Glykosaminoglykane unterscheiden sich stark in Molekularmasse, Disaccharidaufbau und Sulfatierung. Dies liegt daran, dass die GAG-Synthese nicht wie bei Proteinen oder Nukleinsäuren durch eine Vorlage gesteuert wird, sondern ständig durch verarbeitende Enzyme verändert wird.
GAGs werden anhand der Disaccharid-Kernstrukturen in vier Gruppen eingeteilt. Heparin/Heparansulfat (HSGAGs) und Chondroitinsulfat/Dermatansulfat (CSGAGs) werden im Golgi-Apparat synthetisiert, wo Proteinkerne, die im rauen endoplasmatischen Retikulum gebildet werden, durch Glykosyltransferasen posttranslational mit O-verknüpften Glykosylierungen modifiziert werden und Proteoglykane bilden. Keratansulfat kann Kernproteine durch N-verknüpfte Glykosylierung oder O-verknüpfte Glykosylierung des Proteoglykans verändern. Die vierte Klasse von GAG, Hyaluronsäure, wird durch integrale Membransynthasen synthetisiert, die die dynamisch verlängerte Disaccharidkette sofort sezernieren.
HSGAG und CSGAGEdit
HSGAG- und CSGAG-modifizierte Proteoglykane beginnen zunächst mit einem Ser-Gly/Ala-X-Gly-Konsensmotiv im Kernprotein. Die Konstruktion eines Tetrasaccharid-Linkers, der aus -GlcAβ1-3Galβ1-3Galβ1-4Xylβ1-O-(Ser)- besteht, wobei Xylosyltransferase, β4-Galactosyltransferase (GalTI), β3-Galactosyltransferase (GalT-II) und β3-GlcA-Transferase (GlcAT-I) die vier Monosaccharide übertragen, beginnt die Synthese des GAG-modifizierten Proteins. Die erste Modifikation des Tetrasaccharid-Linkers bestimmt, ob die HSGAGs oder CSGAGs hinzugefügt werden. Die Hinzufügung von GlcNAc fördert die Anlagerung von HSGAGs, während die Hinzufügung von GalNAc an den Tetrasaccharid-Linker die Entwicklung von CSGAGs fördert. GlcNAcT-I überträgt GlcNAc auf den Tetrasaccharid-Linker, was sich von der Glykosyltransferase GlcNAcT-II unterscheidet, dem Enzym, das zum Aufbau von HSGAGs verwendet wird. EXTL2 und EXTL3, zwei Gene der EXT-Tumorsuppressorfamilie, haben nachweislich eine GlcNAcT-I-Aktivität. Umgekehrt wird GalNAc durch das Enzym GalNAcT auf den Linker übertragen, um die Synthese von CSGAGs einzuleiten, ein Enzym, das im Vergleich zur GalNAc-Transferase-Aktivität der Chondroitin-Synthase eine andere Aktivität haben kann oder auch nicht.
Im Hinblick auf HSGAGs überträgt ein multimeres Enzym, das von EXT1 und EXT2 der EXT-Genfamilie kodiert wird, sowohl GlcNAc als auch GlcA für die Verlängerung der HSGAG-Kette. Während der Verlängerung wird das HSGAG dynamisch modifiziert, zunächst durch N-Deacetylase, N-Sulfotransferase (NDST1), ein bifunktionelles Enzym, das die N-Acetylgruppe von GlcNAc abspaltet und anschließend die N-Position sulfatiert. Als nächstes überführt die C-5-Uronylepimerase d-GlcA in l-IdoA, gefolgt von der 2-O-Sulfatierung des Uronsäurezuckers durch die 2-O-Sulfotransferase (Heparansulfat-2-O-Sulfotransferase). Schließlich werden die 6-O- und 3-O-Positionen der GlcNAc-Moleküle durch 6-O- (Heparansulfat 6-O-Sulfotransferase) und 3-O- (3-OST) Sulfotransferasen sulfatiert.
Chondroitinsulfat und Dermatansulfat, die CSGAGs umfassen, unterscheiden sich voneinander durch das Vorhandensein von GlcA- bzw. IdoA-Epimeren. Ähnlich wie bei der Herstellung von HSGAGs wandelt die C-5-Uronylepimerase d-GlcA in l-IdoA um, um Dermatansulfat zu synthetisieren. Die Sulfatierung der CSGAG-Ketten erfolgt in drei Schritten: 4-O- und/oder 6-O-Sulfatierung von GalNAc und 2-O-Sulfatierung von Uronsäure. Vier Isoformen der 4-O-GalNAc-Sulfotransferasen (C4ST-1, C4ST-2, C4ST-3 und D4ST-1) und drei Isoformen der GalNAc-6-O-Sulfotransferasen (C6ST, C6ST-2 und GalNAc4S-6ST) sind für die Sulfatierung von GalNAc verantwortlich.
Keratansulfat-TypenEdit
Im Gegensatz zu HSGAGs und CSGAGs wird die dritte Klasse von GAGs, die zu den Keratansulfat-Typen gehören, durch bestimmte Proteinsequenzmotive zur Biosynthese gebracht. In der Hornhaut und im Knorpel beispielsweise besteht die Keratansulfat-Domäne von Aggrecan aus einer Reihe von tandemartig wiederholten Hexapeptiden mit der Konsensussequenz E(E/L)PFPS. Darüber hinaus wurde für drei andere keratansulfatierte Proteoglykane, Lumican, Keratocan und Mimecan (OGN), die Konsensussequenz NX(T/S) zusammen mit der Protein-Sekundärstruktur bestimmt, die an der N-gebundenen Oligosaccharidverlängerung mit Keratansulfat beteiligt ist. Die Keratansulfatverlängerung beginnt an den nicht-reduzierenden Enden von drei Oligosaccharidbindungen, die die drei Keratansulfatklassen definieren. Keratansulfat I (KSI) ist über ein Vorläufer-Oligosaccharid mit hohem Mannosegehalt N-verknüpft. Keratansulfat II (KSII) und Keratansulfat III (KSIII) sind O-verknüpft, wobei KSII mit der Mucinkernstruktur identisch ist und KSIII mit einer 2-O-Mannose verknüpft ist. Die Verlängerung des Keratansulfatpolymers erfolgt durch die Glykosyltransferase-Addition von Gal und GlcNAc. Die Galaktoseaddition erfolgt in erster Linie durch das Enzym β-1,4-Galaktosyltransferase (β4Gal-T1), während die für β-3-Nacetylglucosamin verantwortlichen Enzyme noch nicht eindeutig identifiziert wurden. Die Sulfatierung des Polymers erfolgt schließlich an der 6-Position der beiden Zuckerreste. Das Enzym KS-Gal6ST (CHST1) überträgt Sulfatgruppen auf Galaktose, während N-Acetylglucosaminyl-6-Sulfotransferase (GlcNAc6ST) (CHST2) Sulfatgruppen auf terminales GlcNAc in Keratansulfat überträgt.
HyaluronsäureEdit
Die vierte Klasse von GAG, die Hyaluronsäure, ist nicht sulfatiert und wird von drei transmembranen Synthaseproteinen HAS1, HAS2 und HAS3 synthetisiert. HA, ein lineares Polysaccharid, besteht aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten von →4)GlcAβ(1→3)GlcNAcβ(1→ und hat eine sehr hohe Molekülmasse, die zwischen 105 und 107 Da liegt. Jedes HAS-Enzym ist zur Transglykosylierung fähig, wenn es mit UDP-GlcA und UDP-GlcNAc versorgt wird. HAS2 ist für sehr große Hyaluronsäure-Polymere verantwortlich, während kleinere Größen von HA von HAS1 und HAS3 synthetisiert werden. Während jede HAS-Isoform dieselbe Biosynthesereaktion katalysiert, ist jede HAS-Isoform unabhängig aktiv. Es hat sich auch gezeigt, dass die HAS-Isoformen unterschiedliche Km-Werte für UDP-GlcA und UDPGlcNAc haben. Es wird vermutet, dass durch Unterschiede in der Enzymaktivität und -expression das breite Spektrum der von HA vermittelten biologischen Funktionen reguliert werden kann, wie z. B. seine Beteiligung an der Regulierung neuraler Stammzellen in der subgranulären Zone des Gehirns.