蛋白質的O位Ｎ-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）糖基化修飾是一種重要的蛋白質翻譯后修飾形式，主要存在于細胞內，與細胞信號通路密切相關，參與信號轉導、基因轉錄等多個重要的生物學過程。研究發現，糖尿病視網膜病變（DR）患者體內O-GlcNAc糖基化修飾上調；O-GlcNAc糖基化修飾異常與DR發生有直接關系。對O-GlcNAc糖基化修飾的深入研究，將有助于加深對DR發生發展機制的理解，為DR診斷治療提供新的思路和方法。
引用本文： 章圓, 劉堃, 陳鳳娥. O位N-乙酰葡萄糖胺糖基化修飾與糖尿病視網膜病變的相關性研究現狀. 中華眼底病雜志, 2017, 33(3): 318-321. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2017.03.027 復制
糖基化是一種重要的蛋白質翻譯后修飾形式，主要有N-糖基化、O-糖基化、C-糖基化等多種形式。O位N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）屬于O-糖基化，其糖基化修飾主要存在于細胞內，與細胞信號通路密切相關；而其他糖基化修飾主要存在于細胞外膜蛋白和分泌蛋白中[1]。由于O-GlcNAc糖基化修飾的特殊性及其在生物學功能上的重要性，從發現至今一直是重要的研究熱點。O-GlcNAc糖基化修飾信號轉導參與糖尿病性心肌病和腎病的發病已得到廣泛研究證實[2-4]。最新研究表明，O-GlcNAc糖基化修飾在糖尿病視網膜病變（DR）發病機制中也具有相似作用[5]。現就O-GlcNAc糖基化修飾的生物學特性以及O-GlcNAc糖基化修飾與DR的相關性研究現狀作一綜述，以期加深臨床對DR發生發展機制的理解，為DR診斷治療提供新的思路和方法。
1 蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾
通過己糖胺生物合成途徑，細胞攝取的2%～5%葡萄糖轉變為尿苷二磷酸N-乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc）。而UDP-GlcNAc作為一個高能化合物，其合成受葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸等不同水平的共同調控。O-GlcNAc以UDP-GlcNAc為直接糖基供體，在N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶的催化作用下，經由O-糖苷鍵連接到蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。與之相反，在N-乙酰氨基葡萄糖苷酶催化作用下，O-GlcNAc從絲氨酸或蘇氨酸殘基上水解。外界葡萄糖、脂肪酸水平的變化，可以通過影響UDP-GlcNAc的變化繼而影響細胞內蛋白的O-GlcNAc糖基化修飾。這或許就是O-GlcNAc糖基化修飾與DR相關的根本原因。
O-GlcNAc糖基化修飾與傳統糖基化修飾相比具有以下特點：（1）O-GlcNAc糖基化修飾是單糖修飾，一般不會形成復雜的復合糖結構；（2）O-GlcNAc糖基化修飾只特異性的存在于細胞核和細胞質蛋白中，而傳統糖基化修飾的蛋白質存在于細胞間隙和細胞膜表面[6]；（3）O-GlcNAc糖基化修飾是一種可逆的、動態的翻譯后修飾，通過瞬時的糖基化與去糖基化調節復雜的細胞活動，對于細胞內信號或細胞周期變化可快速反應，這與磷酸化作用極其相似，并且與磷酸化過程相互作用[7]。自從1984年Torres和Hart[8]在小鼠淋巴細胞中首次發現了O-GlcNAc糖基化修飾的核質蛋白至今，O-GlcNAc糖基化修飾一直是一個重要的研究熱點。
2 O-GlcNAc糖基化修飾與DR
血視網膜屏障破壞、視網膜微血管滲漏是DR的早期表現。這一變化涉及了轉錄因子特異性蛋白1（Sp1）、核因子（NF）-κB、血管內皮生長因子（VEGF）、腫瘤壞死因子（TNF）-α和轉化生長因子（TGF）-β的表達上調以及周細胞凋亡等多種生物學途徑。這些途徑多相互關聯并且涉及到O-GlcNAc糖基化修飾信號轉導的改變。
Sp1能夠感應各種細胞內外信號，調控基因表達，參與調節細胞周期、DNA修復和凋亡并受磷酸化和糖基化的雙重作用[9,10]。Sp1的O-GlcNAc糖基化修飾過程非常復雜，因修飾位點不同表現出抑制轉錄和激活轉錄兩種生物學活性。Zhang等[11]研究證實，Spl轉錄激活區的O-GlcNAc糖基化修飾抑制自身二聚體形成，與轉錄起始區TATA結合蛋白相關因子110的結合，進而抑制Spl介導的轉錄激活。但也有關于蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾促進轉錄的報道。Donovan等[12]發現，高糖可以誘導Sp1糖基化，O-GlcNAc糖基化修飾促進Spl定位于細胞核，激活基因的轉錄。在牛的主動脈內皮細胞中，高糖可以誘導線粒體超氧化物的過表達，抑制磷酸甘油醛脫氫酶活性，抑制糖酵解，使進入氨基己糖合成途徑的糖以及UDP-GlcNAc增多，致使O-GlcNAc糖基化修飾增加[13]。
NF-κB通常與其抑制蛋白IκB相結合，并以非活性狀態貯存于細胞質中。在某些有效刺激的作用下，NF-κB可被激活，從而進入細胞核發揮作用。NF-κB作為普遍存在的轉錄因子，可對相當多數量的基因發揮中心性轉錄調節作用，從而在免疫、炎癥、細胞生存、增生分化和凋亡等方面起到廣泛而重要的作用[14,15]。根據細胞所處的環境不同，NF-κB經O-GlcNAc糖基化修飾后也可以表現出抗炎和促炎兩種截然不同的作用。Zou等[16]研究證實，小鼠體內O-GlcNAc糖基化修飾的蛋白表達增加會減少IκB的磷酸化以及NF-κB的表達，O-GlcNAc糖基化修飾對急性的血管損傷起抗炎作用。然而，也有研究證實NF-κB亞基Rel蛋白的O-GlcNAc糖基化修飾可以促進Rel的轉錄活性，引起炎癥因子TH1的表達增多，胰島β細胞破壞，最后導致1型糖尿病的發生[17]。TNF-α在炎癥和凋亡等生理活動中起重要作用。在TNF-α信號通路中，TNF與TNF受體1和2結合，激活NF-κB，引起炎癥相關基因的表達增加。TNF-α介導的信號通路中NF-κB p65亞基的Ser536位點發生磷酸化。已有報道證實，Ser536位點也是O-GlcNAc糖基化修飾位點[18]。因此，NF-κB p65亞基上的Ser536可能是DR中一個磷酸化與O-GlcNAc糖基化修飾相互作用的位點。
VEGF會引起血管通透性改變，導致新生血管形成。周細胞、內皮細胞、Müller細胞、星形膠質細胞、視網膜色素上皮（RPE）細胞等很多視網膜內細胞都可以分泌VEGF。在DR早期，VEGF能夠引起血視網膜屏障的滲透性增加以及微血管擴張，且在出現明顯的血管病變之前，已在糖尿病患者以及動物眼中觀察到VEGF表達升高[19,20]。Donovan等[12]發現，在RPE細胞和大鼠視網膜微血管內皮細胞中，高糖環境下VEGF的表達升高可由轉錄因子Sp1的O-GlcNAc糖基化修飾表達上調引起；O-GlcNAc糖基化修飾促進Sp1進入細胞核，引起VEGF表達升高。Sundstrom等[21]發現，閉合蛋白上存在Ser490、VEGF激活蛋白激酶C等5個特殊的磷酸化位點，進而引起閉合蛋白的磷酸化。丙型肝炎病毒在體內復制時，VEGF途徑被激活，蛋白激酶C引起閉合蛋白Ser490位點磷酸化[22]。有報道證實，Ser490也是O-GlcNAc糖基化修飾位點[23]。但對于DR早期血管通透性改變，閉合蛋白磷酸化和O-GlcNAc糖基化修飾之間是否存在關系目前尚未見深入報道。
TGF-β參與增生性玻璃體視網膜疾病的發病。DR進展期患者玻璃體中TGF-β濃度升高[24]。微管蛋白是一類含有多個成員的蛋白質家族，很多重要的微管蛋白功能調節都需要O-GlcNAc糖基化修飾[25,26]。正常的RPE細胞不含Ⅲ型β-微管蛋白（βIII），但是在患有黃斑前膜的患者RPE細胞內發現了βIII[27]。在體外培養的RPE細胞中，TGF-β的激活會導致βIII的O-GlcNAc糖基化修飾增加[28]。
周細胞丟失在維持血視網膜屏障中起重要作用。周細胞丟失可導致內皮細胞增生和微動脈瘤形成，是DR早期特征之一。促血小板生長因子（PDGF）-B及其受體PDGF-β對于視網膜脈管系統中周細胞的募集有重要作用。高血糖通過激活蛋白激酶C增加蛋白酪氨酸磷酸酶表達，而該磷酸酶同源Src第二個結構域的磷酸酶能夠導致PDGF-β的去磷酸化，隨后引起周細胞凋亡。Matthews等[29]證實所有蛋白激酶C的同工酶均進行O-GlcNAc糖基化修飾。用不同葡萄糖濃度培養視網膜內皮細胞和周細胞，兩種細胞內蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾水平隨葡萄糖濃度的升高而增加，且在高糖環境下，周細胞的遷移受損[30]。
糖基化是一種重要的蛋白質翻譯后修飾形式，主要有N-糖基化、O-糖基化、C-糖基化等多種形式。O位N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）屬于O-糖基化，其糖基化修飾主要存在于細胞內，與細胞信號通路密切相關；而其他糖基化修飾主要存在于細胞外膜蛋白和分泌蛋白中[1]。由于O-GlcNAc糖基化修飾的特殊性及其在生物學功能上的重要性，從發現至今一直是重要的研究熱點。O-GlcNAc糖基化修飾信號轉導參與糖尿病性心肌病和腎病的發病已得到廣泛研究證實[2-4]。最新研究表明，O-GlcNAc糖基化修飾在糖尿病視網膜病變（DR）發病機制中也具有相似作用[5]。現就O-GlcNAc糖基化修飾的生物學特性以及O-GlcNAc糖基化修飾與DR的相關性研究現狀作一綜述，以期加深臨床對DR發生發展機制的理解，為DR診斷治療提供新的思路和方法。
1 蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾
通過己糖胺生物合成途徑，細胞攝取的2%～5%葡萄糖轉變為尿苷二磷酸N-乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc）。而UDP-GlcNAc作為一個高能化合物，其合成受葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸等不同水平的共同調控。O-GlcNAc以UDP-GlcNAc為直接糖基供體，在N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶的催化作用下，經由O-糖苷鍵連接到蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。與之相反，在N-乙酰氨基葡萄糖苷酶催化作用下，O-GlcNAc從絲氨酸或蘇氨酸殘基上水解。外界葡萄糖、脂肪酸水平的變化，可以通過影響UDP-GlcNAc的變化繼而影響細胞內蛋白的O-GlcNAc糖基化修飾。這或許就是O-GlcNAc糖基化修飾與DR相關的根本原因。
O-GlcNAc糖基化修飾與傳統糖基化修飾相比具有以下特點：（1）O-GlcNAc糖基化修飾是單糖修飾，一般不會形成復雜的復合糖結構；（2）O-GlcNAc糖基化修飾只特異性的存在于細胞核和細胞質蛋白中，而傳統糖基化修飾的蛋白質存在于細胞間隙和細胞膜表面[6]；（3）O-GlcNAc糖基化修飾是一種可逆的、動態的翻譯后修飾，通過瞬時的糖基化與去糖基化調節復雜的細胞活動，對于細胞內信號或細胞周期變化可快速反應，這與磷酸化作用極其相似，并且與磷酸化過程相互作用[7]。自從1984年Torres和Hart[8]在小鼠淋巴細胞中首次發現了O-GlcNAc糖基化修飾的核質蛋白至今，O-GlcNAc糖基化修飾一直是一個重要的研究熱點。
2 O-GlcNAc糖基化修飾與DR
血視網膜屏障破壞、視網膜微血管滲漏是DR的早期表現。這一變化涉及了轉錄因子特異性蛋白1（Sp1）、核因子（NF）-κB、血管內皮生長因子（VEGF）、腫瘤壞死因子（TNF）-α和轉化生長因子（TGF）-β的表達上調以及周細胞凋亡等多種生物學途徑。這些途徑多相互關聯并且涉及到O-GlcNAc糖基化修飾信號轉導的改變。
Sp1能夠感應各種細胞內外信號，調控基因表達，參與調節細胞周期、DNA修復和凋亡并受磷酸化和糖基化的雙重作用[9,10]。Sp1的O-GlcNAc糖基化修飾過程非常復雜，因修飾位點不同表現出抑制轉錄和激活轉錄兩種生物學活性。Zhang等[11]研究證實，Spl轉錄激活區的O-GlcNAc糖基化修飾抑制自身二聚體形成，與轉錄起始區TATA結合蛋白相關因子110的結合，進而抑制Spl介導的轉錄激活。但也有關于蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾促進轉錄的報道。Donovan等[12]發現，高糖可以誘導Sp1糖基化，O-GlcNAc糖基化修飾促進Spl定位于細胞核，激活基因的轉錄。在牛的主動脈內皮細胞中，高糖可以誘導線粒體超氧化物的過表達，抑制磷酸甘油醛脫氫酶活性，抑制糖酵解，使進入氨基己糖合成途徑的糖以及UDP-GlcNAc增多，致使O-GlcNAc糖基化修飾增加[13]。
NF-κB通常與其抑制蛋白IκB相結合，并以非活性狀態貯存于細胞質中。在某些有效刺激的作用下，NF-κB可被激活，從而進入細胞核發揮作用。NF-κB作為普遍存在的轉錄因子，可對相當多數量的基因發揮中心性轉錄調節作用，從而在免疫、炎癥、細胞生存、增生分化和凋亡等方面起到廣泛而重要的作用[14,15]。根據細胞所處的環境不同，NF-κB經O-GlcNAc糖基化修飾后也可以表現出抗炎和促炎兩種截然不同的作用。Zou等[16]研究證實，小鼠體內O-GlcNAc糖基化修飾的蛋白表達增加會減少IκB的磷酸化以及NF-κB的表達，O-GlcNAc糖基化修飾對急性的血管損傷起抗炎作用。然而，也有研究證實NF-κB亞基Rel蛋白的O-GlcNAc糖基化修飾可以促進Rel的轉錄活性，引起炎癥因子TH1的表達增多，胰島β細胞破壞，最后導致1型糖尿病的發生[17]。TNF-α在炎癥和凋亡等生理活動中起重要作用。在TNF-α信號通路中，TNF與TNF受體1和2結合，激活NF-κB，引起炎癥相關基因的表達增加。TNF-α介導的信號通路中NF-κB p65亞基的Ser536位點發生磷酸化。已有報道證實，Ser536位點也是O-GlcNAc糖基化修飾位點[18]。因此，NF-κB p65亞基上的Ser536可能是DR中一個磷酸化與O-GlcNAc糖基化修飾相互作用的位點。
VEGF會引起血管通透性改變，導致新生血管形成。周細胞、內皮細胞、Müller細胞、星形膠質細胞、視網膜色素上皮（RPE）細胞等很多視網膜內細胞都可以分泌VEGF。在DR早期，VEGF能夠引起血視網膜屏障的滲透性增加以及微血管擴張，且在出現明顯的血管病變之前，已在糖尿病患者以及動物眼中觀察到VEGF表達升高[19,20]。Donovan等[12]發現，在RPE細胞和大鼠視網膜微血管內皮細胞中，高糖環境下VEGF的表達升高可由轉錄因子Sp1的O-GlcNAc糖基化修飾表達上調引起；O-GlcNAc糖基化修飾促進Sp1進入細胞核，引起VEGF表達升高。Sundstrom等[21]發現，閉合蛋白上存在Ser490、VEGF激活蛋白激酶C等5個特殊的磷酸化位點，進而引起閉合蛋白的磷酸化。丙型肝炎病毒在體內復制時，VEGF途徑被激活，蛋白激酶C引起閉合蛋白Ser490位點磷酸化[22]。有報道證實，Ser490也是O-GlcNAc糖基化修飾位點[23]。但對于DR早期血管通透性改變，閉合蛋白磷酸化和O-GlcNAc糖基化修飾之間是否存在關系目前尚未見深入報道。
TGF-β參與增生性玻璃體視網膜疾病的發病。DR進展期患者玻璃體中TGF-β濃度升高[24]。微管蛋白是一類含有多個成員的蛋白質家族，很多重要的微管蛋白功能調節都需要O-GlcNAc糖基化修飾[25,26]。正常的RPE細胞不含Ⅲ型β-微管蛋白（βIII），但是在患有黃斑前膜的患者RPE細胞內發現了βIII[27]。在體外培養的RPE細胞中，TGF-β的激活會導致βIII的O-GlcNAc糖基化修飾增加[28]。
周細胞丟失在維持血視網膜屏障中起重要作用。周細胞丟失可導致內皮細胞增生和微動脈瘤形成，是DR早期特征之一。促血小板生長因子（PDGF）-B及其受體PDGF-β對于視網膜脈管系統中周細胞的募集有重要作用。高血糖通過激活蛋白激酶C增加蛋白酪氨酸磷酸酶表達，而該磷酸酶同源Src第二個結構域的磷酸酶能夠導致PDGF-β的去磷酸化，隨后引起周細胞凋亡。Matthews等[29]證實所有蛋白激酶C的同工酶均進行O-GlcNAc糖基化修飾。用不同葡萄糖濃度培養視網膜內皮細胞和周細胞，兩種細胞內蛋白質的O-GlcNAc糖基化修飾水平隨葡萄糖濃度的升高而增加，且在高糖環境下，周細胞的遷移受損[30]。