Rola glikozylacji białek układu odpornościowego

Rola glikozylacji białek układu odpornościowego

STRESZCZENIE

G

likozylacja jest jedną z najczęstszych modyfikacji potranslacyjnych, której ulega znaczna część białek powierzchniowych i wydzielniczych komórki. Różnorodność glikanów oraz rodzajów wiązań wprowadza ogromną zmienność do glikoprotein. Skład glikanów jest zależny od wielu czynników, głównie produkcji i aktywności glikozylotransferaz i glikozydaz, enzymów odpowiedzialnych za syntezę oligosacharydów, a poza tym od stanu fizjologicznego komórek i działania czynników zewnętrznych. N-glikany obecne na powierzchni komórek odpornościowych odgrywają znaczącą rolę w oddziaływaniach międzykomórkowych zachodzących w układzie odpornościowym oraz w kontakcie leukocytów ze śródbłonkiem naczyń krwionośnych. Takie oddziaływania są istotne w aktywacji i proliferacji leukocytów oraz podczas odpowiedzi immunologicznej. Glikozylacji podlegają kluczowe białka komórek układu odpornościowego, m.in. cząsteczki MHC, receptor TCR limfocytów T, receptory TLR komórek prezentujących antygeny oraz przeciwciała. Glikany patogenów oraz autoantygenów rozpoznawane są przez endogenne lektyny. Na istotne znaczenie tego procesu w układzie odpornościowym wskazuje wiele doniesień na temat zmian glikozylacji w różnych stanach patologicznych układu immunologicznego.

WPROWADZENIE

Chociaż cukry są jednym z podstawowych elementów wchodzących w skład komórek, długo uznawane były wyłącznie za substrat energetyczny. Intensywne badania ostatnich lat dostarczyły wielu dowodów, że oligosacharydy dołączane potranslacyjnie do białek i lipidów pełnią szereg istotnych funkcji, m.in. w prawidłowym fałdowaniu białek, oddziaływaniach międzykomórkowych i przekazywaniu sygnałów wewnątrzkomórkowych [1]. Glikozylowane białka są obecne w każdej tkance i komórce naszego organizmu. Szacuje się, że nawet 80% białek zawiera kowalencyjnie związane oligosacharydy [2]. Świat glikozylowanych białek jest niezwykle skomplikowany, ze względu na ogromną różnorodność oligosacharydów, które mogą być dołączone do białka, jak również na złożoną sieć zależności łączącą glikoproteiny. Rodzaj monocukrów budujących oligosacharydy i polisacharydy, izomeria konfiguracyjna monosacharydów, rodzaje wiązań, rozgałęzienia łańcuchów a także modyfikacje samych cukrów wprowadzają zmienność niespotykaną wśród białek i kwasów nukleinowych [3]. Większość kluczowych białek błonowych i wydzielniczych układu odpornościowego jest glikozylowana, co sprawia, że glikany biorą udział w prawie każdym aspekcie wrodzonej i nabytej odpowiedzi immunologicznej [4]. N- I O-GLIKOZYLACJA BIAŁEK

Marta Ząbczyńska Ewa Pocheć Zakład Biochemii Glikokoniugatów, Instytut Zoologii, Uniwersytet Jagielloński, Kraków Zakład Biochemii Glikokoniugatów, Instytut Zoologii, Uniwersytet Jagielloński, ul. Gronostajowa 9, 30-387 Kraków; tel.: (12) 664  64  67, e-mail: [email protected] 

Artykuł otrzymano 27 listopada 2014 r. Artykuł zaakceptowano 10 lutego 2015 r. Słowa kluczowe: N-glikozylacja, układ odpornościowy, MHC, TCR, przeciwciała, lektyny endogenne Wykaz skrótów: APC (ang. antigen presenting cell) — komórka prezentująca antygen; CRD (ang. carbohydrate recognition domain) — domena rozpoznająca cukry; Fuc (ang. fucose) — fukoza; Gal (ang. galactose) — galaktoza; GalNAc (ang. N-acetylgalactosamine) — N-acetylogalaktozamina; Glc (ang. glucose) — glukoza; GlcNAc (ang. N-acetylglucosamine) — N-acetyloglukozamina; Man (ang. mannose) — mannoza; MBL (ang. mannose binding lectin) — lektyna wiążąca mannozę; MHC (ang. major histocompatibility complex) — główny składnik zgodności tkankowej, SA (ang. sialic acid) — kwas sjalowy; TCR (ang. T cell receptor) — receptor limfocytów T; TLR (ang. Toll-like receptor) — receptor Toll-podobny Podziękowanie: Autorki pragną podziękować prof. dr hab. Annie Lityńskiej za cenne uwagi i wskazówki przy opracowaniu niniejszego artykułu.

Glikozylacja jest procesem enzymatycznym, którego efektem jest przyłączenie za pomocą wiązania glikozydowego reszt cukrowych do białek i lipidów. Jest to proces stary ewolucyjnie i występuje już u jednokomórkowców [5]. Opisano ponad 250 enzymów zaangażowanych w glikozylację, które ze względu na funkcje możemy podzielić na glikozylotransferazy, odpowiedzialne za przyłączanie nowych reszt cukrowych oraz glikozydazy, które hydrolizują wiązania glikozydowe i odłączają monosacharydy. Obydwa rodzaje enzymów wykazują swoistość względem reszty cukrowej, z którą się łączą oraz typu wiązania, jakie tworzą lub hydrolizują. Budowa N-glikanu jest efektem współdziałania tych dwóch grup enzymów, których synteza i aktywność jest tkankowo i komórkowo specyficzna oraz zależy od wielu czynników. Wysoka swoistość, duża liczba enzymów biorąca udział w tym procesie oraz współdziałanie dwóch typów enzymów sprawia, że różnorodność powstałych glikanów i glikozylowanych donorów jest bardzo duża [6]. Większość białek błonowych i wydzielniczych zawiera przyłączone łańcuchy cukrowe. Takie białka nazywamy glikoproteinami. W zależności od miejsca przyłączenia reszty cukrowej do białka wyróżniamy N- i O-glikany.

Postępy Biochemii 61 (2) 2015

129

N-glikany tworzą wiązanie glikozydowe między atomem azotu grupy amidowej reszty asparaginy (Asn) obecnej w sekwencji aminokwasowej Asn-X-Ser/Thr (X to dowolna reszta aminokwasowa, z wyjątkiem proliny) a N-acetyloglukozaminą (GlcNAc) [7]. W cząsteczce polipeptydu jest wiele potencjalnych miejsc glikozylacji, jednak proces ten nie zachodzi w każdym takim miejscu. N-glikozylacja białek rozpoczyna się na terenie siateczki śródplazmatycznej (ER) i jest kontynuowana w cysternach aparatu Golgiego. Glikozylotransferazy i glikozydazy są białkami błonowymi zlokalizowanymi w błonach ER i aparatu Golgiego. Aktywność określonych glikozylotransferaz i glikozydaz prowadzi do powstania trzech podstawowych typów N-glikanów o wspólnej części rdzeniowej (GlcNAc2Man3), a różniących się składem monosacharydowym oraz rodzajem wiązań, jakimi są połączone monosacharydy dobudowywane do części zewnętrznej. Wyróżniamy N-glikany typu wielomannozowego, kompleksowego oraz hybrydowego (Ryc.  1A) [6,8,9]. Struktury wielomannozowe charakteryzują się obecnością od pięciu do dziewięciu cząsteczek mannozy (Man) dołączonych do części rdzeniowej oligosacharydu. Taka cząsteczka tworzy maksymalnie jedno wiązanie α(1-3) i maksymalnie dwa α(1-6) odpowiedzialne za rozgałęzienia całej struktury. Końcowe Man połączone są z całym szkieletem oligosacharydowym za pomocą wiązań

α(1-2) [6]. Modyfikacja struktur wielomannozowych przez mannozydazy usuwające reszty Man oraz przyłączanie na ich miejsce reszt GlcNAc, galaktozy (Gal), kwasu sjalowego (SA) oraz fukozy (Fuc) prowadzi ostatecznie do powstania rozbudowanych struktur kompleksowych [9,10]. Charakterystyczną strukturą obecną w glikanach kompleksowych jest disacharyd GlcNAcβ(1-4)Gal zwany laktozaminą [6]. Pośrednim typem N-glikanów są struktury hybrydowe, łączące w swojej strukturze elementy typu kompleksowego z równoczesną obecnością reszt Man [9]. O-glikany łączą się z białkiem poprzez atom tlenu grupy hydroksylowej reszty seryny (Ser) lub reszty treoniny (Thr) z N-acetylogalaktozaminą (GalNAc). Enzymy biorące udział w syntezie O-glikanów, w odróżnieniu od N-glikanów, rozmieszczone są jedynie w błonach aparatu Golgiego. Pojedyncze monosacharydy są dołączane stopniowo w kilkuetapowej reakcji przez określone enzymy. Wyróżniamy kilka typów O-glikanów określanych jako rdzeń (ang. core) typu 1, 2, 3, 4 (Ryc. 1B). Proces O-glikozylacji i końcowe etapy N-glikozylacji przebiegają na terenie aparatu Golgiego, dlatego obydwa typy glikanów zawierają w swojej strukturze kwasy sjalowe, fukozę oraz struktury polilaktozaminylowe [11]. Odmiennym typem O-glikozylacji jest dołączenie pojedynczej reszty GlcNAc za pomogą wiązania O-glikozydowego do reszt seryny lub treoniny białka. Takiej modyfikacji podlegają białka cytoplazmatyczne i jądrowe. Duża dynamika tego procesu oraz wspólne miejsca modyfikacji w białku upodabniają glikozylowanie białka przez dołączanie reszty GlcNAc do procesu fosforylacji [12].

Rycina 1. Podstawowe typy N-glikanów (A) i O-glikanów (B). Fuc — fukoza; Gal — galaktoza; GalNAc — N-acetylogalaktozamina; GlcNAc — N-acetyloglukozamina; Man — mannoza; SA — kwas sjalowy.

130

W odróżnieniu od białek, budowa oligosacharydów nie jest zakodowana w DNA, lecz zależy od komórkowo- i tkankowo-specyficznej syntezy enzymów oraz kolejności ich działania. Dotychczas odkryto ponad 600 białek, na które oprócz enzymów bezpośrednio uczestniczących w syntezie glikanów, składają się czynniki transkrypcyjne, kanały błonowe i transportery, które w sposób pośredni kontrolują proces glikozylacji i wpływają na strukturę oligosacharydu. Do dużej różnorodności N-glikanów przyczyniają się zmiany na poziomie genetycznym, głównie mutacje genów kodujących enzymy zaangażowane w syntezę anten struktur kompleksowych, www.postepybiochemii.pl

go oraz receptory lektynowe rozpoznające części cukrowe tych glikoprotein. GLIKOPROTEINY UKŁADU ODPORNOŚCIOWEGO

Filogenetyczne różnice w budowie glikanów sprawiły, iż są one markerami umożliwiającymi rozpoznawanie patogenu przez komórki gospodarza. Układ odpornościowy ssaków wyposażony jest w system rozpoznający reszty cukrowe bakterii i wirusów. W wiązaniu biorą udział lektyny endogenne oraz receptory TLR [5]. Na Rycina. 2. Glikoproteiny układu odpornościowego. (A) Cząsteczka głównego układu zgodności tkankowej (MHC I) zbudowana z łańcucha ciężkiego oraz β2-mikroglobuliny. MHC I ma jedno miejsce N-glikozylacji zlokalizowane w łańpowierzchni leukocytów obeccuchu ciężkim przy Asn86. (B) Przeciwciało klasy IgG zbudowane jest z dwóch łańcuchów ciężkich i dwóch lekkich nych jest ponad 200 białek, z posiadających fragmenty zmienne (czerwone) oraz stałe (fioletowe). W cząsteczce wyróżniamy fragmenty Fab odpowiektórych prawie wszystkie mają dzialne za wiązanie antygenu oraz fragmenty Fc zdolne do wiązania się z receptorem. Każdy łańcuch ciężki ma jedno miejsce N-glikozylacji przy Asn297. miejsca glikozylacji [16], począwszy od cząsteczek MHC, które występują częściej niż mutacje genów odpowiereceptorów i koreceptorów dzialnych za tworzenie części rdzeniowej glikanu. Polimfocytów T i B, aż po receptory dla cytokin [4]. Glikozylonadto, na różnorodność glikanów wpływa również zjawane są również najważniejsze białka rozpuszczalne ukławisko określane jako polimorfizm pojedynczego nukledu odpornościowego, czyli wszystkie klasy przeciwciał [17] otydu (SNP, ang. single nucleotide polymorphism). Pojedynoraz niektóre cytokiny [18]. czo występujący SNP rzadko przejawia się w fenotypie, CZĄSTECZKI MHC jednak występujące w określonych kombinacjach SNP mogą wprowadzać zmienność, w tym także do struktury oligosacharydów. Efektem mutacji i polimorfizmów w Cząsteczki układu zgodności tkankowej (MHC, ang. genach kluczowych dla procesu glikozylacji jest obecność major histocompatibility complex) prezentujące endogenne odmiennie glikozylowanych izoform tego samego biał(MHC I) i egzogenne (MHC II) antygeny limfocytom T są ka, co określa się mianem glikofenotypu. Niektóre z tych N- i O-glikozylowanymi białkami przezbłonowymi [19]. zmian związane są z występowaniem wrodzonych niePodczas inicjacji odpowiedzi odpornościowej limfocyty prawidłowości w przebiegu procesu glikozylacji [13,14]. T za pośrednictwem receptorów TCR (ang. T cell receptor) wiążą się z MHC, w które wbudowany jest antygen Glikany, stanowiąc znaczącą część cząsteczki glikoprona komórkach prezentujących antygen (APC, ang. antytein, pełnią w wielu procesach nie mniej ważną rolę niż gen presenting cell) [20]. Dojrzała forma cząsteczki MHC I część białkowa tych makrocząsteczek. N-glikany sprzyzbudowana jest z dwóch podjednostek, ciężkiego transjają formowaniu przestrzennej konformacji białka w ER. błonowego łańcucha oraz małej podjednostki β2 zwanej Kalneksyna (Clx) i kalretikulina (Clr), należące do rodzimikroglobuliną (β2M). Glikozylowany jest tylko łańcuch ny białek opiekuńczych, mają zdolność do wiązania się z ciężki, który zawiera jedno zachowane w ewolucji miejsce powstającym białkiem poprzez wytworzenie połączenia N-glikozylacji przy Asn86 (Ryc. 2A). Obecność N-glikanu z glukozą (Glc) w strukturze GlcNAc2Man9Glc1. Obecumożliwia prawidłowe złożenie podjednostek na terenie ność takiej struktury glikanu świadczy o niekompletnej ER w procesie kontrolowanym przez białka opiekuńcze, lub błędnej konformacji, jaką przyjmuje nowo zsyntezoco jest jednym z najlepiej poznanych zagadnień z zakresu wane białko. Clx i Clr wiążąc N-glikan, zatrzymują białko glikoimmunologii [21]. Przyjmowaniu konformacji przew ER, co umożliwia przyjęcie przez białko prawidłowej strzennej towarzyszy włączanie w strukturę cząsteczki konformacji. Odcięcie terminalnej cząsteczki Glc w oliMHC I fragmentu antygenu. Ciężki łańcuch MHC I łączy gosacharydzie prekursorowym jest sygnałem do uwolsię z Clx za pośrednictwem glikanu o strukturze Glcnienia z ER cząsteczki białka o prawidłowej konformacji NAc2Man9Glc1. Gdy dochodzi do przyłączenia β2M, czą[15]. Reszty cukrowe są niezwykle istotne w oddziaływasteczka Glc ulega usunięciu i dimer zostaje uwolniony do niach glikoprotein błonowych i wydzielniczych z innymi przestrzeni ER, gdzie łączy się z Clr. Taki kompleks łączy białkami [5], regulując w konsekwencji funkcjonowanie się z kolejnym kompleksem, w którego skład wchodzi całej komórki. Wiele dotychczasowych badań poświętransporter TAP (ang. transporter associated with antigen cono określeniu znaczenia N-glikanów w prawidłowym processing) oraz tapazyna, białko związane z błoną ER. funkcjonowaniu układu odpornościowego oraz zaburzeKażde białko, po „pochłonięciu” przez komórkę, zostaje niom związanym ze zmianą struktury i syntezy oligosapocięte na fragmenty w proteasomach. Fragmenty antycharydów. W dalszej części pracy opisujemy najważniejgenów poprzez transportery TAP przechodzą do wnętrza sze N- i O-glikozylowane białka układu odpornościoweER i wiążą się z tapazyną. Dlatego połączenie MHC I/Clr Postępy Biochemii 61 (2) 2015

131

z kompleksem TAP/tapazyna/antygen umożliwia włączenie antygenu w cząsteczkę MHC I, uwolnienie tapazyny z ER i ostatecznie wbudowanie kompleksu MHC I/ antygen w błonę komórkową [22]. Cząsteczka MHC II to heterodimer zbudowany z dwóch transbłonowych łańcuchów α i β. Polipeptyd α ma dwa zachowane w ewolucji miejsca N-glikozylacji (Asn78 i Asn118), a łańcuch β jedno miejsce N-glikozylacji (Asn19). Znaczenie glikanów cząsteczek MHC II jest słabiej poznane niż MHC I. W przeciwieństwie do MHC I, glikany MHC II nie są związane z fałdowaniem przestrzennym cząsteczki i transportem do błony komórkowej, co stwierdzono wykorzystując mutagenezę miejsc glikozylacji oraz inhibitory glikozylacji [19]. Lokalizacja N-glikanów w pobliżu miejsca wiążącego antygen, sugeruje ich wpływ na oddziaływanie z cząsteczką TCR [21] i prezentację antygenów zależną od MHC II [19]. Zanim cząsteczka MHC II zostanie wbudowana w błonę komórkową, tworzy kompleks z łańcuchem γ. Po wbudowaniu antygenu w cząsteczkę MHC II kompleks zostaje rozerwany, a MHC II uwolnione. Za stabilizację kompleksu MHC II/łańcuch γ odpowiada m.in. O-glikan obecny na MHC II w pozycji Thr187 [23]. RECEPTOR TCR

Białkiem N-glikozylowanym jest również receptor TCR limfocytów T, drugi z elementów synapsy immunologicznej. Jego podstawową funkcją jest wiązanie antygenu prezentowanego przez cząsteczkę MHC. Cząsteczka TCR jest heterodimerem zbudowanym z podjednostek α i β posiadającym co najmniej siedem miejsc N-glikozylacji [24]. Mechanizm regulacji aktywności limfocytów T przez glikany receptora TCR jest dobrze poznany. Glikany podjednostek TCR regulują jego funkcję poprzez oddziaływanie z galektyną-3 (Gal-3), endogennym białkiem zdolnym do wiązania oligosacharydów. Obecność w limfocytach T enzymu β(1-6) N-acetyloglukozaminylotransferazy V (GnT-V), kodowanego przez gen MGAT5 i katalizującego syntezę rozgałęzień GlcNAc β(1-6), umożliwia połączenie TCR z Gal-3. Dołączenie reszty GlcNAc wiązaniem β(1-6) do struktury rdzennej N-glikanu umożliwia rozbudowę całego oligosacharydu typu kompleksowego m.in. o struktury N-acetylolaktozaminylowe, tym samym zwiększając powinowactwo TCR do Gal-3 [25,26]. Wiązanie Gal-3 do glikanów TCR obecnych na dziewiczych limfocytach uniemożliwia ich przedwczesne grupowanie się, co jest konieczne do zaktywowania komórki, tym samym podwyższając próg ich aktywacji przez komórki APC (Ryc. 3). Dodatkowo związanie Gal-3 do glikanów receptora TCR stanowi steryczną przeszkodę dla cząsteczki MHC. Badania nad myszami pozbawionymi genu Mgat5 pokazały, że u tych zwierząt dużo łatwiej zaktywować TCR. Ponadto stwierdzono, że u takich organizmów częściej dochodzi do rozwoju chorób autoimmunizacyjnych. Podobne zjawisko zaobserwowano w przypadku mutacji genu kodującego β(1-3) N-acetyloglukozaminylotransferazę (GnT-II), enzymu odpowiedzialnego za dołączanie N-acetylolaktozaminy [24]. Kolejnym istotnym zjawiskiem związanym z glikozylacją TCR jest wpływ Gal-3 na oddziaływanie z cząsteczką CD8, która jest koreceptorem TCR na powierzchni cytotoksycz-

132

nych limfocytów T (Tc). CD8 również wiąże MHC zwiększając nawet 10-krotnie siłę wiązania MHC przez receptor TCR. Badania in vitro nad komórkami Tc stymulowanymi komórkami nowotworowymi udowodniły, że utrata cytotoksyczności przez te komórki wiąże się z brakiem kolokalizacji TCR i CD8 spowodowanym oddziaływaniem tych cząsteczek z Gal-3. Lektyna ta wiążąc się ze swoim cukrowym ligandem obecnym na TCR tworzy przestrzenną sieć na powierzchni błony komórkowej limfocytów T, co uniemożliwia kontakt TCR i CD8 (Ryc. 3). Tym samym wiązanie MHC staje się nieefektywne, a limfocyty T tracą funkcje efektorowe [27]. W skład synapsy immunologicznej oprócz pary MHC-TCR wchodzą liczne koreceptory stabilizujące całe połączenie oraz posiadające funkcje ochronne i sygnalizacyjne. Wiele z nich to glikoproteiny. Cząsteczki CD2 (limfocyty T) i CD58 (APC) należą do białek adhezyjnych i ze względu na ich lokalizację i rozmiar zbliżony do rozmiaru kompleksu TCR-MHC, uznaje się, iż wspomagają one wiązanie limfocytu T z komórką APC. N-glikany obecne na CD2 ograniczają przyjęcie takiej przestrzennej konformacji, która pozwoliłaby na interakcje typu cis z CD58 obecną na tej samej komórce, a tym samym promuje wiązanie typu trans z CD58 obecną na partnerskiej komórce APC. Chociaż reszty cukrowe CD2 nie znajdują się w miejscu wiązania liganda, to przez wpływ na sferyczne ułożenie białka mogą regulować efektywność tworzenia synapsy immunologicznej [16]. RECEPTORY TLR

Receptory Toll-podobne (TLR, ang. Toll-like receptor) należą do większej grupy receptorów rozpoznających wzorce (PRR, ang. pattern recognition receptor) obecnych na powierzchni APC. Receptory PRR rozpoznają cząsteczki patogenów o budowie zachowanej w ewolucji, nazywane wzorcami molekularnymi związanymi z patogenami (PAMP, ang. pathogen associated molecular patterns), co prowadzi do aktywacji APC [28,29]. Wszystkie receptory rodziny TLR są N-glikoproteinami [30] charakteryzującymi się obecnością w rejonie zewnątrzkomórkowym motywów bogatych w leucynę zaangażowanych w rozpoznawanie liganda na powierzchni patogenu [31]. Glikozylacja receptorów TLR jest istotna dla ich obecności w błonie komórkowej, transportu na powierzchnię komórki oraz rozpoznawania PAMP [30]. W receptorze TLR3 zidentyfikowano dziewięć potencjalnych miejsc N-glikozylacji, przy czym dwa z nich znajdują się w obrębie powtórzeń bogatych w reszty leucyny. Zahamowanie syntezy N-glikanów z użyciem tunikamycyny obniża syntezę TRL3 i wpływa na jego funkcje. Tunikamycyna hamuje również aktywację NF-κB [32], najważniejszego czynnika transkrypcyjnego odpowiedzialnego za ekspresję genów wielu białek prozapalnych [20]. Tych efektów nie obserwowano w obecności swainsoniny hamującej aktywność α-mannozydazy II i zatrzymującej syntezę N-glikanów na etapie struktur wielomannozowych i hybrydowych [32]. Wyniki te wskazują, że obecność N-glikanów na receptorze TLR3 jest istotna w generowaniu sygnałów wewnątrzkomórkowych, co w konsekwencji ma wpływ na przebieg odpowiedzi odpornościowej. www.postepybiochemii.pl

IgG oczyszczone z surowicy 0,5-10 tys. dawców, określane skrótem IVIG (ang. intravenous gamma globulin) są wykorzystywane do leczenia chorób zapalnych. Deglikozylacja IVIG z użyciem N-glikozydazy F (PNGazy F) znosi działanie przeciwzapalne przeciwciał u zwierząt, u których eksperymentalnie wywołano reumatoidalne zapalenie stawów. Zastosowanie neuraminidazy katalizującej odcięcie SA z terminalRycina. 3. Wpływ N-glikozylacji receptora TCR na jego funkcje. (A) TCR oraz koreceptor CD8 zlokalizonej części glikanu, redukuje przeciwwane w odległości zapewniającej efektywne wiązanie cząsteczki MHC prezentującej antygen. (B) Glikany zapalne właściwości IVIG do poziomu obecne na cząsteczce TCR i CD8 stanowią ligand dla galektyny-3 (Gal-3), która nie pozwala na grupowanie porównywalnego z użyciem PNGazy się TCR i CD8. (C) Dwie cząsteczki TCR przestrzennie oddzielone Gal-3. (D) Zgrupowanie dwóch cząsteczek TCR pozbawionych N-glikanów zmniejsza próg aktywności limfocytu T. F. Ciekawy jest fakt, że SA wpływa na właściwości przeciwzapalne przeciwReceptor TLR2 ma tylko cztery potencjalne miejsca Nciał, natomiast nie zmienia ich czasu -glikozylacji, przy czym jedno obecne jest w sekwencji zapółtrwania w surowicy, ani ich powinowactwa do recepchowanej w toku ewolucji. Stosując metodę ukierunkowatora FcR [36]. Kolejnego dowodu na znaczenie glikozynej mutagenezy miejsc glikozylacji stwierdzono obecność lacji w funkcjonowaniu przeciwciał dostarczyły badania N-glikanów w każdym z czterech miejsc glikozylacji. Muz zastosowaniem inhibitora mannozydazy I, deoksytacja Asn w miejscu zachowanym w ewolucji powodowamannojirimycyny (dMM), który hamuje proces obróbki ła całkowite zahamowanie sekrecji ektodomeny TLR2, co N-glikanów na etapie struktur wielomannozowych uniemiało poważne konsekwencje dla funkcjonowania komómożliwiając syntezę form kompleksowych N-glikanów. rek. W przypadku mutacji pozostałych miejsc glikozylacji Badania Tulp i wsp. (1986) wykazały, że dMM blokuje w obserwowano jedynie zmniejszenie sekrecji ektodomeny znacznym stopniu produkcję IgG i IgA w hodowli in vitro TLR2. N-glikozylacja cząsteczki TLR2 jest istotna również zaktywowanych komórek jednojądrzastych krwi (MNC, w kształtowaniu prawidłowej struktury przestrzennej ang. mononuclear cells). Ponieważ inhibitor ten nie wpłybiałka [30]. wa na proliferację komórek, przypuszczalnie zahamowanie produkcji immunoglobulin wiąże się z niewłaściwym PRZECIWCIAŁA transportem tych białek poprzez szlak sekrecyjny, co ma bezpośredni związek z zaburzeniami w procesie glikozyKluczowymi glikoproteinami surowicy w odpowielacji [37]. dzi immunologicznej typu humoralnego są przeciwciała (Ig). Wyróżnia się 5 klas przeciwciał (IgA, IgD, IgE, IgG i Glikozylacja IgG odgrywa ważną rolę w rozwoju chorób IgM) różniących się budową łańcucha ciężkiego [20]. Przeautoimmunizacyjnych. Za jeden z markerów reumatoidalciwciała klasy IgG zbudowane są z dwóch identycznych nego zapalenia stawów (RZS) uznaje się występowanie w łańcuchów ciężkich i dwóch łańcuchów lekkich tworzących surowicy oraz płynie z torebki stawowej chorych zwiększocząsteczkę o kształcie litery Y. W budowie cząsteczki wynego poziomu agalaktozylowanych przeciwciał typu IgG różniamy fragment wiążący antygen Fab (ang. antigen bin(IgG-G0). Taka modyfikacja sprawia, że do oligosacharydu ding fragment) oraz fragment Fc (ang. crystallizable fragment), pozbawionego Gal wiążą się lektyny MBL (ang. mannose odpowiedzialny za wiązanie się do komórek układu odporbinding lectin), aktywując dopełniacz i w konsekwencji urunościowego oraz za aktywację dopełniacza (Ryc. 2B) [33]. chamiając odpowiedź zapalną (więcej w rozdziale Lektyny Przeciwciała klasy IgG występują w największym stężeniu endogenne — białka rozpoznające glikany). Dodatkowo w w osoczu człowieka [17]. Przeciwciała należące do każdej z surowicy chorych na RZS wykryto autoprzeciwciała skiepodklas IgG posiadają jedno, zachowane w ewolucji miejsce rowane przeciwko agalaktozylowanym IgG [33]. Stężenie N-glikozylacji przy reszcie Asn297, zlokalizowane w regioprzeciwciał typu IgG-G0 w surowicy zwiększa się wraz nie zawiasowym immunoglobuliny [34]. N-oligosacharyd z wiekiem, dlatego obecność tej glikoformy uważa się IgG jest typu kompleksowego dwuantenowego, jednak w również za jeden z objawów starzenia się organizmu [38]. jego obrębie występuje duża różnorodność, która sprawia, Obok zwiększonego poziomu agalaktozylowanych dwuanże wyróżniono ponad 30 glikoform pojedynczego ciężkietenowych oligosacharydów zawierających rdzeniową Fuc, go łańcucha IgG. Brak glikanu przy Asn297 uniemożliwia wraz z wiekiem obserwuje się zmniejszenie poziomu dwuwiązanie fragmentu Fc do receptora. Budowa oligosachagalaktozylowych N-glikanów. Wynika to ze zwiększonej rydu może modyfikować właściwości przeciwciał zwięksyntezy β galaktozydazy oraz z obniżenia poziomu β(1-4) szając lub zmniejszając powinowactwo do receptora, co w galaktozylotransferazy odpowiedzialnych odpowiednio za konsekwencji aktywuje lub hamuje odpowiedź odpornousunięcie i przyłączenie reszty Gal do reszty GlcNAc oligościową. Fukozylacja rdzeniowej części N-glikanu hamuje sacharydu [39]. cytotoksyczną odpowiedź komórek inicjowaną przez IgG. Podobnie kwasy sjalowe obecne w terminalnej części oligoWszystkie pozostałe klasy przeciwciał również mają sacharydu działają wyciszająco na odpowiedź z udziałem zachowane w ewolucji miejsca N-glikozylacji zlokalizoprzeciwciał [17,35]. wane w ciężkim łańcuchu cząsteczki. Immunoglobuliny Postępy Biochemii 61 (2) 2015

133

klasy A i D są dodatkowo O-glikozylowane. Cząsteczka IgD ma trzy miejsca N-glikozylacji (Asn354, Asn445, Asn496). Stosując metodę mutagenezy miejsc glikozylacji wykazano istotną rolę glikanów związanych do Asn354 w sekrecji IgD. Białko pozbawione tego miejsca glikozylacji pozostawało w ER i nie było transportowane do aparatu Golgiego [40]. Przeciwciała klasy IgA produkowane są najliczniej przez ludzki organizm. Mimo że ich poziom w surowicy jest mniejszy niż IgG, to największe ich stężenie występuje w wydzielinach surowiczych i śluzowych całego organizmu. W obrębie tej klasy wyróżnia się podklasę IgA1 i IgA2. Podklasa IgA1 charakteryzuje się obecnością dziewięciu potencjalnych miejsc O-glikozylacji zlokalizowanych w regionie zawiasowym cząsteczki, z których pięć jest najczęściej glikozylowanych [41]. Zmiany glikozylacji przeciwciał IgA zwiększają podatność na tworzenie agregatów tych przeciwciał, które mogą odkładać się w nerkach, co prowadzi do rozwoju choroby określanej jako nefropatia IgA (IgAN). W przebiegu IgAN dochodzi do utraty SA lub terminalnej Gal z O-wiązanej struktury GalNAcβ(1-3)Gal w cząsteczkach IgA [23,41] oraz zmniejszenia sjalilacji O-glikanów przeciwciał klasy IgD [42]. BIAŁKA OSTREJ FAZY

Podczas odpowiedzi zapalnej kluczową rolę odgrywają białka ostrej fazy, których poziom w surowicy może ulec nawet 1000-krotnemu zwiększeniu. Białka ostrej fazy produkowane są przez hepatocyty i znaczna część z nich jest glikozylowana. Haptoglobina i α1-kwaśna glikoproteina wykazują zmienioną glikozylację podczas chronicznego stanu zapalnego [35]. W toku różnych patologicznych procesów toczących się w organizmie zmienia się skład aminokwasowy i wzór glikozylacji białka C-reaktywnego (CRP, ang. C reactive protein). W przypadku takich chorób jak toczeń rumieniowaty czy gruźlica wykazano odmienny od innych niezapalnych schorzeń typ wiązania SA w terminalnej części N-glikanu białka CRP [43]. Transferyna, kolejne białko ostrej fazy, odpowiedzialna jest za transport żelaza w krwi. W przeciwieństwie do wyżej wymienionych białek, stężenie transferyny ulega obniżeniu podczas ostrej fazy odpowiedzi zapalnej. Charakterystycznymi glikanami obecnymi na cząsteczce transferyny są dwu- lub trzyantenowe N-glikany zakończone SA. Poziom sjalilacji transferyny zmienia się w przebiegu sepsy, przy czym zmniejszenie obserwuje się podczas pierwszego i drugiego dnia jej przebiegu, po czym w ciągu następnych trzech dni poziom sjalilowanej formy tego białka wzrasta powyżej poziomu z dnia pierwszego. Taka zmiana glikozylacji transferyny skraca czas jej półtrwania w surowicy, a tym samym ogranicza proces transportu żelaza. Uważa się, że jest to jeden z mechanizmów obronnych organizmu, który działając na transporter żelaza zmniejsza dostępność tego niezbędnego dla wzrostu bakterii składnika. Na wiarygodność tej hipotezy wskazuje fakt, iż zmiana poziomu sjalilacji transferyny nie koreluje ze zmianą stężenia tego białka i zawartością żelaza we krwi [44]. CYTOKINY

Cytokiny, do których zaliczamy interleukiny, interferony, chemokiny i czynniki wzrostu kolonii [18] są

134

białkami regulującymi wrodzoną i swoistą odpowiedź zapalną. Produkowane są lokalnie w miejscach wniknięcia organizmów patogennych. Ich działanie skierowane jest bezpośrednio przeciwko organizmom patogennym lub ich aktywność pośrednio uruchamia inne cytokiny wykonawcze. Wiele spośród cytokin to białka glikozylowane występujące w postaci różnych glikoform [18,45]. W badaniach porównujących funkcje glikozylowanych cytokin z ich nieglikozylowanymi wariantami stwierdzono, że obecność komponenty cukrowej wpływa na aktywność części tych białek. Aktywność nieglikozylowanej interleukiny 2 (IL-2) była większa od formy glikozylowanej. Przeciwny efekt obserwowano dla interferonu-γ (IFN-γ), którego forma glikozylowana wykazywała dwa razy większą aktywność w porównaniu z nieglikozylowanym odpowiednikiem [18]. Natomiast aktywność różnych glikoform cytokiny IL-5 biorącej udział w indukowaniu wzrostu i różnicowania limfocytów, nie była zależna od glikozylacji [46]. CD43

Cząsteczka CD43 jest przezbłonowym białkiem limfocytów T, biorącym udział w ich aktywacji. CD43 należy do rodziny mucyn; w obrębie domeny zewnątrzkomórkowej zawiera ok. 80 miejsc O-glikozylacji i jedno miejsce N-glikozylacji. Glikany stanowią 62-66% masy całej cząsteczki [47]. Istnieją dwie izoformy CD43 o masach cząsteczkowych 115 i 130 kDa. Zwiększenie masy cząsteczki następuje po aktywacji limfocytów T w efekcie działania transferaz odpowiedzialnych za syntezę i rozbudowę O-glikanu typu 2. Białko CD43 bierze udział w adhezji limfocytów T do śródbłonka podczas migracji limfocytów do miejsca zapalenia [48]. E-selektyna na komórkach śródbłonka wiąże izoformę CD43 o masie cząsteczkowej 130 kDa za pośrednictwem sjalowanych struktur Lewis x obecnych w cząsteczkach O-glikanów typu 2. CD43, podobnie jak białko CD45, odgrywa również ważną rolę w apoptozie limfocytów indukowanej poprzez wiązanie Gal-1, lektyny endogennej, której głównym ligandem są struktury laktozaminylowe, ale rozpoznaje również sjalowane O-glikany typu 2. Pojawienie się sjalowanych O-glikanów na CD43 pełni rolę ochronną przed apoptozą indukowaną wiązaniem Gal-1 [47,49,50]. CD45

Cząsteczka CD45 jest białkiem licznie występującym w błonie komórek jądrzastych wywodzących się z linii hematopoetycznej [51]. Zewnątrzkomórkowa część CD45 ma wiele miejsc N-glikozylacji zlokalizowanych w domenach fibronektynowych oraz miejsc O-glikozylacji w N-końcowej części łańcucha białkowego. Wyróżniamy osiem izoform CD45 wynikających z alternatywnego składania eksonów podczas dojrzewania mRNA. W efekcie tego procesu fragmenty białka podlegające N-glikozylacji pozostają niezmienne, natomiast długość fragmentów łańcucha białkowego podlegającego O-glikozylacji i w konsekwencji liczba dołączonych O-glikanów różni się między izoformami. Liczba miejsc N-glikozylowanych zależy od podklasy limfocytów T i etapu rozwoju tych komórek [52]. W błonie komórkowej limfocytów wystęwww.postepybiochemii.pl

puje pięć izoform R0, RA, RB, RBC i RABC, z których R0 ma najmniej przyłączonych reszt O-glikanów. Podczas dojrzewania i aktywacji limfocyty T wykazują obecność w błonie komórkowej różnych izoform CD45 zależną od zmieniającej się zawartości glikozylotransferaz. Izofomy CD45 wykorzystywane są jako markery poszczególnych etapów rozwoju limfocytu [51]. CD45 jest receptorem posiadającym właściwości fosfatazy serynowej. Utrata właściwości fosfatazy zachodzi poprzez dimeryzację receptora. Sparowane cząsteczki blokują miejsca aktywne enzymu. Zaburzenia w aktywacji CD45 prowadzą do nadmiernej proliferacji limfocytów oraz rozwoju chorób autoimmunizacyjnych. Izoformy CD45 słabiej glikozylowane lub pozbawione kwasów sjalowych efektywniej tworzą dimery, co hamuje przekazywanie sygnałów wewnątrzkomórkowych i aktywację limfocytów T [48]. LEKTYNY ENDOGENNE — BIAŁKA ROZPOZNAJĄCE GLIKANY

Warunkiem udziału glikanów w regulacji funkcji komórek układu odpornościowego jest rozpoznanie przez białka zdolne do wiązania reszt cukrowych nazywane lektynami endogennymi. Są to cząsteczki charakteryzujące się obecnością domeny rozpoznającej cukry (CRD, ang. carbohydrate recognition domain). Lektyny są klasyfikowane na trzy podrodziny. Wyróżnia się lektyny typu C zależne od jonów wapnia, np. selektyny, lektyny typu S, np. galektyny oraz lektyny typu immunoglobulin I, np. Siglec [53]. Ciekawy jest również fakt, iż same lektyny, z wyjątkiem galektyn, są glikoproteinami. Selektyny specyficznie rozpoznają SA w strukturach typu Lewis. Białka te są cząsteczkami adhezyjnymi obecnymi na powierzchni komórek nabłonkowych i leukocytów. Odpowiedzialne są za oddziaływanie limfocytów i neutrofili z komórkami śródbłonka, co umożliwia toczenie się komórek układu odpornościowego po śródbłonku, poprzedzające przejście przez jego ściany do miejsca zapalnego [53,54]. Do tej pory zidentyfikowano kilka spośród wielu potencjalnych glikoprotein zawierających reszty cukrowe rozpoznawane przez selektyny. Jest to m.in. glikozylowany ligand dla P-selektyny (PSGL1, ang. P-selectin glycoprotein ligand 1), ligand dla E-selektyny (ESL1, ang. E-selectin ligand 1), białka CD34 i CD44 oraz integryna αMβ2. Udowodniono na modelu mysim, że brak sjalotransferazy ST3Gal4, biorącej udział w procesie syntezy liganda dla selektyn, powoduje zmniejszoną migrację leukocytów do miejsca zapalenia [5]. Ciekawym przykładem wpływu diety na glikozylację są badania prowadzone na pacjentach z niedoborem adhezji leukocytów typu II (LADII, ang. leukocyte adhesion deficiency type II), chorobą charakteryzującą się obniżoną odpornością spowodowaną brakiem fukozylowanego liganda dla selektyn w błonie komórkowej neutrofili. Defekt glikozylacji białek błonowych neutrofili skutkuje zaburzeniem w procesie toczenia się oraz przechodzenia tych komórek przez ścianę śródbłonka, leukocytozą i częstszym występowaniem infekcji bakteryjnych. Zastosowanie 9-miesięcznej terapii związanej z wprowadzeniem diety bogatej w fukozę znosiło objawy LAD II. W efekcie obserwowano obniżenie liczby neutrofili i gorączki oraz pojawienie się fukozylowanego liganda na powierzchni neutrofili [55]. Postępy Biochemii 61 (2) 2015

Kluczową rodziną lektyn odpowiedzialnych za utrzymanie homeostazy układu odpornościowego i regulację procesów zapalnych są galektyny. Dotychczas w komórkach ssaków zidentyfikowano 14 galektyn szeroko rozpowszechnionych w różnych tkankach organizmu. Ze względu na budowę wyróżnia się galektyny prototypowe (np. Gal-1, Gal-2, Gal-5), które występują jako monomery lub homodimery zbudowane jedynie z domeny CRD, galektyny chimeryczne (Gal-3) zbudowane z części nielektynowej połączonej z domeną CRD oraz lektyny tandemowe (np. Gal-4, Gal-6) zawierające dwie różne domeny CRD w jednym łańcuchu polipeptydowym [56]. Gal-1 wiążąc galaktozę hamuje działanie komórek Th1 i Th17 i wprowadza je na drogę apoptozy [53]. Gal-3 jest szeroko rozpowszechniona w organizmach ssaków, szczególnie w monocytach, makrofagach, komórkach dendrytycznych i neutrofilach. Ligandem Gal-3 jest β-galaktoza, a jej powinowactwo do tej cząsteczki zwiększa się, gdy występuje w postaci disacharydu N-acetylolaktozaminy. Gal-3 jest zaangażowana w wiele procesów związanych z odpowiedzią zapalną, indukuje aktywację neutrofili i komórek tucznych, po związaniu z glikozylowanym błonowym ligandem może zapoczątkować wybuch tlenowy oraz degranulację w tych komórkach [57]. Ważnym przedstawicielem lektyn endogennych jest lektyna wiążąca mannozę (MBL). Jest to białko wydzielnicze zdolne do wiązania proteoglikanów obecnych na mikroorganizmach oraz glikanów autoantygenów powierzchniowych zmienionych w skutek choroby (np. cukrzycy, procesu nowotworowego) lub w komórkach nekrotycznych i apoptotycznych. MBL syntezowana jest w wątrobie, skąd uwalniana jest do krwi. Ligandami dla lektyny MBL są reszty Man, GlcNAc i Fuc obecne w terminalnej części glikanu. Taka swoistość wiązania uważana jest za podstawę rozróżnienia oligosacharydów patogennych od własnych, ponieważ terminalną pozycję w glikanach ssaków zajmuje głównie Gal i SA. W komórkach nowotworowych MBL wiąże struktury typu Lewis a i b (Lea i Leb). Jedną z najważniejszych funkcji MBL jest aktywacja dopełniacza. Lektyna MBL po połączeniu się z powierzchniowym ligandem, zmienia konformację, co prowadzi do aktywacji proteaz serynowych (MASP, ang. MBL-associated serine proteases), z którymi jest związana. Aktywność białek MASP powoduje rozkład czynników dopełniacza C4 i C2 i powstanie konwertazy C3, kompleksu C4bC2a niezbędnego do kontynuacji kaskadowej reakcji prowadzącej do powstania kompleksu atakującego błonę i w efekcie powodującego lizę komórki [58,59]. Kolejnym przykładem na istotne znaczenie glikozylacji w układzie odpornościowym jest cząsteczka CD22 obecna wyłącznie na limfocytach B. CD22 ma zdolność do łączenia się z receptorem BCR (ang. B cell receptor), co reguluje jego aktywność. CD22 należąca do lektyn typu Siglec, zbudowana jest z zewnątrzkomórkowej części lektynowej i fragmentu wewnątrzkomórkowego bogatego w powtórzenia tyrozyny. Część wewnątrzkomórkowa spełnia funkcje hamujące, ponieważ zdolna jest do wiązania fosfatazy SHP1 hamującej aktywność BCR. Synteza liganda dla CD22 wymaga aktywności sjalotransferazy

135

STGal1, która katalizuje przyłączenie SA do N-acetylolaktozaminy N-glikanu wiązaniem α(2-6). Taki ligand występuje na wielu glikoproteinach, w tym także na samym CD22. Wiązanie CD22 z ligandem obecnym na innej cząsteczce CD22 jest bardzo częste. Podczas niedoboru ST6Gal1 aktywacja BCR jest hamowana, co w konsekwencji prowadzi do stłumienia odpowiedzi humoralnej. Jest to spowodowane tym, że brak liganda uniemożliwia tworzenie się multimerów CD22, a tym samym promowane jest wiązanie CD22-BCR. Taka konfiguracja umożliwia działanie fosfatazy SHP1, co zapobiega sygnalizacji z BCR poprzez fosforylację białek przekaźnikowych, tym samym hamując odpowiedź immunologiczną [5].

12. Krześlak A (2007) Wpływ modyfikacji białek komórkowych przez O-GlcNAc na proces przekazywania sygnału. Postepy Biochem 54: 389399

PODSUMOWANIE

17. Shade KTC, Anthony RM (2013) Antibody glycosylation and inflammation. Antibodies 2: 392-414

Glikoimmunologia to dynamicznie rozwijająca się w ostatnich latach dziedzina nauki łącząca wiedzę na temat mechanizmów funkcjonowania układu odpornościowego z budową glikoprotein komórek odpornościowych. Już w pierwszych badaniach nad układem immunologicznym korzystano z faktu, że większość kluczowych białek receptorowych i wydzielniczych biorących udział w odpowiedzi zapalnej jest glikozylowana. Do izolacji subpopulacji limfocytów i aglutynacji ludzkich erytrocytów używano roślinnych białek zdolnych do wiązania cukrów na powierzchni tych komórek [60,61]. Późniejsze odkrycia wskazujące, że funkcja układu odpornościowego regulowana jest poprzez oddziaływania cukier-białko, stanowiło kamień milowy w rozwoju glikoimmunologii [4]. Dziś nie ma wątpliwości, że prawidłowe funkcjonowanie układu odpornościowego nie jest możliwe bez udziału sacharydów wprowadzających dużą zmienność do białek i lipidów obecnych na powierzchni komórek oraz że zmiany glikozylacji wiążą się z występowaniem chronicznych chorób układu odpornościowego, w tym o podłożu autoimmunzacyjnym. PIŚMIENNICTWO 1. Kim PJ, Lee DY, Jeong H (2009) Centralized modularity of N-linked glycosylation pathways in mammalian cells. PLoS One 4: e7317 2. Aarnoudse CA, Garcia Vallejo JJ, Saeland E, van Kooyk Y (2005) Recognition of tumor glycans by antigen-presenting cells. Curr Opin Immunol 18: 105-111 3. van Kooyk Y, Kalay H, Garcia-Vallejo JJ (2013) Analytical tools for the study of cellular glycosylation in the immune system. Front Immunol 4: 451 4. Rabinovich GA, van Kooyk Y, Cobb BA (2012) Glycobiology of immune responces, Ann N Y Acad Sci 1253: 1-15 5. Marth JD, Grewal PK (2008) Mammalian glycosylation in immunity. Nat Rev Immunol 8: 874-887 6. Brooks SA, Dwek MV, Schumacher U (2002) Functional and molecular glycobiology, BIOS Scientific Publishers, Nowy Jork 7. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaria P, Baltimore D, Darnell J (2000) Molecular Cell Biology 4th edition, WH Freeman, Nowy Jork 8. Fukuda M, Hindsgaul O (1994) Molecular glycobiology. Oxford University Press, Nowy Jork 9. Surman M, Janik M (2014) Regulacja procesu glikozylacji białek przez kaskadę cAMP. Postepy Biochem 60: 305-312 10. Dell A, Morris HR (2001) Glycoprotein structure determination by mass spectrometry. Science 291: 2351-2359 11. Taylor ME, Drickamer K (2003) Introduction to glycobiology. Oxford University Press, Nowy Jork

136

13. Lauc G, Rudan I, Campbell H, Rudd PM (2010) Complex genetic regulation of protein glycosylation. Mol BioSyst 6: 329-335 14. Lauc G, Zoldos V (2010) Protein glycosylation - an evolutionary crossroad between genes and environment. Mol BioSyst 6: 2373-2379 15. Rudd PM, Merry AH, Dwek RE (2005) Roles for glycosylation in receptor - ligand interactions in the immune system, W: Gòdia F, Fussengger M (red) Animal Cell Technology Meets Genomics. Springer Netherlands, str. 31-42 16. Rudd PM, Wormald MR, Stanfield RL, Huang M, Mattsson N, Speir JA, DiGennaro JA, Fetrow JS, Dwek RA, Wilson IA (1999) Roles for glycosylation of cell surface receptors involved in cellular immune recognition. J Mol Biol 293: 351-366

18. Opdenakker G, Rudd PM, Wormald M, Dwek RA, Van Damme J (1995) Cell regulate the activities of cytokine by glycosylation. FASEB J 9: 453-457 19. Ryan SO, Cobb BA (2012) Host glycans and antigen presentation. Microbes Infect 14: 894-903 20. Gołąb J, Jakubiak M, Lasek W, Stokłosa T (2010) Immunologia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 21. Ryan SO, Cobb BA (2012) Roles for major histocompatibility complex glycosylation in immune function. Semin Immunopathol 34: 425-441 22. Rudd PM, Elliott T, Cresswell P, Wilson IA, Dwek RA (2001) Glycosylation and the immune system. Science 291: 2370-2376 23. van der Steen P, Rudd PM, Dwek RA, Opdenakker G (1998) Concept and principles of O-linked glycosylation. Crit Rev Biochem Mol Biol 33: 151-208 24. Dennis JW, Lau KS, Demetriou M, Nabi IR (2009) Adaptive regulation at cell surface by N-glycosylation. Traffic 10: 1569-1578 25. Hsu DK, Chen HY, Liu FT (2009) Galectin-3 regulates T-cell functions. Immunol Rev 230: 114-127 26. Lau KS, Partridge EA, Grigorian A, Silvescu CI, Reinhold VN, Demetriou M, Dennis JW (2007) Complex N-glycan number and degree of branching cooperate to regulate cell proliferation and differentiation. Cell 129: 123-134 27. Demotte N, Stroobant V, Courtoy P, van der Smissen P, Colau D, Luescher IF, Hivroz C, Nicaise J, Squifflet JL, Mourad M, Godelaine D, Boon T, van der Bruggen P (2008) Resoring the association of the T cell receptor with CD8 reverse anergy in human tumor-infiltrating lymphocytes. Immunity 28: 414-424 28. van Kooyk Y (2008) C-type lectins on dendritic cells: key modulators for the induction of immune responses. Biochem Soc Trans 36: 14781481 29. Kumagai Y, Akira S (2010) Identification and functions of pattern-recognition receptors. J Allergy Clin Immunol 125: 985-992 30. Weber ANR, Morse MA, Gay NJ (2004) Four N-linked glycosylation sites in human Toll-like receptor2 cooperate to direct efficiency biosynthesis and secretion. J Biol Chem 279: 34589-34594 31. Grygorowicz MA, Kozłowska E (2010) Udział receptorów TLR rozpoznających wzorce molekularne organizmów patogennych w modulowaniu aktywności regulatorowych limfocytów T CD4+ CD25+FOXP3+. Post Mikrobiol 50: 141-154 32. Sun J, Duffy KE, Ranjith-Kumar CT, Xiong J, Lamb RJ, Santos J, Masarapu H, Cunningham M, Holzenburg A, Sarisky RT, Mbow ML, Kao C (2006) Structural and functional analyses of the human Toll-like receptor 3: role of glycosylation. J Biol Chem 281: 11144-11151 33. Gińdzieńska-Sieśkiewicz E, Klimiuk PA, Domysławska I, Sierakowski S (2005) Zaburzenia glikozylacji immunoglobuliny G w przebiegu reumatoidalnego zapalenia stawów. Postepy Hig Med Dosw 59: 485489 34. Jefferis R (2009) Glycosylation as a strategy to improve antibody-based therapeutics. Nat Rev Drug Discov 8: 226-234 www.postepybiochemii.pl

35. Arnold JN, Saldova R, Hamid UMA, Rudd PM (2008) Evaluation of the serum N-linked glycome for the diagnosis of cancer and chronic inflammation. Proteomics 8: 3284-3293

47. Clark MC, Baum LG (2012) T cell modulate glycans on CD43 and Cd45 during development and activation, signal regulation, and survival. Ann N Y Acad Sci 1253: 58-67

36. Kaneko Y, Nimmerjahn F, Ravetch JV (2006) Anti-inflammatory activity of immunoglobulin G resulting from Fc sialylation. Science 313: 670-673

48. Daniels MA, Hogquist KA, Jameson SC (2002) Sweet ‘n’ sour: the impact of differential glycosylation on T cell responses. Nat Immunol 3: 903-910

37. Tulp A, Barnhoorn M, Bause E, Ploegh H (1986) Inhibition of N-linked oligosaccharide trimming mannosidases blocks B cell development. EMBO J 5: 1783-1790

49. Camby I, Le Mercier M, Lefranc F, Kiss R (2006) Galectin-1: a small protein with major functions. Glycobiology 16: 137R-157R

38. Dall’Olio F, Vanhooren V, Chen CC, Slagboom PE, Wuhrer M, Franceschi C (2013) N-glycomic biomarkers of biological aging and longevity: a link with inflammaging. Ageing Res Rev 12: 6856-6898 39. Vanhooren V, Dewaele S, Libert C, Engelborghs S, De Deyn PP, Toussaint O, Debacq-Chainiaux F, Poulain M, Glupczynski Y, Franchesch C, Jaspers K, van der Plujm I, Hoeijmakers J, Chen CC (2010) Serum N-glycome profile shift during human ageing. Exp Gerontol 45: 738743 40. Gala FA, Morrison SL (2002) The role of constant region carbohydrate in the assembly and secreted of human IgD and IgA. J Biol Chem 277: 29005-29011 41. Takahashi K, Smith AD, Poulsen K, Kilian M, Julian BA, Mestecky J, Novak J, Renfrow MB (2011) Naturally occurring structural isomers in serum IgA1 o-glycosylation. J Proteome Res 11: 692-702 42. Smith AC, de Wolff JF, Molyneux K, Feehally J, Barratt J (2006) O-glycosylation of serum IgD in IgA nephropathy. J Am Soc Nephrol 17: 1192-1199 43. Gornik O, Lauc G (2008) Glycosylation of serum protein in inflammatory disease. Dis Markers 25: 267-278 44. Gornik O, Gornik I, Kolednjak IZ, Lauc G (2011) Change of transferin sialylation differs between mild sepsis and serve sepsis and septic shock. Intern Med 50: 861-869 45. van den Steen P, Rudd PM, Dwek RA, Van Damme J, Opdenakker G (1998) Cytokine and protease glycosylation as regulatory mechanism in inflammation and autoimmunity. Adv Exp Med Biol 435: 133-143 46. Tominaga A, Takahashi T, Kikuchi Y, Mita S, Naomi S, Harada N, Yamaguchi N, Takatsu K (1990) Role of carbohydrate moiety of IL-5. Effect of tunicamycin on the glycosylation of IL-5 and the biologic activity of deglycosylated IL-5. J Immunol 144: 1345-1352

50. Hernandez JD, Baum LG (2002) Ah, sweet mystery of death! Galectins and control of cell fate. Glycobiology 12: 127R-136R 51. Earl LA, Baum LG (2008) CD45 glycosylation controls T-cell life and death. Immunol Cell Biol 86: 608-615 52. Xue J, Gao X, Fu C, Cong Z, Jiang H, Wang W, Chen T, Wei Q, Qin C (2013) Regulation of galectin-3-induced apoptosis of Jurkat cells by both O-glycans and N-glycans on CD45. FEBS Lett 587: 3986-3994 53. Haslam SM, Julien S, Burchell JM, Monk CR, Ceroni A, Garden OA, Dell A (2008) Characterizing the glycome of the mammalian immune system. Immunol Cell Biol 86: 564-573 54. van Kooyk Y, Rabinovich GA (2008) Protein-glycan interaction in the control of innate and adaptive immune system. Nat Immunol 9: 593601 55. Marquardt T, Luhn K, Srikrishna G, Freeze HH, Harms E, Vestweber D (1999) Correction of leukocyte adhesion deficiency type II with oral fucose. Blood 94: 3976-3985 56. Rabinovich GA, Baum LG, Tinari N, Paganelli R, Natoli C, Liu FT, Iacobelli S (2002) Galectins and their ligands: amplifiers, silencers or tuners of the inflammatory response? Trends Immunol 23: 313-320 57. Pokrywka M, Lityńska A (2010) Budowa i funkcje biologiczne galektyny-3. Część 1. Postepy Biol Komorki 37: 677-684 58. Ip WK, Takahashi K, Ezekowitz RA, Stuart LM (2009) Mannose-binding lectin and innate immunity. Immunol Rev 230: 9-21 59. Klaska I, Nowak JZ (2007) Rola układu dopełniacza w fizjologii i patologii. Postepy Hig Med Dosw 61: 167-177 60. Baum LG (2002) Developing a taste for sweets. Immunity 16: 5-8 61. Sharon N, Lis H (1989) Lectins as cell recognition molecules. Science 246: 227-234

The role of protein glycosylation in immune system Marta Ząbczyńska, Ewa Pocheć Department of Glycoconjugate Biochemistry, Institute of Zoology, Jagiellonian University, 9 Gronostajowa St., 30-387 Krakow, Poland 

e-mail: [email protected]

Key words: N-glycosylation, immune system, MHC, TCR, antibody, endogenous lectin

ABSTRACT Glycosylation is one of the most frequent post-translational modifications of proteins. The majority of cell surface and secreted proteins involved in immune response is glycosylated. The structural diversity of glycans depends on monosaccharide composition, type of glycosidic linkage and branching. These structural modifications determine a great variability of glycoproteins. The oligosaccharide components of proteins are regulated mostly by expression of glycosyltransferases and glycosidases and many environmental factors. Glycosylation influences the function of all immune cells. Glycans play a crucial role in intercellular contacts and leukocytes migration. These interactions are important in activation and proliferation of leukocytes and during immune response. The key immune proteins, such as TCR, MHC, TLR and antibodies are glycosylated. Sugars on the surface of pathogens and self-surface glycoproteins are recognized by special carbohydrate binding proteins called lectins. Changes of glycan structure are common in many pathological processes occurring in immune system, therefore they are used as molecular markers of different diseases.

Postępy Biochemii 61 (2) 2015

137