或抵抗感染或自身免疫。
2. 改变的糖基化可以影响病原体或循环抗体对糖类的识别。
3. 因此，个体对感染和自身免疫的易感性受到个体糖组的影晌。

Blood group antigens

血型抗原

1. 主要的人类血液群体（AA、BB、AB、AO、BO 和 OO），这决定了输血状态，早已知道是由ABO基因的多态性等位基因引起的，该基因编码一种糖基转移酶。
2. A等位基因产生GalNAc转移酶A3GALNT，B等位基因产生Gal转移酶A3GALT1，而O等位基因产生一种无活性的Gal/GalNAc转移酶。
3. 这些糖基转移酶的底物包括潜在的Gal和Fuc残基，由此产生的表位分别称为A、B或H抗原（见图4）。
4. 红细胞中的FUT1和粘膜及组织上皮细胞中的FUT2会添加Fuc。
5. 糖基转移酶基因中的许多突变和多态性定义了血型抗原和输血状态。
6. 在上皮组织中，膜糖蛋白上表达的血型抗原能作为病毒和细菌病原体的受体，或者作为对某些病原体的保护（见图4）。
7. 例如，A型血的人更容易感染SARS-CoV-2，因为A抗原被SARS-CoV-2刺突糖蛋白中的一个类凝集素结构域识别。
8. 相反，O型血的人相对而言受到SARS-CoV-2的保护。
9. 在其他例子中，那些在组织上皮细胞中表达FUT2的人对诺如病毒和幽门螺杆菌的易感性增加。
10. 然而，那些不表达FUT2的人相对而言受到这些感染的保护。

Fig. 4: Genetics of ABO(H) blood groups in infection and disease.

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• 血型糖类的合成。人类的血型是根据其红细胞抗原来分类的，这些抗原主要是糖类。
• 主要血型糖类依赖于ABO和FUT1（红细胞）或ABO和FUT2（上皮细胞）多态性等位基因的表达。
• 每个等位基因编码一种糖基转移酶，它将糖基转移至糖蛋白或糖脂（R）上显示的糖类。
• 当ABO和FUT1基因产生无活性的产物时，会产生罕见的孟买血型；如果ABO产物无活性但FUT1活性存在，则产生O或H血型；如果FUT1活性存在且ABO产生N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）转移酶A3GALNT，则产生A血型；如果FUT1活性存在且ABO产生半乳糖（Gal）转移酶A3GALT1，则产生B血型。
• 血型表位在组织中的表达。在上皮细胞的表面，相同的血型糖类在糖缀合物的糖类末端表达。
• 然而，在上皮细胞中，FUT2添加岩藻糖以形成血型抗原。
• 这些末端表位可以作为病原体的受体，红色箭头表示糖类增加对病原体或疾病的易感性，而绿色箭头表示降低对病原体或疾病的易感性。
• CV，心血管；Fuc，岩藻糖；GlcNAc，N-乙酰葡萄糖胺。

Human IgG1 N-glycosylation

人类IgG1 N-糖基化

1. 近期，位于人IgG1上Asn297的N-聚糖，它影响炎症促进和抗炎的Fc效应功能，已被发现与糖基转移酶基因中的遗传多态性有关，这些基因多态性影响自身免疫疾病和其他疾病状态。例如，FUT8将岩藻糖转移到与Asn297相邻的IgG1 N-聚糖的核心GlcNAc上（图5）；缺乏这种岩藻糖的IgG1在抗体依赖性细胞毒性上表现出约100倍的增加，这是提高用于癌症和自身免疫疗法中的细胞毒性抗体疗效的重要因子。此外，ST6GAL1将唾液酸连接到Asn297 N-聚糖上的半乳糖上，极大地提高了被动IgG疗法（静脉免疫球蛋白疗法）中使用的混合IgG1的疗效，以减弱炎症反应（图5）。

Fig. 5: Optimization of therapeutic IgG by glycosylation engineering.

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• 图a是人类IgG1二聚体的结构示意图，其中抗原结合区（Fab）包含轻链的可变区和恒定区（VL1、CL1），与重链的可变区和恒定区（VH1、CH1）相关联。Fab片段通过铰链区与Fc片段（CH2、CH3）连接，并通过二硫键形成二聚体。保守的天冬酰胺297携带一个N-糖基，用一个红星表示。二聚体中的两个N-糖基通过调节与Fc受体的相互作用，影响Fc区的构象，增强或降低其效应功能。
• 图b显示，在健康个体的血清中，大多数IgG1 N-糖基包含由FUT8（由FUT8编码）转移的核心岩藻糖（Fuc）和少量由ST6GAL1（由ST6GAL1编码）转移的神经氨酸（Sia，括号中）。
• 图c表明，通过在抗体产生细胞中过表达ST6GAL1，使IgG1含有更多的Sia（灰色阴影），在静脉免疫球蛋白治疗（IVIG）中具有增强的抗炎效果。
• 图d显示，在包括类风湿性关节炎（RA）、多发性硬化症（MS）和系统性红斑狼疮（LE）在内的多种自身免疫疾病中，Fc N-糖基缺乏半乳糖（Gal），因此缺乏Sia（灰色阴影），这是炎症状态的信号。
• 图e说明，在抗体产生细胞中过表达N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）转移酶MGAT3，会导致添加 bisecting GlcNAc（灰色阴影）并增强抗体依赖性细胞毒性（ADCC），可能是通过减少FUT8的Fuc转移。
• 图f表明，通过工程手段使FUT8或其底物GDP-Fuc失活，导致没有Fuc（灰色阴影），这显著增加了ADCC和补体依赖性细胞毒性（CDC），是获得高效治疗性抗体的首选方法。Man，甘露糖。

para

1. 最近的大型研究支持基因位点影响IgG1的N-糖基化和下游疾病结果的观念。
2. 例如，最近一项涉及协同交叉遗传队列中的95个小鼠品系的研究发现，尽管N-糖基化合成是一个非模板过程，但N-糖基化变异与遗传背景有关。
3. 此外，对8090名欧洲血统人群进行的GWAS分析发现了许多与IgG N-糖基化变异相关的基因位点，并确定了与炎症性疾病相关的基因网络。
4. 值得注意的是，在27个与IgG N-糖基化相关的位点中，单核苷酸多态性与编码糖基转移酶ST6GAL1、B4GALT1和FUT8的基因显著相关。
5. 还包括几个转录因子单核苷酸多态性与IgG N-糖基化变异相关，包括实验验证为FUT8基因表达负调控因子的IKZF1。
6. 在另一项研究中，比较了来自IgG1和血清转铁蛋白的N-糖组，结果显示这两种血清糖蛋白的N-糖基化存在差异的遗传控制。

para

1. 其他糖基转移酶基因的遗传变异与细胞免疫和自身免疫疾病有关。
2. MGAT1和MGAT5糖基转移酶基因（图3）以及CTLA4、IL2RA和IL7RA T细胞受体基因中的多态性的加性和上位性效应减少了N-聚糖分支和CTLA4在T细胞表面的保留，使个体易患多发性硬化症。
3. 这些多态性在1型糖尿病患者中也更为常见，表明异常活跃的T细胞也可能导致这种遗传性疾病。
4. 此外，一项GWAS研究发现，多肽GalNAc转移酶基因GALNT2的功能缺失多态性与高密度脂蛋白胆固醇水平低有关。
5. 从机制上来说，GALNT2的缺失减少了GalNAc向ANGPTL3和APOCIII的转移，并降低了血清中的磷脂转移蛋白（PTLP）。
6. 总之，了解不同人群中多态性如何影响与疾病相关的蛋白质的糖基化，将导致更好的筛选、诊断和预后。

Roles of glycosylation in cancer

para

1. 转化细胞、实体肿瘤、白血病和转移瘤中的糖基化改变长期以来已有记载。
2. 例如，肿瘤细胞中公认的瓦尔堡效应会导致细胞质中葡萄糖和己糖胺的增加，这些物质为所有糖链提供了构建块。
3. 实际上，基于抗体的检测方法可以识别癌症特异性糖链表位，并用于几种类型癌症的诊断和预后。
4. 在胰腺癌中发生但在正常组织中不出现的糖基化改变示例包括：在糖蛋白上的N-糖链分支、唾液酸化和岩藻糖基化的增加，分泌性黏蛋白上的截短O-糖链，以及新型糖脂。
5. 然而，即使是针对糖链抗原的非常成熟检测，例如用于胰腺癌的CA19-9，也不足以作为单独的生物标志物。
6. 这种不足是因为它们不止一种癌症类型表达，或在非癌症疾病状态下表达，或者它们的存在依赖于特定多态性血型抗原的表达。

para

1. 使用与癌症相关的糖基化变化遗传生物标志物用于诊断或预后目的更具挑战性，因为多个不同途径中的遗传改变可能导致相同的特定糖抗原产生。例如，当编码T合成酶（C1GALT1）或其必需伴侣蛋白COSMC（C1GALT1C1）的基因通过突变或基因沉默失活，或者ST6GALNAC1的表达增加时，就会产生临床肿瘤标志物唾液酸基-Tn。
2. 这种将遗传改变与糖基化变化联系起来的困难进一步说明了从cBioPortal癌症基因组数据库中分析的一组213项非冗余研究的结果，这些研究包含69,223个样本，其中包含关于多种癌症中糖基转移酶基因过表达、突变或沉默发生频率的信息。
3. 在这20个最常发现遗传改变的糖基转移酶基因中，只有约1.1%的癌症中发现了它们。
4. 此外，这些遗传改变包括扩增、同源缺失、甲基化和点突变，这表明没有一致的机制或糖基因将遗传改变与癌症进展联系起来。
5. 然而，模式生物的遗传操作表明，糖基转移酶基因与癌症动态之间存在关系。
6. 例如，删除Mgat5可以阻止小鼠乳腺肿瘤的进展，而Mgat1的敲低可以延迟小鼠前列腺癌模型中的进展。
7. 此外，通过SRC激酶激活逆向膜运输，将GALNT酶定位到内质网可增强肿瘤细胞的侵袭，这一机制不需要GALNT基因表达的改变。
8. 另外，肿瘤细胞上的SLeX糖抗原决定簇可以通过与内皮细胞上的选择素结合，促进从血液中渗出。
9. 最近发现携带SLeX的GlycoRNA在招募中性粒细胞中起作用，并且可能也介导肿瘤细胞的渗出。

para

1. 近期工作已经利用多组学策略将糖基化变化与癌症中的基因变异联系起来。
2. 例如，植物凝集素以微阵列格式与转录组学结合使用，以识别诸如FUT8之类的关键糖基基因驱动因素在黑色素瘤中。
3. 糖基学和转录组学的结合也已被用于显示ST6GAL1过表达促进小鼠和人类的胰腺肿瘤。
4. 其他研究已经使用候选糖基基因的表达谱（来自癌症数据库，如癌症基因组图谱或单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据）来预测主要的糖基化途径和细胞表面糖苷的最终补充。
5. 然而，这些预测可能难以解释，因为酶产品和活动是从转录水平推断出来的，并且没有考虑到调节糖基化的许多非糖基基因的表达。
6. 迄今为止，最全面的预测方法被称为GlycoEnzOnto，它编纂了403个人类与糖相关的酶，涉及139个糖基化途径，134个分子功能和22个细胞室。
7. 展望未来，验证这些预测对于开发可能应用于糖基化功能的复杂数据集的稳健算法将是至关重要的。

para

1. 糖类也可以被操纵以改善癌症疗法。
2. 因为肿瘤细胞表达了异常高的细胞表面Sia水平，这是被免疫细胞抑制性Siglecs109所识别的，通过抑制Siglec-Sia的相互作用或从肿瘤细胞中移除Sia，可以改善对实体肿瘤的免疫靶向性。
3. 值得注意的是，通过工程化的嵌合抗原受体(CAR)T细胞分泌细菌唾液酸酶，已经实现了从肿瘤细胞中移除Sia。

Glycosylation engineering of therapeutics

para

1. 重组糖蛋白疗法的发展，例如用于刺激血细胞产生的促红细胞生成素和用于酶替代治疗的溶酶体水解酶，强调了糖基化工程的重要性。
2. 治疗性糖蛋白的糖缀合物已被证明会影响许多与药理学相关的参数，例如血清半衰期；因此，优化这些糖缀合物以增强治疗价值并保持药理学一致性已成为生物技术的主要目标。

para

1. 许多疗法都是基于单克隆抗体（mAbs），如上所述，通过预防Asn297处N-聚糖上的岩藻糖基化，可以改善基于IgG的疗法的细胞毒性。
2. 例如，利妥昔单抗是一种早期的抗CD20 mAb治疗，用于耗竭淋巴瘤和其他CD20+恶性肿瘤中的B细胞，现在可以用奥滨珠单抗或生物类似物替代，这些类似物是由工程化细胞生产的，这些细胞在Asn297的N-聚糖上不产生Fuc（参考文献84）。
3. 这样的细胞可能缺乏FUT8（图5）或SLC35C1（图2）活性，或者促进分支N-聚糖的合成，这些N-聚糖不是FUT8的好底物，这是通过在产生mAb的细胞中过表达Mgat3和Man2a11 cDNAs实现的（参考文献114、116）。
4. 生物技术部门也使用糖基化工程来优化溶酶体水解酶，用于溶酶体贮积病的酶替代治疗。
5. 例如，最初用于治疗戈谢病III型的葡萄糖脑苷脂酶（GBA）被工程化以携带高水平的带有Man 6-phosphate的N-聚糖，以改善内吞作用和定位到溶酶体（参考文献117）。
6. 然而，最近发现与Man 6-phosphate受体的靶向作用不如保护循环酶免受肝脏凝集素受体清除的重要性大。
7. 事实上，工程化确保溶酶体酶N-聚糖的完全唾液酸化大大提高了药物疗效（参考文献118）。
8. 最后，基于细胞的CAR T疗法也从糖基化工程中受益。
9. 例如，如果CAR T细胞在骨髓中经FUT6外部岩藻糖基化以产生SLeX表位，那么它们被内皮细胞上的E-选择素识别的效率大约可以提高十倍（参考文献119）。

para

1. 鉴于目前可用的糖基化工程机会众多，优化糖蛋白疗法的最主要限制在于预测最有效糖型的能力。
2. 提高预测准确度需要能够描绘已知和预测糖基的糖蛋白-糖蛋白以及糖蛋白-配体对接的3D结构的算法。
3. 令人鼓舞的是，最近使用AlphaFold 2根据Mn2+转运蛋白TMEM165的进化保守氨基酸序列生成了其3D膜模型，并通过分子动力学模拟进行了进一步优化。
4. 该模型揭示了TMEM165-CDG突变的结构和功能影响，为潜在的治疗策略提供了洞见。
5. 然而，为了改进这些方法，需要包含附着在糖蛋白上的糖基的建模算法。

Conclusions and future perspectives

para

1. 尽管糖基化是基于遗传学的（参见CAZy数据库中所有已知的糖基转移酶和糖苷酶基因），但最终糖苷产物的预测并不可靠。
2. 为了更好地理解糖基化的遗传学，必须在基因组、转录组、蛋白质组学和细胞水平上采取多种方法继续努力。

para

1. 在遗传和基因组水平上，一批特征明确的糖基化突变细胞系是理解糖类在细胞基础实验中的功能以及糖类合成的遗传基础的优秀工具。
2. 基于CRISPR的基因筛选将有助于识别参与在生物学功能支架上合成成熟糖类的所有因素。
3. 人类的GWAS研究对于识别糖基基因以及参与诸如多发性硬化症、类风湿性关节炎和癌症等复杂疾病的发展和进展的调控网络将是非常重要的。
4. 在几个国家进行的新生儿大规模基因组测序正在顺利进行，并且有望在发现罕见疾病突变、CDG及其临床结果方面带来巨大益处。

para

1. 在转录组水平上，像scRNA-seq这样的技术将有助于确定依赖于细胞类型和发育阶段的时空基因表达模式。
2. 创新的进展将得到单细胞糖组和RNA测序等技术的支持，这些技术将scRNA-seq应用于结合了1种39个寡核苷酸条码凝集素的细胞，以关联糖基表达与细胞表面糖链表达。
3. 另一种方法，SUGAR-seq，使用条形码抗生物素抗体来选择表达生物素化凝集素的细胞进行scRNA-seq。
4. 通过使用更广泛的植物凝集素和/或包括寡核苷酸条形码抗糖链抗体来选择细胞，这些方法可以得到极大的扩展。

para

1. 在计算方面，已经开发出了一些算法，这些算法利用糖基化基因转录水平来预测细胞群体中表达的糖类13,14,106,133。
2. 这些算法无疑描绘了一幅非常广泛的画面，并有许多需要注意的地方（在参考资料14中进行了回顾），但随着scRNA-seq和相关技术的灵敏度的提高以及所有糖基化基因表达水平的纳入，这些算法将得到改进。

para

1. 未来的工作也需要关注糖生物学的蛋白质组和空间方面。
2. 糖蛋白质组学，包括如基质辅助激光解吸电离质谱成像和单细胞糖蛋白质组学等最新创新，可以确定一群细胞或一小块组织中糖蛋白携带的主要糖链。
3. 然而，许多糖蛋白，如生长因子受体，含量非常低，即使是通过质谱分析糖链也是一个挑战。
4. 随着更多糖类药物的开发，化学糖生物学、糖基化工程和糖蛋白建模以实现最佳糖基化和功能将变得越来越重要。
5. 例如，迫切需要一种方法来可视化半乳糖凝集素格子，这种格子会随着糖链补体的变化而变化，据推测是生长控制调节的关键。
6. 此外，使用AlphaFold 2和分子动力学模拟对CDG突变进行3D建模应有助于设计可能用于精准医疗的小分子激活剂或抑制剂。
7. 冷冻电镜和分子动力学模拟也将变得越来越重要，因为越来越多的较小膜分子被结构性地表征。

para

1. 总之，最近的发展表明，对糖组的理解前景光明。
2. 科学和临床界对已经定义的许多CDG的认识为发现新的CDG和CDG治疗的可能性提供了坚实的基础。
3. 基因组学、转录组学和蛋白质组学以及结构生物学、质谱学和分子建模技术上的进步预示着在定义糖组如何调控哺乳动物的发展和疾病中的变化方面将取得快速进展。