PNAS：大脑中的“糖”如何固化记忆？上海交通大学张延团队揭示糖基转移酶GalNAc-T13通过修饰癫痫蛋白6，维持神经突结构与记忆巩固

糖类是生命的基本大分子之一，广泛存在于蛋白质、脂质和RNA中。哺乳动物大脑中含有丰富且多样的糖类，这些糖类对于轴突导向、突触可塑性和神经传递等神经发育过程至关重要。重要的是，异常的糖基化已被证明与神经发育性疾病和神经退行性疾病相关。

根据糖类与肽链的连接方式，蛋白质糖基化主要分为N-糖基化和O-糖基化。O-糖基化包含多种类型，其中最主要的两类分别是膜蛋白和分泌蛋白上的O-GalNAc糖基化，以及胞质和核蛋白上的细胞内O-GlcNAc糖基化。目前，关于大脑糖基化的研究主要集中在N-糖基化和O-GlcNAc糖基化，而大脑中的O-GalNAc糖基化仍未得到充分探索。

O-GalNAc糖基化（也称为黏蛋白型O-糖基化）是分布最广泛的O-糖基化类型。该过程由多肽N-乙酰半乳糖胺转移酶（GalNAc-T，GALNT）家族启动，该家族催化GalNAc单糖与蛋白质丝氨酸（Ser）和苏氨酸（Thr）残基的羟基共价连接，形成Tn抗原，并可进一步延伸为更长的结构。

过去几年，随着各种分析工具和质谱技术的进步，大规模的糖组学研究已更清晰地描绘出大脑中糖类的组成。值得注意的是，新出现的证据表明O-GalNAc糖链主导了大脑的O-糖组，占检测到的O-糖链结构的70%至80%。

全基因组关联研究（GWAS）已提示O-GalNAc糖基转移酶与精神疾病存在关联。例如，GALNT9被报道与自闭症谱系障碍相关，而GALNT10突变与精神分裂症高度相关，这说明了O-GalNAc糖基化在神经发育过程中的重要性。然而，大多数关于大脑O-GalNAc糖基化的研究仍集中在糖基转移酶的表达谱分析上，而对下游靶蛋白及其O-糖链的功能认识不足。

最近一项研究绘制了O-GalNAc糖链在大脑不同区域的空间分布图，并揭示Cosmc缺陷导致的O-GalNAc糖链截短通过损害Siglec-4交互作用缩短了郎飞结的长度，标志着该领域向前迈出了关键一步。尽管如此，关于大脑O-GalNAc糖链功能的机制性认识仍处于起步阶段，很少有研究探讨GalNAc-T调控的O-糖基化对大脑中靶蛋白的功能影响。

模式机理图（图片源自PNAS ）

在人类中，GalNAc-T家族包含20种亚型，它们表现出不同的组织表达模式和底物蛋白偏好。在这些亚型中，GalNAc-T13引起了作者的关注，因为它是一种大脑高表达的糖基转移酶。越来越多的证据表明，GalNAc-T13的异常表达与精神疾病相关。

在三位表现出发育迟缓和行为障碍的患者中鉴定出一个新发的2q23.3-q24.1缺失。值得注意的是，GALNT13基因位于该染色体区域内。此外，来自DECIPHER和DISEASES数据库的数据进一步将包含GALNT13的基因组区域的拷贝数变异或突变与发育性和智力障碍，以及精神分裂症、自闭症谱系障碍和癫痫等精神疾病联系起来。

关于脑肿瘤，GALNT13表达水平已被确定为神经母细胞瘤骨髓受累分子诊断的一个信息性标志物，并且也与少突胶质细胞瘤相关。GalNAc-T13的表达在小鼠大脑发育和原代皮层神经前体细胞分化过程中显著上调。此外，利用P19胚胎癌干细胞神经分化模型，作者证明了GalNAc-T13通过糖基化和稳定平足蛋白（PDPN）在体外促进神经元分化。这些研究证明了GalNAc-T13在大脑神经发育中的关键潜在作用，并提供了体外的功能证据；然而，GalNAc-T13介导的O-GalNAc糖基化在大脑中的体内功能仍不清楚。

本研究建立了一个大脑特异性Galnt13条件性敲除（cKO）小鼠模型，以评估GalNAc-T13介导的O-GalNAc糖基化对神经元形态以及记忆和情绪等高级脑功能的影响。作者发现，GalNAc-T13的缺失抑制了神经突生长，降低了树突棘密度，并损害了记忆保持能力。

此外，通过利用基于凝集素的质谱（MS）方法，作者在体外和体内鉴定并验证了SEZ6是GalNAc-T13的一个底物蛋白。GalNAc-T13介导的SEZ6 O-GalNAc糖基化提高了其蛋白质稳定性及其与PRSS12在细胞表面的交互作用。综上所述，作者的研究揭示了GalNAc-T13介导的O-GalNAc糖基化在神经元功能和记忆中的重要作用，为研究以记忆巩固功能障碍为特征的神经系统疾病提供了一个潜在靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2508476123