智力发育障碍，X连锁106; O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖转移酶

O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）转移酶（OGT）催化在 O-糖苷键中将单个 N-乙酰氨基葡萄糖添加到丝氨酸或苏氨酸残基上。由于磷酸化和糖基化都竞争相似的丝氨酸或苏氨酸残基，这两个过程可能会竞争位点，或者它们可能会通过空间或静电效应改变附近位点的底物特异性（Lubas 等，1997）。O-GlcNAc 的去除由 O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖酶（OGA; 604039 ）催化（ Vaidyanathan 等人总结，2017 ）。OGT 还在宿主细胞因子 C1（HCFC1; 300019 ）的蛋白水解过程中发挥作用（ Willems 等人的总结，2017 年）。

▼ 克隆与表达

Haltiwanger 等人（1992）纯化大鼠肝脏 OGT 并确定其分子量为 340 kD。他们提出 OGT 作为异源三聚体复合物存在，具有 2 个 110 kD 的亚基和 1 个 78 kD 的亚基。然而，使用兔子 OGT，Lubas 等人（1997）分析了两种多肽的蛋白水解指纹，发现两者是相关的。他们认为 78-kD 条带是 110-kD 多肽的蛋白水解产物或替代翻译起始位点的产物。克雷佩尔等人（1997）克隆了编码 110-kD 亚基的大鼠 cDNA。表达大鼠 OGT 的人细胞的免疫荧光表明 OGT 存在于细胞核和胞质溶胶中。

通过用兔 OGT 的部分蛋白质序列搜索 EST 数据库，Lubas 等人（1997）鉴定了人类和秀丽隐杆线虫的 OGT cDNA。预测的 920 个氨基酸的人类蛋白质包含 9 个四肽重复序列和推定的二分核定位信号。表达 OGT 的 HeLa 细胞在长时间孵育期间不能很好地存活，这表明这种蛋白质可能对细胞有毒。Southern印迹分析表明人类中存在单个OGT基因。Northern印迹分析表明，OGT以多种转录物的形式表达，在各种人体组织中以不同的量存在，在胰腺中的表达水平最高。

吴等人（2017）指出，他们称之为 OGT1 的 OGT 具有 N 端 13.5 TPR 超螺旋结构和 C 端催化结构域。

▼ 基因功能

核和细胞质蛋白糖基化是真核细胞中广泛且可逆的翻译后修饰。OGT 催化通过将 N-乙酰氨基葡糖添加到丝氨酸和苏氨酸的细胞内糖基化。这种细胞内蛋白质的“O-GlcNAcylation”可发生在磷酸化位点，并与控制基因转录、神经丝组装以及糖尿病和神经系统疾病的出现有关。为了研究体内 OGT 功能，Shafi 等人（2000）在雄性胚胎干细胞中使用基因靶向方法。他们发现 OGT 诱变需要一种策略，即通过使用 Cre-loxP 重组来保留完整的 OGT 基因，因为 OGT 基因的缺失会导致胚胎干细胞活力的丧失。在大多数细胞类型中，小鼠中 OGT RNA 的表达相对较高，而在胰腺中的表达水平较低。小鼠生殖系中 OGT 等位基因的分离表明，完成胚胎发生需要完整的 OGT 等位基因。这些研究说明了条件基因靶向方法在必需 X 连锁基因的诱变和研究中的必要性，并表明 OGT 参与细胞内糖基化对于胚胎干细胞活力和小鼠个体发育至关重要。

转录因子和 RNA 聚合酶 II 可以通过 O-GlcNAc 单糖在丝氨酸或苏氨酸残基上进行修饰，但这种修饰的确切功能作用在很大程度上是未知的。杨等人（2002）表明，催化这种翻译后修饰的酶 OGT 通过与辅阻遏蛋白 Sin3A（ 607776 ）结合而与组蛋白脱乙酰酶复合物相互作用。在功能上，OGT 和 Sin3A 在组蛋白去乙酰化的同时协同抑制转录。作者提出，Sin3A 将 OGT 靶向启动子，通过 O-GlcNAc 修饰使转录因子和 RNA 聚合酶 II 失活，该修饰与组蛋白去乙酰化协同作用，以有效和特异性的方式促进基因沉默。

张等人（2003）证明哺乳动物 26S 蛋白酶体可被 Ogt 介导的修饰抑制，从而抑制转录因子 Sp1（ 189906 ）和疏水性测试肽的蛋白水解。蛋白酶体 19S 帽中的 Rpt2 ATP 酶在体外和体内被 O-GlcNAc 修饰，随着其修饰的增加，蛋白酶体功能下降。

杨等人（2008 年）表明，OGT 含有一种以前未被识别的磷酸肌醇结合结构域。用胰岛素诱导后，磷脂酰肌醇 3,4,5-三磷酸将 OGT 从细胞核募集到质膜，在那里酶催化 O-GlcNAc 对胰岛素信号通路的动态修饰。这导致关键信号分子磷酸化的改变和胰岛素信号转导的减弱。OGT 的肝脏过表达会损害胰岛素反应基因的表达并导致胰岛素抵抗和血脂异常。杨等人（2008）得出的结论是，他们的研究结果确定了营养线索通过 O-GlcNAc 调节胰岛素信号传导的分子机制，并强调了这种修饰对胰岛素抵抗和 2 型糖尿病病因的贡献（ 125853 ）。

循环葡萄糖浓度的增加激活己糖胺生物合成途径并通过 OGT 促进蛋白质的 O-糖基化。牙本质等（2008）表明 OGT 通过调节 cAMP 反应元件结合蛋白（CREB） 2（TORC2 或 CRTC2; 608972 ）的传感器的 O-糖基化触发肝糖异生。CRTC2 在通常通过磷酸化依赖性机制将 CRTC2 隔离在细胞质中的位点被 O-糖基化。通过表达去糖基化酶 O-GlcNAcase（ 604039 ）来减少 O-糖基化 CRTC2 的量，从而阻断了葡萄糖对糖异生的影响，证明了己糖胺生物合成途径在葡萄糖耐受不良发展中的重要性。

藤木等人（2011）报道，组蛋白 H2B（见609904）在体外和活细胞中通过 OGT 在残基 S112 处被 O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAcylated）酰化。组蛋白 GlcNAcylation 通过己糖胺生物合成途径响应细胞外葡萄糖而波动。H2B S112 GlcNAcylation 促进 K120 单泛素化，其中 GlcNAc 部分可以作为组蛋白 H2B 泛素连接酶的锚。H2B S112 GlcNAc 定位于苍蝇多线染色体上的常染色质区域。在全基因组分析中，观察到 H2B S112 GlcNAcylation 位点广泛分布在包括转录基因位点在内的染色体上，其中一些位点与 H2B K120 单泛素化共定位。藤木等人（2011）得出结论，H2B S112 GlcNAcylation 是一种组蛋白修饰，可促进 H2BK120 单泛素化，可能用于转录激活。

Chen 等人使用蛋白质亲和纯化（2013）寻找 TET 蛋白的功能伙伴，发现 TET2（ 612839 ）和 TET3（ 613555 ）与 OGT 相关，OGT 是一种自身催化 O-GlcNAc 添加到丝氨酸和苏氨酸残基上的酶（O-GlcNAcylation）体内。TET2 直接与 OGT 相互作用，这对于体内 OGT 的染色质结合很重要。尽管这种特定的相互作用不调节 TET2 的酶活性，但它促进了 OGT 依赖性组蛋白 O-GlcNAcylation。此外，OGT 在转录起始位点与 TET2 相关联。TET2 的下调减少了体内组蛋白 2B S112 GlcNAc 标记的数量，这与基因转录调控有关。陈等人（2013）得出结论，综合起来，他们的结果揭示了染色质的 TET2 依赖性 O-GlcNAcylation。TET2 和 OGT 对 DNA 和组蛋白的双重表观遗传修饰协调基因转录的调节。

吴等人（2017）指出 OGT1 和 NSL3（ 617742 ）是非特异性致死（NSL）组蛋白乙酰转移酶复合物的亚基，可将组蛋白 H4（见602822）残基 lys5（K5）、K8 和 K16 乙酰化。OGT1 或 NSL3 的敲低以剂量依赖性方式降低了整体 H4K16 乙酰化。免疫沉淀分析显示内源性 OGT1 和 NSL3 在 HEK293 和 HeLa 细胞中相互作用，突变分析显示 OGT1 的 N 端 TPR 重复结构域与 NSL3 的脱氢酶结构域相互作用。在体外，OGT1 在供体 UDP-O-GlcNAc 存在下催化 NSL3 的 O-GlcNAc 修饰。O-GlcNAc 修饰稳定了 NSL3，并且 NSL HAT 复合物的 H4K16 乙酰化需要稳定的 NSL3。

▼ 生化特征

晶体结构

拉撒路等人（2011）报道了人类 OGT 的 2 种晶体结构，作为具有 UDP 的二元复合物（2.8 埃分辨率）和作为具有 UDP 和肽底物的三元复合物（1.95 埃分辨率）。这些结构为酶机制提供了线索，显示了 OGT 如何识别靶肽序列，并揭示了催化区域两半之间独特结构域的折叠。

宿主细胞因子 1 的裂解

宿主细胞因子-1（HCFC1; 300019 ）是人类细胞周期进程的转录辅助调节因子，它经历蛋白水解成熟，其中 6 个重复序列中的任何一个被营养反应性糖基转移酶 OGT 切割。拉撒路等人（2013）报道 OGT 的四三肽重复结构域与 HCFC1 蛋白水解重复序列的羧基末端部分结合，因此切割区域位于尿苷二磷酸-GlcNAc 上方的糖基转移酶活性位点。该构象类似于具有糖基化能力的肽底物。裂解发生在半胱氨酸和谷氨酸残基之间并产生焦谷氨酸产物。将切割位点谷氨酸转化为丝氨酸将 HCFC1 蛋白水解重复序列转化为糖基化底物。拉撒路等人（2013）得出结论，蛋白质糖基化和 HCFC1 裂解发生在同一活性位点。

▼ 测绘

沙菲等人（2000）确定 OGT 基因的单拷贝存在于男性基因组中。通过 FISH，他们将人类 OGT 基因对应到与神经系统疾病相关的 Xq13 区域。通过辐射杂交分析，他们将小鼠同源物对应到 D 区着丝粒附近的 X 染色体上。

▼ 分子遗传学

Vaidyanathan 等人在 3 名来自 X 连锁智力发育障碍 106（XLID106; 300997 ）家庭的受影响男性中（2017）在 OGT 基因（L254F; 300255.0001 ）中发现了一个半合子错义突变。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。患者细胞显示 OGT 蛋白水平降低，表明突变蛋白不稳定，但细胞转染研究表明突变酶保留了 OGT 催化活性。由于代偿机制，即 OGA 的减少，患者细胞具有正常的稳态全局 O-GlcNAc 水平（ 604039）蛋白质和 mRNA 水平。OGA 启动子活性降低与含有 OGT 的转录抑制复合物的富集有关，该复合物含有定位于 OGA 近端启动子区域的 mSIN3A（ 607776 ）和 HDAC1（ 601241 ）。突变细胞的转录组分析显示几个基因的差异表达。

在 2 个 XLID106 无关男孩中，Willems 等人（2017）鉴定了 OGT 基因中的半合子突变（300255.0002和300255.0003）。通过外显子组测序发现突变并通过Sanger测序确认；其中一个突变是从头发生的，而另一个是从未受影响的母亲那里遗传的。患者细胞的 OGT 蛋白水平和 OGA 蛋白水平略有降低，但整体 O-GlcNAc 水平与对照组相似。一种突变（R284P；300255.0002 ）的重组研究）表明突变型 OGT 易于展开，并且对复杂的糖基化底物阵列的糖基化活性降低。HCFC1 的蛋白水解加工也减少了。研究结果表明，O-GlcNAc 稳态和 HCFC1 蛋白水解的缺陷可能在 OGT 突变患者的智力障碍中发挥作用。

▼ 动物模型

拉格洛夫等人（2016）指出，小鼠的组成型 Ogt 缺失是胚胎致死的。他们使用 α-CamkII（CAMK2A; 114078 ）启动子从成年小鼠大脑中的 α-CamkII 阳性神经元中删除 Ogt 基因。Ogt -/- 小鼠因暴饮暴食而出现肥胖。他们还表现出多动，伴随着呼吸交换率的增加。Ogt -/- 室旁核（PVN）的原位杂交显示，食欲亢进之前是促甲状腺激素释放激素（TRH; 613879 ）减少），其他神经肽没有变化。与野生型相比，Ogt 的敲除使 PVN 神经元中的平均微型兴奋性突触后电流（mEPSC）频率降低了 72%。Ogt 的敲除更适度地降低了 mEPSC 振幅，并且对其他 mEPSC 参数没有影响。拉格洛夫等人（2016）得出结论，OGT 活动至少部分地通过调节来自 α-CamkII 阳性 PVN 神经元的兴奋性突触输入将能量摄入与能量需求相结合。

▼ 等位基因变体（ 3 精选示例）：

.0001 智力发育障碍，X染色体连锁 106
OGT，LEU254PHE
在患有 X 连锁智力发育障碍 106（XLID106; 300997 ）的家庭的受影响成员中，Niranjan 等人（2015）在 OGT 基因中发现了一个半合子突变，导致了 leu244 到 phe 的替换。通过 X 染色体外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。该变体通过 dbSNP、1000 Genomes Project 和 Exome Variant Server 数据库进行过滤，并与一小群无关的受影响男性进行比较以进一步丰富。虽然Niranjan 等人（2015） Willems 等人将突变报告为 L244F（2017）指出该突变是 762G-T 颠换（762G-T，NM_181672.2），导致 leu254-to-phe（L254F）取代，与Vaidyanathan 等人报道的突变相同（2017 年）。

Vaidyanathan 等人在 3 名来自 XLID106 家庭（K9427）的受影响男性中（2017）在 OGT 基因中发现了一个半合子 c.759G-T 颠换，导致 TPR 调节域中的 leu254-to-phe（L254F）取代。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。它针对 dbSNP、1000 Genomes Project 和 Exome Variant Server 数据库进行了过滤。患者细胞显示突变 OGT 蛋白水平降低，表明突变蛋白不稳定，但细胞转染研究表明突变酶保留了 OGT 催化活性。由于代偿机制，即 OGA 的减少，患者细胞具有正常的稳态全局 O-GlcNAc 水平（ 604039）蛋白质和 mRNA 水平。OGA 启动子活性降低是由于在 OGA 的近端启动子区域富集了含有 mSIN3A（ 607776 ）和 HDAC1（ 601241 ）的含有 OGT 的转录抑制复合物。突变细胞的转录组分析显示几个基因的差异表达。

.0002 智力发育障碍，X染色体连锁 106
OGT, ARG284PRO
在一名患有 X 连锁智力发育障碍 106（XLID106; 300997 ）的男性患者中，Willems 等人（2017）在 OGT 基因的外显子 7 中发现了一个从头半合子 c.851G-C 颠换（c.851G-C，NM_181672.2），导致在 TTR 结构域中的一个保守残基处发生 arg284 到 pro（R284P）取代. 该突变是通过全外显子组测序发现的；在 ExAC 数据库中找不到它。患者细胞的 OGT 蛋白水平和 OGA 水平略有降低，但整体 O-GlcNAc 水平似乎不受影响。重组突变体 OGT 易于展开，并显示针对复杂的糖基化底物阵列的糖基化活性降低。转录因子HCFC1的蛋白水解加工也减少了。研究结果表明，O-GlcNAc 稳态和 HCFC1 蛋白水解的缺陷可能在 OGT 突变患者的智力障碍中发挥作用。

.0003 智力发育障碍，X染色体连锁 106
OGT，c.463-6T-G
在一名患有 X 连锁智力发育障碍 106（XLID106; 300997 ）的男性患者中，Willems 等人（2017 年）在 OGT 基因（c.463-6T-G，NM_181672.2）中发现了半合子 T 到 G 颠换，导致剪接缺陷、外显子 4 的跳跃和过早终止。患者细胞显示出改变的剪接异构体，但无法检测到截短的蛋白质。通过外显子组测序发现的突变遗传自未受影响的母亲；在 ExAC 数据库中找不到它。与野生型相比，重组蛋白显示出降低的稳定性。患者细胞的 OGT 蛋白水平和 OGA 蛋白水平略有降低，但整体 O-GlcNAc 水平似乎不受影响。没有对该变体进行进一步的研究。