國自然研究熱點解析|“O-GlcNAc糖基化修飾”：拿基金發paper都靠它！

蛋白質翻譯后修飾（Post-Translational Modification, PTM）是細胞調控的重要機制，分別通過添加、去除或更換不同的化學基團來調節蛋白質的性質。常見的PTM包括：磷酸化、糖基化、甲基化、乙酰化、泛素化等。其中糖基化是生理和病理細胞功能的關鍵，參與許多關鍵的生物學過程，包括細胞粘附、分子運輸和清除、受體激活、信號轉導和內吞作用。

根據蛋白質糖基化發生的氨基酸殘基可以分為N-連接、O-連接和C-連接的糖基化修飾。其中O-GlcNAcylation是一種特定的糖基化修飾，其中N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）通過羥基（-OH）基團與蛋白質中的絲an酸（Ser）或蘇an酸（Thr）殘基相結合。這種修飾在調節細胞功能、代謝以及細胞響應壓力方面起著關鍵作用。

圖1. 蛋白質糖基化修飾類型及其對蛋白質結構和功能的影響

國自然熱點

對O-GlcNAc的研究越來越受到重視，反映在資金支持和研究項目數量上。這可能與O-GlcNAc在生物學及醫學研究中日益重要的角色有關，尤其是在糖基化對疾病的影響和潛在治療靶點方面。

圖2. 國自然資助O-GlcNAc糖基化修飾研究的統計

O-GlcNAc糖基化——心力衰竭研究靶點

一項2021年來自由美國約翰霍普金斯大學的研究團隊在心血管領域頂級期刊《Circulation》 發表重要研究成果：過量的O-GlcNAc糖基化可導致心力衰竭和猝死，而且背后的機制可能是線粒體能量代謝受到阻斷；OGA和OGT可能為潛在心血管疾病的治療靶點：增加OGA活性和降低O-GlcNAc糖基化水平（降低OGT水平）可能緩解心力衰竭和心肌病。

主要研究方法：

l   動物模型：通過基因過表達或抑制O-GlcNAcylation酶（OGT或OGA）來建立動物模型，研究O-GlcNAcylation過量對心臟功能的影響。

l   細胞模型：在體外培養心肌細胞（如心室肌肉細胞）并應用不同濃度的營養物質或應激信號，以研究O-GlcNAcylation的變化及其對細胞功能的影響。

l   生化分析：使用免疫沉淀和Western blot分析測定O-GlcNAcylation水平，檢驗糖基化對關鍵蛋白質（如轉錄因子、細胞周期蛋白等）的影響。

l   電生理實驗：進行心臟電生理實驗，評估心肌細胞的電活動及可能的心律失常，從而探討O-GlcNAcylation對心臟功能的影響。

l   組織學分析：對心臟組織進行病理學檢查，使用染色方法觀察心肌細胞的形態變化、凋亡和纖維化程度。

l   基因表達分析：通過RT-qPCR或RNA測序技術評估O-GlcNAcylation對心臟相關基因的表達影響，研究其潛在機制。

l   生存分析：觀察動物模型中的生存率，分析O-GlcNAcylation水平與突發性心臟死亡之間的關系。

文章主要發現及觀點：

l   過量的O-GlcNAcylation會導致心肌胞內代謝失衡，影響能量生成和利用，最終導致心臟功能衰竭。

l   過量的O-GlcNAcylation會改變信號通路的平衡，干擾心臟細胞的生長和存活。

l   過多的O-GlcNAc糖基化可以促進心肌細胞的凋亡和纖維化，增加心臟結構的重塑與損傷。

l   由于心臟電生理特性和機械功能的改變，O-GlcNAcylation的異常也可能引發心律失常，進一步增加突發性死亡的風險。

l   潛在的治療方向：靶向O-GlcNAcylation通路的藥物可能有助于緩解心力衰竭，并減少相關的死亡風險。

2023年的另一篇文章《Foetal recapitulation of nutrient surplus signalling by O-GlcNAcylation and the failing heart》也發現：營養信號、O-GlcNAcylation與心臟功能之間復雜的相互作用：胎兒在發育過程中利用營養過剩信號來優化成長和發育；O-GlcNAcylation是一種重要的翻譯后修飾，調節細胞在不同營養狀態下的代謝路徑；在心力衰竭的情況下，正常的信號機制發生失調，導致代謝適應性受損；心臟的衰竭可能部分反映了胎兒營養信號通路的不適應性重復，且這一過程與O-GlcNAcylation水平的改變相關。

由此可見在深入心血管中O-GlcNAc糖基化修飾的研究不僅可以幫助研究者們申請國家自然科學基金以及發表高水平的研究文章，而且可以發現心血管治療的新靶點。