Heparan-sulfat (HS) je linearni polisaharid koji se nalazi u svim životinjskim tkivima.[1] Javlja se kao proteoglikan (HSPG, tj. Heparan-sulfat proteoglikan) u kojem su dva ili tri HS lanca vezana u neposrednoj blizini površine ćelije ili vanćelijskog matriksa proteina.[2][3] U ovom obliku se HS vezuje za različite proteinske ligande, uključujući Wnt,[4][5] i reguliše širok spektar bioloških aktivnosti, uključujući razvojne procese, angiogenezu, koagulaciju krvi, ukidajući aktivnost odvajanja GrB (granzim B),[6] i tumorske metastaze. Također se pokazalo da HS služi kao ćelijski receptor za brojne viruse, uključujući respiratorni sincicijski virus.[7] Jedna studija sugerira da ćelijski heparan-sulfat ima ulogu u infekciji SARS-CoV-2, posebno kada se virus veže s ACE2.[8]
Heparan-sulfat je član glikozaminoglikanske porodice ugljikohidrata i veoma je blisko povezan po strukturi sa heparinom. Heparin, poznat kao antikoagulans, je visoko sulfatirani oblik HS koji se, za razliku od HS, uglavnom nalazi u sekretornim granulama mastocita.[13] Oba se sastoje od varijabilno sulfatirane ponavljajuće disaharidne jedinice. Glavne disaharidne jedinice koje se javljaju u heparan-sulfatu i heparinu prikazane su u nastavku.
Najčešća disaharidna jedinica u heparanasulfatu sastoji se od glukuronske kiseline (GlcA) povezane sa N-acetilglukozaminom (GlcNAc), obično čini oko 50% ukupne disaharidne jedinice. Uporedite ovo sa heparinom, gde IdoA(2S)-GlcNS(6S) čini 85% heparina iz goveđih pluća i oko 75% heparina iz svinjske crijevne sluzokože.
Problemi nastaju prilikom definiranja hibridnih GAG-ova koji sadrže i strukture slične 'heparinu' i 'HS-like'. Predloženo je da GAG treba da se kvalifikuje kao heparin samo ako njegov sadržaj N-sulfatnih grupa uveliko premašuje N-acetilne grupe, a koncentracija O-sulfatnih grupa premašuje onu N-sulfatnih.[14]
Dolje nisu prikazani rijetki disaharidi koji sadrže 3-O-sulfat glukozamin (GlcNS(3S,6S) ili slobodnu amino grupu (GlcNH3+). U fiziološkim uslovima esterske i amidne sulfatne grupe se deprotoniraju i privlače pozitivno nabijene kontraione da formiraju so. Smatra se da u tom obliku HS postoji na površini ćelije.
Mnogo različitih tipova ćelija proizvodi HS lance sa mnogo različitih primarnih struktura. Stoga postoji velika varijabilnost u načinu na koji se sintetiziraju HS lanci, stvarajući strukturnu raznolikost obuhvaćenu pojmom "heparanom" - koji definira cijeli niz primarnih struktura koje proizvodi određena ćelija, tkivo ili organizam.[15] Međutim, od suštinskog značaja za formiranje HS bez obzira na primarnu sekvencu je niz biosintetskih enzima. Ovi enzimi se sastoje od više glikoziltransferaza, sulfotransferaza i epimeraza. Ti isti enzimi takođe sintetišu heparin.
1980-ih, Jeffrey Esko je bio prvi koji je izolirao i karakterizirao mutante životinjskih ćelija izmijenjene u sklopu heparan-sulfata.[16] Mnogi od ovih enzima su sada pročišćeni, molekulski klonirani i obrasci njihove ekspresije su proučavani. Iz ovog i ranog rada na osnovnim fazama biosinteze HS/heparina koristeći sistem bez ćelija mastocitoma miša, mnogo se zna o redoslijedu enzimskih reakcija i specifičnosti.[17]
Sinteza HS započinje prijenosom ksiloze sa UDP-ksiloze pomoću ksiloziltransferaza (XT) na specifične serinske ostatke unutar proteinskog jezgra. Spajanje dva galaktozna (Gal) ostatka galaktoziltransferazama I i II (GalTI i GalTII) i glukuronske kiseline (GlcA) pomoću glukuronoziltransferaze I (GlcATI) dovršava formiranje tetrasaharidnog prajmeraO-vezanog za serin jezgarnih proteina:
βGlcUA-(1→3)-βGal-(1→3)-βGal-(1→4)-βXyl-O-Ser.
Putevi biosinteze HS/heparina ili hondroitin-sulfat (CS) i dermatan-sulfat (DS) se razlikuju nakon formiranja ove zajedničke strukture tetrasaharidne veze. Sljedeći enzim koji djeluje, GlcNAcT-I ili GalNAcT-I, usmjerava sintezu, bilo na HS/heparin ili CS/DS.
Nakon vezivanja prvog N-acetilglukozaminskog (GlcNAc) ostatka, produženje tetrasakridnog linkera nastavlja se postupnim dodavanjem GlcA i GlcNAc ostataka. Oni se prenose sa svojih odgovarajućih UDP-šećernih nukleotida. Ovo se provodi pomoću jednog ili više srodnih enzima čiji su geni članovi porodice egzostoznih gena (EXT) tumorskih supresora.
Mutacije na EXT1-3 genskim lokusima kod ljudi dovode do nesposobnosti ćelija da proizvode HS i do razvoja bolesti multiple nasljedne egzostoze (MHE). MHE karakteriziraju tumori prekriveni hrskavicom, poznati kao osteohondromi ili egzostoze, koji se prvenstveno razvijaju na dugim kostima oboljelih osoba od ranog djetinjstva do puberteta.[18]
[Kako se HS lanac polimerizira, on prolazi kroz niz reakcija modifikacije koje provode četiri klase sulfotransferaza i epimeraza. Dostupnost donora sulfata PAPS je ključna za aktivnost sulfotransferaza.[19][20]
Prva modifikacija polimera je N-deacetilacija/N-sulfatacija GlcNAc ostataka u GlcNS. Ovo je preduslov za sve naknadne modifikacione reakcije, a provodi ga jedan ili više članova porodice od četiri enzima GlcNAc N-deacetilaze/N-sulfotransferaze (NDST). U ranim studijama je pokazano da modificirajući enzimi mogu prepoznati i djelovati na bilo koji N-acetilirani ostatak u polimeru koji se formira.[21] Stoga bi se modifikacija GlcNAc ostataka trebala dogoditi nasumično u cijelom lancu. Međutim, u HS, N-sulfirani ostaci su uglavnom grupirani zajedno i razdvojeni regijama N-acetilacije gdje GlcNAc ostaje nemodificiran.
Postoje četiri izoforme NDST (NDST1–4). Aktivnosti N-deacetilaze i N-sulfotransferaze prisutne su u svim NDST-izoformama, ali se značajno razlikuju u svojim enzimskim aktivnostima.[22]
Zbog toga što se N-deacetilaza i N-sulfotransferaza provode istim enzimom, N-sulfatacija je normalno čvrsto povezana sa N-acetilacijom. Ostaci GlcNH2 koji su rezultat očiglednog razdvajanja dvije aktivnosti pronađeni su u heparinu i nekim vrstama HS.[23]
Epimerizaciju katalizira jedan enzim, GlcA C5 epimeraza ili heparosan-N-sulfat-glukuronat 5-epimeraza (EC5.1.3.17). Ovaj enzim epimerizuje GlcA u iduronsku kiselinu (IdoA). Prepoznavanje supstrata zahteva da ostatak GlcN vezan za neredukcionu stranu potencijalne GlcA mete bude N-sulfat. Uronozil-2-O-sulfotransferaza (2OST) sulfatira rezultirajuće ostatke IdoA.
Identificirane su tri glukozaminil 6-O-transferaze (6OSTs) koje rezultiraju stvaranjem GlcNS(6S), pored sulfatnog ili nesulfatnog IdoA. GlcNAc(6S) se također nalazi u zrelim HS lancima.
Do sada je poznato da sedam glukozaminil 3-O-sulfotransferaza (3OSTs, HS3STs) postoji kod sisara (osam kod zebrica).[24][25] Enzimi 3OST stvaraju brojne moguće 3-O-sulfatne disaharide, uključujući GlcA-GlcNS(3S±6S) (modificiran putem HS3ST1 i HS3ST5), IdoA(2S)-GlcNH2(3S±6S) (modificirano prema HS3ST3A1, HS3ST3B1, HS3ST5 i HS3ST6) i GlcA/IdoA(2S)-GlcNS( 3S) (izmijenjeno od strane HS3ST2 i HS3ST4).[26][27][28][29] Kao i kod svih drugih HS sulfotransferaza, 3OST koriste 3'-fosfoadenozin-5'-fosfosulfat (PAPS) kao donatora sulfata. Uprkos tome što su najveća porodica enzima za modifikaciju HS, 3OST proizvode najrjeđu HS modifikaciju, 3-O-sulfataciju specifičnih ostataka glukozamina u C3-OH ostatku.[30]
3OST su podijeljeni u dvije funkcionalne potkategorije, one koje stvaraju antitrombin IIImjesto vezanja (HS3ST1 i HS3ST5) i one koje stvaraju herpes simplex virus 1 glikoprotein D ( HSV-1 gD) mjesto vezanja (HS3ST2, HS3ST3A1, HS3ST3B1, HS3ST4, HS3ST5 i HS3ST6).[26][27][28][29][31][32][33][34][35][36][37] Kako su 3OST najveća porodica enzima za modifikaciju HS i njihovo djelovanje ograničava brzinu, specifično za supstrat i proizvodi rijetke modifikacije, pretpostavlja se da 3OST modificirani HS ima važnu regulatornu ulogu u biološkim procesima.[29][32] Pokazalo se da 3-O-sulfatacija može poboljšati vezivanje Wnt za glipikan i može igrati ulogu u regulaciji Wnt kod raka.[5][10]
Heparan-sulfat se veže sa velikim brojem vanćelijskih proteina. Oni se često zajednički nazivaju "heparin interaktom" ili "heparin-vezujući proteini", jer su izolovani afinitetnom hromatografijom na srodnom polisaharidnom heparinu, iako je termin "heparan sulfat interaktom" ispravniji. Funkcije proteina koji vežu heparan-sulfat kreću se od komponenti vanćelijskog matriksa, do enzima i faktora koagulacije, te većine faktora rasta, citokina, hemokina i morfogena.[38] Laboratorija dr. Mitchella Hoa na NCI-u izolovala je ljudsko monoklonsko antitijelo HS20 s visokim afinitetom za heparan-sulfat, putem displeja faga.[39]Antitijelo vezuje heparan-sulfat, a ne hondroitin sulfat.[5] Vezivanje HS20 za heparan-sulfat zahteva sulfatizaciju i na poziciji C2 i na poziciji C6. HS20 blokira vezivanje Wnt na heparan-sulfat[5] i također inhibira infektivni ulazak patogenog JC poliom virusa.[40]
Vezujući region za receptor na površini ćelije, Interferon-γ preklapa se sa HS vezujućim regionom, blizu C-terminala proteina. Vezivanje HS blokira mjesto vezanja receptora i kao rezultat toga, kompleksi protein-HS su neaktivni.[41]
Glipikan-3 (GPC3) stupa u interakciju sa Wnt i ukrućenom strukturom, kako bi formirao kompleks i pokreće nizvodnu signalizaciju.[4][10] Eksperimentalno je utvrđeno da Wnt prepoznaje motiv heparan-sulfata na GPC3, koji sadrži IdoA2S i GlcNS6S, i da 3-O-sulfatacija u GlcNS6S3S pojačava vezivanje Wnt za glipikan.[5]
Također se proučavaju svojstva vezivanja HS brojnih drugih proteina:
Smatra se da analozi heparan-sulfata pokazuju identična svojstva kao i heparan-sulfat, osim što su stabilni u proteolitskom okruženju kao što je rana.[42][43] Budući da se heparan-sulfat u hroničnim ranama razgrađuje heparanazom, analozi se vezuju samo za mjesta na kojima nema prirodnog heparan-sulfata i ne mogu ga razgraditi nijedne poznate heparanaze i glikanaze. Također, funkcija analoga heparan-sulfata je ista kao i heparan-sulfata, štiteći različite proteinske ligande, kao što su faktori rasta i citokini. Držeći ih na mjestu, za proliferaciju tkivo može koristiti različite proteinske ligande.
^Medeiros GF, Mendes A, Castro RA, Baú EC, Nader HB, Dietrich CP (juli 2000). "Distribution of sulfated glycosaminoglycans in the animal kingdom: widespread occurrence of heparin-like compounds in invertebrates". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1475 (3): 287–94. doi:10.1016/S0304-4165(00)00079-9. PMID10913828.
^Gallagher JT, Lyon M (2000). "Molecular structure of Heparan Sulfate and interactions with growth factors and morphogens". u Iozzo MV (ured.). Proteoglycans: structure, biology and molecular interactions. New York, New York: Marcel Dekker Inc. str. 27–59.
^Duncan MB, Chen J, Krise JP, Liu J (mart 2004). "The biosynthesis of anticoagulant heparan sulfate by the heparan sulfate 3-O-sulfotransferase isoform 5". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1671 (1–3): 34–43. doi:10.1016/j.bbagen.2003.12.010. PMID15026143.
^Chen J, Liu J (septembar 2005). "Characterization of the structure of antithrombin-binding heparan sulfate generated by heparan sulfate 3-O-sulfotransferase 5". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1725 (2): 190–200. doi:10.1016/j.bbagen.2005.06.012. PMID16099108.
^Tong M, Tuk B, Hekking IM, Vermeij M, Barritault D, van Neck JW (2009). "Stimulated neovascularization, inflammation resolution and collagen maturation in healing rat cutaneous wounds by a heparan sulfate glycosaminoglycan mimetic, OTR4120". Wound Repair and Regeneration. 17 (6): 840–52. doi:10.1111/j.1524-475X.2009.00548.x. PMID19903305. S2CID17262546.
^Tong M, Tuk B, Hekking IM, Pleumeekers MM, Boldewijn MB, Hovius SE, van Neck JW (2011). "Heparan sulfate glycosaminoglycan mimetic improves pressure ulcer healing in a rat model of cutaneous ischemia-reperfusion injury". Wound Repair and Regeneration. 19 (4): 505–14. doi:10.1111/j.1524-475X.2011.00704.x. PMID21649786. S2CID7380997.