เฮปารานซัลเฟต ( HS ) เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ เชิงเส้น ที่พบในเนื้อเยื่อสัตว์ทุกชนิด^{[ 1 ]}มันเกิดขึ้นในโปรตีโอไกลแคน (HSPG หรือ เฮปารานซัลเฟตโปรตีโอไกลแคน) ซึ่ง ^มีสาย HS สองหรือสามสายติดอยู่ใกล้กับพื้นผิวเซลล์หรือโปรตีนเมทริกซ์นอกเซลล์^{[ 2 ] [ 3 ]} ในรูปแบบนี้ HS จะจับกับ ลิแกนด์โปรตีนหลายชนิดรวมถึงWnt [ ^{4 ] [ 5 ]}และควบคุมกิจกรรมทางชีวภาพที่หลากหลาย รวมถึงกระบวนการพัฒนาการสร้างหลอดเลือดการแข็งตัวของเลือดการกำจัดกิจกรรมการแยกตัวโดย GrB ( แกรนไซม์ B ) ^{[ 6 ]}และการแพร่กระจาย ของเนื้องอก นอกจากนี้ยังพบว่า HS ทำหน้าที่เป็นตัวรับเซลล์สำหรับไวรัสหลายชนิด รวมถึงไวรัสทางเดินหายใจซิงไซเชียล^{[ 7 ]}การศึกษาหนึ่งชี้ให้เห็นว่าเฮปารานซัลเฟตในเซลล์มีบทบาทในการติดเชื้อ SARS-CoV-2 โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไวรัสเกาะติดกับ ACE2 ^{[ 8 ]}หน่วยซ้ำพื้นฐานที่สังเคราะห์โดยเฮเทอโรคอมเพล็กซ์ EXT1/EXT2 คือ (GlcAβ1,4GlcNAcα1,4)n ^{[ 9 ]}

HSPG หลัก ของ เยื่อหุ้มเซลล์ได้แก่ซินเดแคน แบบทรานส์เมมเบรน และไกลพิแคน ที่ยึดด้วยไกลโค ซิลฟอสฟาติดิลอิโน ซิทอล (GPI) [ ^{10 ] [ 11 ] HSPG}รูปแบบอื่นๆ ที่มีปริมาณน้อยกว่า ได้แก่เบตาไกลแคน^{[ 12 ]}และไอโซฟอร์ม V-3 ของCD44ที่พบในเคราติโนไซต์และโมโนไซต์ ที่ถูกกระตุ้น ^{[ 13 ]}

ในเมทริกซ์นอกเซลล์ โดยเฉพาะเยื่อฐานและแฟรกโทน [ ^{14 ] เพอ}ร์เลแคนหลายโดเมน[ ^{15 ]}อะกริน^{[ 16 ]}และคอลลาเจน XVIII ^{[ 17 ]}โปรตีนแกนกลางเป็นชนิดที่มี HS หลัก

เฮปารานซัลเฟตเป็นสมาชิกของ กลุ่ม คาร์โบไฮเดรตไกลโคซามิโนไกลแคน (GAG) และมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกับเฮปาริน มาก ทั้งสองประกอบด้วย หน่วย ไดแซ็กคาไรด์ ที่ซ้ำกันซึ่งมีซัลเฟตในปริมาณที่แตกต่างกัน หน่วยไดแซ็กคาไรด์หลักที่พบในเฮปารานซัลเฟตและเฮปารินแสดงไว้ด้านล่าง

หน่วยไดแซ็กคาไรด์ที่พบมากที่สุดในเฮปารานซัลเฟตประกอบด้วยกรดกลูคูโรนิก (GlcA) ที่เชื่อมต่อกับN-อะเซทิลกลูโคซามีน (GlcNAc) ซึ่งโดยทั่วไปคิดเป็นประมาณ 50% ของหน่วยไดแซ็กคาไรด์ทั้งหมด เปรียบเทียบกับเฮปาริน ซึ่ง IdoA(2S)-GlcNS(6S) คิดเป็น 85% ของเฮปารินจากปอดวัว และประมาณ 75% ของเฮปารินจากเยื่อบุลำไส้หมู ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อกำหนด GAG แบบไฮบริดที่มีทั้งโครงสร้าง 'คล้ายเฮปาริน' และ 'คล้าย HS' มีการเสนอแนะว่า GAG ควรจัดเป็นเฮปารินก็ต่อเมื่อปริมาณกลุ่ม N-ซัลเฟตมีมากกว่ากลุ่ม N-อะเซทิลอย่างมาก และความเข้มข้นของกลุ่ม O-ซัลเฟตมีมากกว่ากลุ่ม N-ซัลเฟต มิฉะนั้นควรจัดเป็น HS ^{[ 18 ]}

ไดแซ็กคาไรด์ที่หายากซึ่งมีกลูโคซามีนซัลเฟต 3-O (GlcNS(3S,6S)) หรือ กลุ่ม อะมีนอิสระ (GlcNH ₃ ⁺ ) ที่ไม่ได้แสดงไว้ด้านล่าง ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา กลุ่ม เอสเทอร์และอะไมด์ซัลเฟตจะถูกดีโปรโตเนตและดึงดูดไอออนประจุบวกเพื่อสร้างเกลือ^{[ 19 ]}เชื่อกันว่า HS มีอยู่ในรูปแบบนี้ที่พื้นผิวเซลล์

• 
  จีแอลซีเอ-จีแอลซีเอ็นเอซี
• 
  จีแอลซีเอ-จีแอลซีเอ็นเอส
• 
  ไอโดเอ-จีแอลซีเอ็นเอส
• 
  ไอโดเอ(2เอส)-กลูโคเอ็นเอส
• 
  ไอโดเอ-กลูโคเอ็นเอส(6เอส)
• 
  IdoA(2S)-GlcNS(6S)

• GAG = ไกลโคซามิโนไกลแคน
• GlcA = β- D - กรดกลูโคโรนิก
• IdoA = กรด α- L - iduronic
• IdoA(2S) = 2- O -ซัลโฟ-α- L -กรดไอดูโรนิก
• GlcNAc = 2-ดีออกซี-2-อะเซตามิโด-α- D-กลูโคไพราโนซิล
• GlcNS = 2-ดีออกซี-2-ซัลฟามิโด-α- D-กลูโคไพราโนซิล
• GlcNS(6S) = 2-ดีออกซี-2-ซัลฟามิโด-α- D -กลูโคไพราโนซิล-6- O -ซัลเฟต

เซลล์หลายประเภทสร้างสายโซ่ HS ที่มีโครงสร้างหลักที่แตกต่างกันมากมาย ดังนั้นจึงมีความแปรผันมากมายในวิธีการสังเคราะห์สายโซ่ HS ทำให้เกิดความหลากหลายทางโครงสร้างซึ่งครอบคลุมโดยคำว่า "เฮปาราโนม" ซึ่งกำหนดช่วงของโครงสร้างหลักทั้งหมดที่ผลิตโดยเซลล์ เนื้อเยื่อ หรือสิ่งมีชีวิตเฉพาะ^{[ 20 ]} อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญต่อการสร้าง HS โดยไม่คำนึงถึงลำดับหลักคือเอนไซม์ชีวสังเคราะห์หลายชนิด เอนไซม์เหล่านี้ประกอบด้วยไกล โคซิลทรานสเฟอเรส ซัล โฟทรานสเฟอเรสและอีพิเมอเรสหลายชนิด เอนไซม์เหล่านี้ยังสังเคราะห์เฮปารินด้วย

ในช่วงทศวรรษ 1980 เจฟฟรีย์ เอสโกเป็นคนแรกที่แยกและระบุลักษณะของเซลล์สัตว์กลายพันธุ์ที่เปลี่ยนแปลงไปในการประกอบเฮปารานซัลเฟต^{[ 21 ]} ปัจจุบัน เอนไซม์เหล่านี้จำนวนมากได้รับการทำให้บริสุทธิ์ โคลนโมเลกุล และศึกษาแบบแผนการแสดงออก จากสิ่งนี้และงานในช่วงแรกเกี่ยวกับขั้นตอนพื้นฐานของการสังเคราะห์ HS/เฮปารินโดยใช้ระบบเซลล์มาสโตไซโตมาของหนูแบบไม่มีเซลล์ ทำให้ทราบข้อมูลมากมายเกี่ยวกับลำดับของปฏิกิริยาของเอนไซม์และความจำเพาะ^{[ 22 ]}

ผู้ป่วยที่เป็นโรคกระดูกงอกหลายตำแหน่งทางพันธุกรรม (Multiple Hereditary Exostoses)ขาดความสามารถในการสังเคราะห์ HS ทางชีวภาพ

การสังเคราะห์ HS เริ่มต้นด้วยการถ่ายโอนไซโลสจากUDP-ไซโลสโดยไซโลซิลทรานสเฟอเรส (XT) ไปยัง หมู่ เซ รินเฉพาะ ภายในแกนโปรตีน การยึดติดของหมู่กาแลคโตส (Gal) สองหมู่โดยกาแลคโตซิลทรานสเฟอเรส I และ II (GalTI และ GalTII) และกรดกลูคูโรนิก (GlcA) โดยกลูคูโรโนซิลทรานสเฟอเรส I (GlcATI) จะทำให้การสร้างไพรเมอร์เตตระแซคคาไรด์ O -linked กับเซรินของแกนโปรตีนเสร็จสมบูรณ์: ^{[ 23 ]}

βGlcUA-(1→3)-βGal-(1→3)-βGal-(1→4)-βXyl- O -เซอร์

เส้นทางการสังเคราะห์ HS/เฮพาริน หรือคอนดรอยตินซัลเฟต (CS) และเดอร์มาแทนซัลเฟต (DS) จะแยกออกจากกันหลังจากโครงสร้างการเชื่อมโยงเตตระแซคคาไรด์ทั่วไปนี้ก่อตัวขึ้น เอนไซม์ตัวถัดไปที่จะทำหน้าที่คือ GlcNAcT-I หรือ GalNAcT-I ซึ่งจะควบคุมการสังเคราะห์ไปเป็น HS/เฮพาริน หรือ CS/DS ตามลำดับ^{[ 24 ]}

เชื่อกันว่าการเชื่อมต่อ ไซโลสกับโปรตีนหลักเกิดขึ้นในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER) โดยมีการประกอบส่วนเชื่อมต่อและส่วนที่เหลือของโซ่เพิ่มเติมในเครื่องมือกอลจิ^{[ 23 ] [ 24 ]}

หลังจากการเชื่อมต่อของ สารตกค้าง N -acetylglucosamine (GlcNAc) ตัวแรกแล้ว การยืดความยาวของตัวเชื่อมเทตราแซคไครด์จะดำเนินต่อไปโดยการเพิ่มสารตกค้าง GlcA และ GlcNAc ทีละขั้นตอน สารตกค้างเหล่านี้ถูกถ่ายโอนมาจากนิวคลีโอไทด์ UDP-sugar ที่เกี่ยวข้อง กระบวนการนี้ดำเนินการโดย โปรตีนตระกูล EXTที่มีกิจกรรมไกลโคซิลทรานสเฟอเรส ยีนตระกูล EXT เป็นยีนยับยั้งเนื้องอก^{[ 23 ] [ 25 ]}

การกลายพันธุ์ที่ตำแหน่งยีน EXT1-3 ในมนุษย์ทำให้เซลล์ไม่สามารถผลิต HS ได้ และทำให้เกิดโรคMultiple Hereditary Exostoses (MHE) MHE มีลักษณะเฉพาะคือเนื้องอกที่มีกระดูกอ่อนหุ้ม ซึ่งรู้จักกันในชื่อ osteochondromas หรือ exostoses ซึ่งพัฒนาขึ้นบนกระดูกยาวของผู้ป่วยเป็นหลักตั้งแต่วัยเด็กตอนต้นจนถึงวัยแร้ง^{[ 26 ]}

เมื่อพอลิเมอไรเซชันของโซ่ HS เกิดขึ้น มันจะผ่านปฏิกิริยาการดัดแปลงหลายชุดซึ่งดำเนินการโดยซัลโฟทรานสเฟอเรสสี่ประเภทและอีพิเมอเรส ความพร้อมใช้งานของตัวให้ซัลเฟตPAPSมีความสำคัญต่อกิจกรรมของซัลโฟทรานสเฟอเรส^{[ 27 ] [ 28 ]}

การดัดแปลงพอลิเมอร์ครั้งแรกคือการดีอะซิทิเลชัน/ซัลเฟชันของหมู่ GlcNAc ให้เป็น GlcNS ซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับปฏิกิริยาการดัดแปลงทั้งหมดที่ตามมา และดำเนินการโดยสมาชิกหนึ่งตัวหรือมากกว่าในกลุ่มเอนไซม์ GlcNAc N-deacetylase/N-sulfotransferase (NDSTs) สี่ชนิด ในการศึกษาเบื้องต้น พบว่าเอนไซม์ที่ดัดแปลงสามารถจดจำและออกฤทธิ์ต่อหมู่ N-acetylated ใดๆ ในพอลิเมอร์ที่กำลังก่อตัวได้^{[ 29 ]}ดังนั้น การดัดแปลงหมู่ GlcNAc ควรเกิดขึ้นแบบสุ่มตลอดทั้งสายโซ่ อย่างไรก็ตาม ใน HS หมู่ N-sulfated ส่วนใหญ่จะรวมกลุ่มกันและแยกออกจากกันด้วยบริเวณ N-acetylation ที่ GlcNAc ยังคงไม่ได้รับการดัดแปลง

NDST มีสี่ไอโซฟอร์ม (NDST1–4) ทั้งกิจกรรม N-deacetylase และ N-sulfotransferase มีอยู่ในไอโซฟอร์ม NDST ทั้งหมด แต่กิจกรรมทางเอนไซม์ของพวกมันแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 30 ]}

เนื่องจาก N-deacetylase และ N-sulfotransferase ดำเนินการโดยเอนไซม์เดียวกัน N-sulfation จึงมักเชื่อมโยงกับ N-acetylation อย่างแน่นหนา พบว่าสารตกค้าง GlcNH ₂ที่เกิดจากการแยกตัวของกิจกรรมทั้งสองอย่างชัดเจนนั้นพบได้ในเฮพารินและ HS บางชนิด^{[ 31 ]}

กระบวนการเกิด ไอโซเมอร์แบบเอพิเม อเรสถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์หนึ่งตัว คือ GlcA C5 เอพิเมอเรส หรือ เฮพาโรซาน-เอ็น-ซัลเฟต-กลูคูโรเนต 5-เอพิเมอเรส ( EC 5.1.3.17 ) เอนไซม์นี้จะเปลี่ยน GlcA ให้เป็น กรดไอดูโรนิก (IdoA) การจดจำสารตั้งต้นต้องอาศัยหมู่ N-ซัลเฟตที่หมู่ GlcN ที่เชื่อมต่อกับด้านที่ไม่ลดรูปของเป้าหมาย GlcA ที่เป็นไปได้ จากนั้น เอนไซม์ยูโรโนซิล-2-โอ-ซัลโฟทรานสเฟอเรส (2OST) จะเติมหมู่ซัลเฟตให้กับหมู่ IdoA ที่เกิดขึ้น

มีการระบุกลูโคซามินิล 6-O-ทรานสเฟอเรส (6OST) สามชนิดที่ส่งผลให้เกิดการสร้าง GlcNS(6S) ที่อยู่ติดกับ IdoA ที่มีซัลเฟตหรือไม่มีซัลเฟต นอกจากนี้ยังพบ GlcNAc(6S) ในสายโซ่ HS ที่เจริญเต็มที่แล้วด้วย

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่ามีกลูโคซามินิล 3- O-ซัลโฟทรานสเฟอเร ส ( 3OSTs , HS3STs) อยู่ 7 ชนิดในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (8 ชนิดในปลาซีบราฟิช) ^{[ 32 ] [ 33 ]} เอนไซม์ 3OST สร้างไดแซ็กคาไรด์ที่มีซัลเฟต 3- O ได้หลายชนิดรวมถึง GlcA-GlcNS(3S±6S) (ดัดแปลงโดยHS3ST1และHS3ST5 ), IdoA(2S)-GlcNH ₂ (3S±6S) (ดัดแปลงโดย HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST5และHS3ST6 ) และ GlcA/IdoA(2S)-GlcNS(3S) (ดัดแปลงโดยHS3ST2และHS3ST4 ) ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}เช่นเดียวกับซัลโฟทรานสเฟอเรส HS อื่นๆ 3OST ใช้3'-ฟอสโฟอะดีโนซีน-5'-ฟอสโฟซัลเฟต (PAPS) เป็นตัวให้ซัลเฟต แม้จะเป็นกลุ่มเอนไซม์ดัดแปลง HS ที่ใหญ่ที่สุด แต่ 3OST ก็สร้างการดัดแปลง HS ที่หายากที่สุด นั่นคือ 3- O-ซัลเฟตของหมู่กลูโคซามีนเฉพาะที่หมู่ C3-OH ^{[ 38 ]}

3OST แบ่งออกเป็นสองกลุ่มย่อยตามหน้าที่ ได้แก่ กลุ่มที่สร้างไซต์การจับแอนติทรอมบิน III ( HS3ST1และHS3ST5 ) และกลุ่มที่สร้าง ไซต์การจับ ไกลโคโปรตีน D ของไวรัสเริมชนิดที่ 1 (HSV-1 gD) ( HS3ST2 , HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST4 , HS3ST5และHS3ST6 ) ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] เนื่องจาก 3OST เป็นกลุ่มเอนไซม์ดัดแปลง HS ที่ใหญ่ที่สุด และการ ทำงานของ เอนไซม์เหล่านี้เป็นตัวจำกัดอัตรา มีความจำเพาะต่อสารตั้งต้น และสร้างการ ดัดแปลง}ที่หายาก จึงมีการตั้งสมมติฐานว่า HS ที่ถูกดัดแปลงโดย 3OST มีบทบาทสำคัญในการควบคุมกระบวนการทางชีวภาพ^{[ 37 ] [ 40 ]} ได้มีการพิสูจน์แล้วว่า 3- O-ซัลเฟตสามารถเพิ่มการจับกันของ Wnt กับไกลพิแคนและอาจมีบทบาทในการควบคุม Wnt ในมะเร็ง^{[ 5 ] [ 11 ]}

เฮปารานซัลเฟตจับกับโปรตีนนอกเซลล์จำนวนมาก โปรตีนเหล่านี้มักถูกเรียกรวมกันว่า “เฮปารินอินแอคทอม” หรือ “โปรตีนที่จับกับเฮปาริน” เนื่องจากถูกแยกโดยโครมาโทกราฟี แบบแอฟฟินิตี บนพอลิแซ็กคาไรด์เฮปารินที่เกี่ยวข้อง แม้ว่าคำว่า “เฮปารานซัลเฟตอินแอคทอม” จะถูกต้องกว่าก็ตาม หน้าที่ของโปรตีนที่จับกับเฮปารานซัลเฟตมีตั้งแต่ส่วนประกอบของเมทริกซ์นอกเซลล์ ไปจนถึงเอนไซม์และปัจจัยการแข็งตัวของเลือด และปัจจัยการเจริญเติบโต ไซโตไคน์ เคโมไคน์ และมอร์โฟเจนส่วนใหญ่^{[ 46 ]}ห้องปฏิบัติการของมิทเชล โฮ ที่ NCI ได้แยกแอนติบอดีโมโนโคลนอล ของมนุษย์ HS20 ที่มีความสัมพันธ์สูงกับเฮปารานซัลเฟตโดยการแสดงผลแบบฟาจ [ ^{47 ] แอนติบอดี}นี้จับกับเฮปารานซัลเฟต ไม่ใช่คอนดรอยตินซัลเฟต^{[ 5 ]}การจับกันของ HS20 กับเฮปารานซัลเฟตต้องอาศัยการซัลเฟตที่ตำแหน่ง C2 และตำแหน่ง C6 HS20 ขัดขวางการจับกันของ Wnt บนเฮปารานซัลเฟต^{[ 5 ]}และยังยับยั้งการเข้าสู่เซลล์ของไวรัสโพลีโอมา JC ที่ก่อโรคอีกด้วย^{[ 48 ]}

บริเวณการจับตัวรับบนพื้นผิวเซลล์ของอินเตอร์เฟรอน-γทับซ้อนกับบริเวณการจับ HS ใกล้กับปลาย C ของโปรตีน การจับ HS จะปิดกั้นตำแหน่งการจับตัวรับ และส่งผลให้โปรตีน-HS คอมเพล็กซ์ไม่ทำงาน^{[ 49 ]}

ไกลพิแคน-3 (GPC3) ทำปฏิกิริยากับทั้งWntและFrizzledเพื่อสร้างคอมเพล็กซ์และกระตุ้นการส่งสัญญาณปลายทาง^{[ 4 ] [ 11 ]} มีการยืนยันทางทดลองแล้วว่า Wnt จดจำโมทีฟเฮปารานซัลเฟตบน GPC3 ซึ่งประกอบด้วย IdoA2S และ GlcNS6S และการซัลเฟต 3-O ใน GlcNS6S3S ช่วยเพิ่มการจับกันของ Wnt กับไกลพิแคน^{[ 5 ]}

นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาคุณสมบัติการจับกับ HS ของโปรตีนอื่นๆ อีกหลายชนิด:

• แอนติทรอมบิน III
• ปัจจัยการเจริญเติบโตของไฟโบรบลาสต์
• ปัจจัยการเจริญเติบโตของเซลล์ตับ
• อินเตอร์ลิวคิน-8
• ปัจจัยการเจริญเติบโตของเยื่อบุหลอดเลือด
• Wnt/ไม่มีปีก
• เอนโดสแตติน

เชื่อกันว่าสารอนาล็อกของเฮพารานซัลเฟตมีคุณสมบัติเหมือนกับเฮพารานซัลเฟต ยกเว้นความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีการย่อยสลายโปรตีน เช่น บาดแผล^{[ 50 ] [ 51 ]}เนื่องจากเฮพารานซัลเฟตถูกย่อยสลายในบาดแผลเรื้อรังโดยเฮพาราเนส สารอนาล็อกจึงจับกับตำแหน่งที่ไม่มีเฮพารานซัลเฟตตามธรรมชาติเท่านั้น จึงทนต่อการย่อยสลายของเอนไซม์^{[ 52 ]}นอกจากนี้ หน้าที่ของสารอนาล็อกของเฮพารานซัลเฟตยังเหมือนกับเฮพารานซัลเฟต คือปกป้องลิแกนด์โปรตีนหลายชนิด เช่น ปัจจัยการเจริญเติบโตและไซโตไคน์ โดยการยึดลิแกนด์เหล่านี้ไว้ เนื้อเยื่อจึงสามารถใช้ลิแกนด์โปรตีนต่างๆ เพื่อการเพิ่มจำนวนได้

โรคกระดูกงอกหลายตำแหน่งทางพันธุกรรม (หรือที่รู้จักกันในชื่อโรคกระดูกงอกหลายตำแหน่งทางพันธุกรรมหรือโรคกระดูกอ่อนงอกหลายตำแหน่ง) เป็นโรคทางพันธุกรรมที่มีการกลายพันธุ์ในยีน EXT1 และ EXT2 ซึ่งส่งผลต่อการสังเคราะห์เฮปารานซัลเฟต^{[ 53 ] [ 54 ]}