大腦糖原新功能

撰文 | 陳文強

責編 | 兮

糖基化是生物體重要的蛋白翻譯後修飾。有2%的人類基因與糖代謝相關，這些基因的突變與一百多種人類疾病息息相關【1-2】。糖基化缺陷是許多神經系統疾病的重要特徵，這是因爲N-糖基化位點在調控突觸可塑性、軸突生長及神經元形態等重要生物學功能上具有重要作用。

爲更好了解大腦特異性的N-糖代謝的分子特徵，2021年5月26日，來自美國肯塔基大學的研究人員在Cell metabolism雜誌在線發表了題爲Brain glycogen serves as a critical glucosamine cache required for protein glycosylation的研究論文，通過同位素示蹤及質譜等技術，發現了葡萄糖胺作爲大腦糖原的豐富替代物，能作爲多種糖複合物的天然緩衝，從而揭示了大腦糖原在蛋白糖基化中的重要生物學作用。

首先，研究人員從多種小鼠組織中分離純化了糖原，在水解糖苷鍵後，使用氣相色譜-質譜技術分析了糖的單體組分 (圖1)。小鼠肌肉和肝臟的糖原分別含1%、0.1%的葡萄糖胺，而大腦糖原含葡萄糖胺高達25%。隨後研究人員在原代星形膠質細胞上開展同位素示蹤實驗揭示了胞內葡萄糖胺的替代來源，因此認爲由葡萄糖合成來的葡萄糖胺可能是胞內葡萄糖胺的來源。這一假設由13C6標記的葡萄糖示蹤劑得到驗證。體外實驗使用餵食13C6標記的葡萄糖示蹤劑的小鼠大腦也驗證了這一結論。

圖1. 葡萄糖胺是大腦糖原的天然單體

研究人員隨後通過體外實驗證明了UDP-葡萄糖胺是糖原合成酶 (GYS) 的底物之一，並通過結構化學手段揭示了葡萄糖胺由GYS直接摻入進糖原的機制。體外敲減實驗也證明了葡萄糖胺的糖原分解效應是用過糖原磷酸化酶 (GP) 介導的。研究人員進一步通過體外敲減實驗結合代謝分析、同位素示蹤技術揭示了糖原來源的葡萄糖胺作爲GlcNAc和N-糖生成的重要前體代謝物 (圖2)。

圖2. 研究人員揭示糖原及N-聯聚糖之間的代謝產物自由流動機制

那麼，大腦糖基化障礙如何導致腦疾病呢？已知由EPM2A基因編碼的紫草素是一種參與糖原代謝的糖原磷酸酶，這種酶的功能缺陷與一種小兒神經退行性癲癇症有關，通常患兒在發病十年內死亡。研究人員使用紫草素敲除小鼠研究蛋白糖基化缺陷的病理機制，發現具有高水平聚葡聚糖體的腦區缺乏充足的葡萄糖胺以轉化成糖基化蛋白，這種狀況伴隨有內質網應激及神經炎症的出現，而將聚葡聚糖體通過酶水解後可緩解低糖基化程度，從而緩解病理特徵 (圖3)。

圖3. 糖基化異常能導致N-聚糖代謝及神經退行性病變

本文證實了葡萄糖胺可通過三種不同的方式得到利用——自由代謝形式、糖原結合形式及支鏈聚糖及聚甘露糖鍊形式，從而揭示了這三種葡萄糖胺形式之間的相互作用對於維持大腦代謝穩態的重要作用。由糖原產生的葡萄糖胺可以作爲應激刺激等狀況下的關鍵緩衝，從而幫助我們應對衰老、創傷性腦損傷等多重病理狀況。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.05.003.

參考文獻

[1] Narimatsu, Y., Joshi, H.J., Nason, R., Van Coillie, J., Karlsson, R., Sun, L., Ye, Z., Chen, Y.H., Schjoldager, K.T., and Steentoft, C. (2019). An atlas of human glycosylation pathways enables display of the human glycome by gene engineered cells. Mol. Cell 75, 394–407.e5.

[2] Ng, B.G., and Freeze, H.H. (2018). Perspectives on glycosylation and its congenital disorders. Trends Genet 34, 466–476.