唾液酸的特性及其识别蛋白的种类与生物效应

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论文摘要

  所有生物细胞的表面都覆盖着种类繁多的糖类化合物,例如 O 连 N- 乙酰葡糖胺,鞘糖脂,粘多糖、磷脂锚和脂 - 寡聚糖等,这些糖 - 蛋白质或糖 - 脂类复合物决定细胞的类型和调控细胞的生长,在环境发生变化时调节细胞做出应答反应。唾液酸就是众多糖类化合物中的一类,广泛存在于生命系统中,大量存在于细胞表面和机体组织中,这一特性引起了大批生物学家和化学家的关注,早在 1936 年Blix 等[2]

  就开始了对唾液酸的研究,首次从牛下颌骨唾液腺粘液中成功分离出一种唾液酸。1960 年科研人员精确测出该唾液酸的化学结构并鉴定其结构是 O,N- 二乙酰基神经氨酸,属于氨基糖类化合物,之后许多种类的生物中均分离出唾液酸,人们对其生物和生理活性进行了大量研究,证实唾液酸具有诸多生物学功效,其数量与种类可决定细胞的特性,因此唾液酸在生物学研究及生物制药领域具有重要价值。唾液酸识别蛋白是一类能识别唾液酸并与之结合的蛋白类物质,两者结合后介导细胞 - 细胞、细胞 - 生物大分子、细胞 - 环境之间的相互作用,从而调节生物的不同生理功能。

  1 唾液酸的特性
  
  唾液酸(sialic acid,SA)是一类九碳糖族化合物,目前已分离和鉴定出的唾液酸家族成员已有 50种以上化合物,大多是 N- 乙酰神经氨酸的 O- 乙酰基衍生物,结构呈多样性,纯的唾液酸是无色的,易溶于水,但自然界中很少以游离的形式存在,主要以短链残基的形式以 α- 糖苷键连接于糖蛋白、糖脂和寡糖的末端.唾液酸在自然界分布较广,在大多数高等生物中(如哺乳类、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类等)和部分低等生物(如大肠杆菌、沙门氏菌、水泡性口炎病毒、涡虫)中均已发现唾液酸的存在,甚至从六亿年前前寒武纪就进化至今的棘皮动物(如:海星、海胆等)中也获得了唾液酸,因此证明唾液酸是生物进化史上比较古老的一类糖蛋白。随着进化等级的降低生物体内含有唾液酸的可能性减小,细菌、病毒等低等生物中仅少数种类中发现唾液酸的存在且含量较低,而高等生物尤其是脊椎动物体内普遍含有唾液酸并且种类较为丰富,主要吸附于细胞表面和神经组织中。目前植物中尚未发现唾液酸.

  2 唾液酸识别蛋白的种类
  
  唾液酸之所以能与后口动物一同进化 5 亿多年,必然有其特定的功能,不仅仅是为细胞表面提供负电荷和掩饰糖基的残链,随着越来越多的能与唾液酸进行特异性结合的唾液酸识别蛋白的发现,唾液酸的生物学功效与价值也研究的更为透彻。

  2.1 H因子
  脊椎动物中首先被发现的唾液酸识别蛋白是补体 H 因子,可负控调补体旁路途径,补体旁路途径在血液循环系统血浆中始终保持活性,但其效应的扩大一直受到 H 因子的抑制,血浆中 H 因子是一种高水平表达的蛋白质。但当病原生物细胞暴露出一个补体活化面时,旁路补体途径就会避开液相 H因子,在受到攻击的病原体表面进行扩增,在机体先天性免疫系统中引发一连窜的反应,加速病原体的衰变。尽管补体旁路途径的攻击目标都处于天然杂乱的状态,但脊椎动物白细胞表面并不会受到补体旁路途径的攻击,一个原因是宿主自身的浆膜上存在一类内生物种特异性控制蛋白;另一个原因是可溶性的 H 因子吸附在细胞表面起到了抑制补体旁路途径转化酶的形成,H 因子之所以能吸附在脊椎动物表面主要的原因是 H 因子上的阴离子粘附域能特异性识别细胞表面的唾液酸或某些硫酸粘多糖。近年来研究发现除了脊椎动物,一些生存能力较强的病原体微生物表面也含有唾液酸,同样也能将 H 因子吸附在细胞表面以防护补体途径的损伤效应.

  2.2 选择素
  第二类被发现的唾液酸识别蛋白是选择素,选择素分为 E、P、L 型,它们与细胞之间的免疫性应答密切相关。早在 1985 年,Rosen S等就已经证明淋巴细胞穿过高内皮静脉再向淋巴结“归巢”与唾液酸配体被白细胞 L 型选择素识别密切相关,在许多类型的白细胞上 L- 选择素都参与表达。1989年 Johnston G 等发现血小板 P 型选择素,它主要储存在血小板颗粒与内皮细胞的怀布尔 - 帕拉得小体中,受到相关因子刺激时,P 型选择素可以以最快的速度转运到细胞表面,启动白细胞与唾液酸配体的结合。1991 年,Tyrrell D 等发现白细胞 E 型选择素能识别内皮细胞表面唾液酸,以此调节白细胞与活性内皮细胞的结合,但 E 选择素不是白细胞的基础表达物质,只有在炎症发生时才能诱导其转录。三种类型的选择素编码基因的克隆分析表明它们具有高度同源性.

  研究表明三种类型的选择素主要通过α1-3(4)-甘露糖残基与唾液酸上的 sialyl-LewisX(SLeX)配体进行识别,但需要对 SLeX 进行硫酸化修饰后才能实现与选择素的结合。1993 年 Norgard-SumnichtK 等偶然发现一种多聚糖即肝素硫酸盐也能担当 L 和 P 型选择素的配体,肝素硫酸盐的高度硫酸化形式也就是肝磷脂,目前肝磷脂已被作为一种抑制选择素与唾液酸结合的强效抑制剂在临床上广泛使用。

  选择素在上皮癌细胞的转移中也扮演着重要的角色。SLeX 最早发现于一些恶性肿瘤中,其性质是一种抗原性物质,在恶性肿瘤中显着表达,具有活性的内皮细胞上的 E 型选择素能与表达 SLeX 的癌细胞结合致使其转移扩散,此外,癌细胞进入血液系统也能通过 SLeX 配体与血小板和白细胞所含的选择素结合促进其存活和扩散。

  选择素除与癌症和炎症反应有关外,也参与一些生理上的重要反应,例如心脏病发作与外伤性重创,当血液流动暂时性停止后再重新恢复流动时,选择素在其中起到了重要作用,因此人们认为选择素是预防或治疗这些疾病的重要的研究对象,为诊断试剂和肿瘤抑制剂提供了一个新的研究方向。目前相关的临床试验正在进行.

  2.3 Siglecs
  细胞免疫过程中绵阳红细胞与巨噬细胞形成玫瑰花环和细胞表面存在的唾液酸粘附素密切相关,B细胞上的抗原分子 CD22 通过识别唾液酸上的 α2-6联接介导这一特异性结合。基因克隆分析显示 CD22和唾液酸黏附素的 N- 末端可变区(V 区)和相邻的稳定区(C2 区)具有同源关系,说明 CD22 和唾液酸黏附素属于同一个免疫球蛋白(Ig)- 相关蛋白家族,早已被人们熟知的与抗原分子 CD33 结合的髓磷脂 - 糖蛋白(MAG) 后期也被证实其表面也含有唾液酸依赖性黏附物.因具有相同的结构和功能,这一家族被命名为凝集素 Siglecs(sialic-acid-recognizing Ig-superfamily lectins,唾液酸识别型免疫球蛋白超基因家族凝集素)。

  目前,根据一级结构的相似性和在进化上的保守性,Siglecs 分为两个亚家族,第一个 Siglecs 亚家族成员在哺乳动物不同种属间具有高度保守性,包括唾液酸粘附素(Siglec-1),CD22 (Siglec-2),MAG (Siglec-4)和 Siglec-15;第二个 Siglecs 亚家族成员称 CD33 相关唾液酸结合性免疫球蛋白样凝集素(CD33rSiglecs),其成员具有普遍同源性,位于细胞质的结构中含有一个靠近细胞膜的免疫受体酪氨酸基础信号基序,通过不同的机制进行快速的进化,表明 CD33rSiglecs 能将唾液酸识别为自体,从而抑制免疫系统的应答.

  2.4 L1CAM
  另一个被报道的唾液酸识别免疫球蛋白超家族成员是 L1 细胞粘附蛋白分子(L1CAM),它在神经系统中被广泛表达,并且涉及神经中枢的发展和功能的诸多方面。很多显着的人类神经系统缺陷遗传性病症是由于 L1CAM 的突变造成的。目前,L1CAM 的唾液酸识别蛋白产物已获得,且研究表明出现在 CD24 上的与 α2-3 连接的唾液酸具有特异性,它是细胞表面的一个糖基化大分子。与唾液酸结合性免疫球蛋白样凝集素(Siglecs)不一样,这个唾液酸黏附物并不属于 Lg 区域上的任何一个部位,而是由一个纤连蛋白Ⅲ衍生而来,这个纤连蛋白Ⅲ在 L1CAM 的另外一个区域重复出现.

  2.5 子宫凝集素
  老鼠和人类子宫内膜内层的可溶性提取液含有一种血细胞凝集素,该凝集素是一种能与红血球结合的蛋白质,然而红血球并不是这类凝集素的天然配体,而是一些生物学功能尚未搞清楚的唾液酸,因此子宫凝集素与红血球的结合受到唾液酸识别机制的调控.

  2.6 精子唾液酸识别蛋白
  α2-3- 唾液酸参与牛精子与卵带透明糖蛋白结合的相关调控,精子皮层上的唾液酸识别蛋白能与卵带唾液酸结合,促进受精卵的形成,另外从皮层释放出来的唾液酸苷酶能将透明带上的唾液酸移除从而阻止多精受精.

  2.7 CD83
  Scholler N等人研究报道免疫球蛋白 - 超家族成员 CD83 能识别唾液酸并与之结合,这是产生CD4+ T 细胞重要的前提条件,CD83 序列与 Siglecs不具有同源关系。

  2.8 其它唾液酸识别蛋白
  尽管研究表明大多数原核生物体内不含唾液酸,但大部分病原微生物体内仍然能产生唾液酸识别蛋白,并且这些唾液酸识别蛋白上的特异性糖链或其它的特异性结合体经常会发生改变,使病原微生物具有较强的变异性和生存力.另外,许多缺乏唾液酸的多细胞生物(植物、节肢动物、软体动物等)也能表达唾液酸识别蛋白,并且能特异性的识别唾液酸分子,其产生的机制可能是唾液酸识别蛋白能首先识别入侵体内的病原体或其它物种细胞表面的唾液酸、酸性糖(如酮 - 脱氧辛糖酸),以辅助机体将其排除。目前,科研人员已将唾液酸识别蛋白广泛的应用于对唾液酸的研究中.

  3 唾液酸与唾液酸识别蛋白结合产生的生物学效应
  
  唾液酸在许多糖和蛋白交联调节的生理过程中起着很重要的作用。结合在糖缀合物上的唾液酸,活跃的参与细胞 - 细胞之间,细胞 - 生物大分子之间的相互作用,产生多方面的生物学效应。

  3.1 介导细胞连接、促进细胞迁移
  唾液酸与其识别蛋白的结合可介导细胞之间或细胞与大分子化合物之间的连接和凝聚,另外唾液酸也可刺激细胞钙离子桥连促进细胞凝聚,同时唾液酸所携带的负电荷可协助离子穿过细胞膜,促进细胞之间的信息传递。通过唾液酸与选择素的结合淋巴细胞可吸附到淋巴结小静脉内皮细胞上实现“归巢”;经唾液酸处理的红细胞细胞间流动性与排斥作用均有所下降,这一结果说明附加的唾液酸促进红细胞间连接;唾液酸的表达还可促进神经胶质瘤细胞在脑内的侵袭,增加脑瘤细胞的扩散性;多聚唾液酸是唾液酸单体的聚合物,它修饰的神经细胞粘附分子能促进神经突触形成、神经前体细胞向径向和切向迁移,并抑制神经胶质细胞的分化,因此唾液酸的存在能促进新生儿大脑的发育。

  3.2 掩护病原体微生物和癌细胞逃脱宿主免疫系统攻击
  自然界中一些进化成功、感染性较强的病原微生物能表达唾液酸,逃脱宿主细胞免疫系统的识别与攻击,这显然是一种成功的“分子模仿”形式,依靠唾液酸的掩护,机体免疫系统对病原体做出了错误的判断,导致病原体逃脱免疫系统的识别与应答;而恶性疟原虫裂殖子能通过入胞作用侵染红细胞则依靠其细胞表面的唾液酸识别蛋白配体与红细胞膜上的唾液酸结合;癌细胞表面覆盖的唾液酸越多,与选择素结合后,越容易逃脱免疫系统的捕获、转移性越强,如将癌细胞用唾液酸苷酶进行处理后,癌细胞进入生物体内不再具有侵润性和转移性,癌细胞逐渐解体、消亡.

  3.3 增加生物体内溶液粘度与蛋白物质可塑性
  唾液酸与其识别蛋白结合后可遮蔽粘蛋白上的糖链,一方面调节生物体液和粘蛋白的粘度,另一方面避免糖苷酶对其水解,保护蛋白质不被蛋白酶降解。脊椎动物消化道、泌尿生殖道等器官中的唾液酸与多种类型的糖蛋白配体识别并结合,起到保护、润滑的作用。牛唾液腺中唾液酸通常密集于粘蛋白肽链的末端区段,再加上唾液酸本身所带的负电荷的互斥作用使分子伸展成刚性棒状结构。另外,在神经组织中,多聚唾液酸链的延伸可影响神经可塑性,参与神经系统的发育.

  4 结语
  
  唾液酸在生物机体中的生物学意义已经进行了系统的研究,获得了有价值的研究成果。与此同时唾液酸识别蛋白也成为了值得关注的另一研究对象。糖与蛋白质之间的交联作用一直以来都被认为是生物机体中重要的调控手段,因此深入研究唾液酸与唾液酸识别蛋白的识别过程与机理有助于对人类生理学、疾病和进化的进一步认识,为疾病的有效防治提供更可靠的理论基础与手段。后口动物种系中唾液酸在细胞表面已经高水平表达了 5 亿年,因此人们预测还有很多唾液酸识别蛋白未被发现。分离与获得新的唾液酸识别蛋白及其天然配体的研究是分子生物学上的又一热点。

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