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第三條大分子生命鏈——糖鏈 江蘇大學學報 醫(yī)學版

2009年05期 中文版 陳惠黎

(衛(wèi)生部糖復合物重點實驗室, 復旦大學上海醫(yī)學院生物化學與分子生物學系，上海 200032)

【關鍵詞】 糖鏈； 糖蛋白； 糖脂； 蛋白聚糖

生命現(xiàn)象的分子基礎主要依賴于生物大分子及其相關的一些小分子。生物化學研究人員一直認為：生物體內(nèi)組成蛋白質(zhì)的氨基酸鏈(肽鏈)、組成核酸(RNA和DNA)的核苷酸鏈以及存在于脂類(包括中性脂肪、磷脂和糖脂)中的脂肪酸鏈是體現(xiàn)生命活動的三個生命鏈。但其中的脂肪酸鏈是一個單一的小分子，其組成單位是CH3，CH2，CH= (=CH)和-COOH等化學基團，而不是在化學意義上的分子。只有蛋白質(zhì)和核酸是真正的生物大分子。20世紀70年代左右，人們才認識到生物體內(nèi)另一類由不同單糖組成鏈狀結(jié)構(gòu)的糖鏈在生命活動中的重要性。糖鏈是除蛋白質(zhì)肽鏈和核酸鏈以外體現(xiàn)生命現(xiàn)象的第三類大分子的生命鏈，糖復合物的研究已被公認為繼蛋白質(zhì)和核酸的研究后探索生命奧秘的第三個里程碑。

無可置疑，蛋白質(zhì)是生命現(xiàn)象的重要體現(xiàn)者，其功能多種多樣。如肌肉收縮靠的是肌肉中的肌球蛋白和肌動蛋白，血液運輸氧分子依賴于紅細胞中的血紅蛋白，食物的消化和新陳代謝又仰仗于有催化作用的酶蛋白。另一方面，蛋白質(zhì)肽鏈中氨基酸的排列順序依賴于核酸鏈中4種核苷酸的排列順序。核酸是遺傳信息的保持者，而遺傳信息流向的中心法則是DNA(含A，G，C，T 4種核苷酸)→RNA(含A，G，C，U 4種核苷酸) →蛋白質(zhì)。

近年來發(fā)現(xiàn)，糖鏈能影響糖蛋白肽鏈的折疊、聚合、溶解和降解，還參與糖蛋白的分揀(sorting)和投送(trafficking)等細胞過程，而這些功能的主要機制是：糖鏈參與細胞和分子的生物學識別(recognition)，如受體和配體、細胞和間質(zhì)、細胞和細胞、細胞和病原體等。這些功能是細胞的高級功能，只有當生物進化到多細胞時才能具備。如以細胞比作國家，那么處于細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸主管內(nèi)政，而處于細胞膜上的糖鏈則主管外交。用電子顯微鏡可看到，細胞膜的外面被一層糖鏈所包裹，就足以證明這一點。糖鏈之所以能負起分子識別的重任，是因為它的結(jié)構(gòu)中含有較蛋白質(zhì)和核酸。

生物界中的糖鏈主要有四大類。

1.1 糖蛋白中的糖鏈

人體內(nèi)的蛋白質(zhì)有三分之一以上是糖蛋白(glycoprotein)，存在于各種組織和不同細胞中，絕大多數(shù)的血漿蛋白質(zhì)也是糖蛋白。糖蛋白是蛋白質(zhì)和糖類的共價復合物，其中的糖基少則一個，多則數(shù)百個，故糖蛋白的含糖量可低至2%，高至50%以上。由糖基連成的糖鏈又稱為寡糖鏈(oligosaccharide chain)或稱聚糖(glycan)。蛋白質(zhì)肽鏈可在不同部位結(jié)合一個以上的糖基或糖鏈。

根據(jù)糖鏈在肽鏈上的連接位點，主要有天冬酰胺(Asn)連接和絲氨酸或蘇氨酸(Ser/Thr)連接兩大類。

(1) 前者是糖鏈通過還原端的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)以β1,4鍵和蛋白質(zhì)肽鏈中Asn的酰胺氮連接，故稱為N(或Asn)連接型糖鏈或N-糖鏈；

(2) 后者是糖鏈通過還原端的N-乙酰氨基半乳糖(GalNAc)以α1,4鍵和蛋白質(zhì)肽鏈上Ser或Thr的氧原子(O)連接，故稱為O-GalNAc連接型糖鏈，簡稱O-糖鏈。

(1) 能被N-糖基化的Asn位點必須處于Asn、Xaa、Ser/Thr(或NXS/T)序列子(sequon)中，其中Xaa可以是Pro以外的任何氨基酸。N-糖鏈都有一個由3個甘露糖(Man)和2個GlcNAc組成的分支的五糖核心(Man3GlcNAc2,圖1)。

(a) 復雜型(b) 雜合型 (c)高甘露糖型

圖1 三型N－聚糖及其核心部分的結(jié)構(gòu)

核心外側(cè)的兩個Man分別以α1,3鍵和α1,6鍵連接于內(nèi)側(cè)的一個Man,組成糖鏈的1,3和1,6臂,而內(nèi)側(cè)的Man又以β1,4鍵連接于由兩個GlcNAc以β1,4鍵相連的二糖。最內(nèi)側(cè)GlcNAc再和Asn連接。五糖核心外側(cè)的糖基組成外鏈，可含有GlcNAc、半乳糖(Gal)、唾液酸(SA)等。酸性N-糖鏈的外端一般是唾液酸，高等動物中的SA主要是乙酰神經(jīng)氨酸(NeuAc)，中性糖鏈則一般以Gal或巖藻糖(Fuc)為外端。很少數(shù)的N-糖鏈可含N-乙酰氨基半乳糖(GalNAc)和末端硫酸基團。N-糖鏈又可根據(jù)其1,3和1,6臂相連的外鏈中的糖基是單純的Man或者含有GlcNAc，Gal，SA等多種糖基而分為高甘露糖型、雜合型和復雜型三類(圖1)。

實際上，在哺乳動物體內(nèi)，高甘露糖型和雜合型是復雜型合成時的中間產(chǎn)物。復雜型N-糖鏈五糖核心的內(nèi)側(cè)Man有時還可有以β1,4連接的GlcNAc，稱為平分型GlcNAc；而核心內(nèi)側(cè)的GlcNAc可以α1，6鍵連接1個Fuc, 稱為核心Fuc(圖1)。 此外，復雜型N-糖鏈中1,3臂的Man可在其第2位和第4位分別以β1,2和β1,4鍵連接一個或兩個GlcNAc；而1,6臂的Man則可在其第2位和第6位分別以β1,2和β1,6鍵連接一個或兩個GlcNAc。結(jié)果復雜型N-糖鏈可帶有1～4條外鏈(又稱天線)，所以，有單、雙、三、四天線的復雜型N-糖鏈之分。

(2)　　O-糖鏈又稱黏蛋白(mucin)型糖鏈，因黏蛋白中O-糖鏈的含量最高。一條肽鏈可連接數(shù)條或數(shù)十條O-糖鏈，可和N-糖鏈并存于同一肽鏈上。其糖基最少只有一個GalNAc，多達數(shù)十個以上。糖鏈中的糖基組成除GalNAc外，尚含有Gal和GlcNAc。酸性的O-GalNAc糖鏈外側(cè)末端也含有 SA。有時糖鏈外端也可含F(xiàn)uc，但整個糖鏈不含Man。O-糖鏈的結(jié)構(gòu)遠比N-糖鏈多樣而復雜，已發(fā)現(xiàn)至少有8種不同的核心結(jié)構(gòu)(圖2)。核心或外鏈都可分支或不分支。

圖2 O-糖鏈的結(jié)構(gòu)舉例

1.2 糖脂中的糖鏈

糖脂是糖類通過還原末端以糖苷鍵與脂類相連的共價復合物。按其中脂類的不同可分為含神經(jīng)酰胺(ceramide,Cer) 即脂肪酰鞘氨醇(fatty acylsphingosine)的鞘糖脂(glycosphingolipid,GSL)和含甘油脂(glycerolipids)的甘油糖脂(glycoglycerolipids)等。鞘糖脂和甘油糖脂分別為哺乳動物和植物/微生物中的主要糖脂。鞘糖脂又分為只含中性糖(除Gal，GlcNAc和GalNAc外，還含葡萄糖Glc)的中性鞘糖脂和除中性糖外還有唾液酸或硫酸的酸性鞘糖脂。凡含唾液酸的稱為神經(jīng)節(jié)苷脂，而含硫酸的則稱為硫苷脂。中性鞘糖脂還可按所含核心糖鏈中糖基的種類、內(nèi)外排列順序和糖基間連接鍵的不同分成9個系列，其共同特點是最內(nèi)側(cè)的糖基(還原末端)都是Glc，后者以β鍵連接在神經(jīng)酰胺的1位上。只有半乳糖系列例外，其還原末端是Gal。表1列出了哺乳動物中6種重要中性鞘糖脂系列的結(jié)構(gòu)。

表1 6種重要系列中性鞘糖脂的名稱、符號及核心糖鏈的結(jié)構(gòu)

1.3 蛋白聚糖中的糖鏈

蛋白聚糖(proteoglycan,PG)是糖胺聚糖(glycoaminoglycan,GAG)和其核心蛋白的共價連接物，而糖胺聚糖是帶有多聚陰離子的糖鏈，由氨基己糖(Gal，GalNAc，GlcNAc)和己糖醛酸(葡萄糖醛酸GlcUA和艾杜糖醛酸IdoUA)或半乳糖單位組成。它們在糖鏈中交替排列形成二糖單位，且在不同部位具有硫酸取代基。糖胺聚糖是相對分子質(zhì)量最大且結(jié)構(gòu)最復雜的糖鏈。一條糖鏈中的二糖單位可有數(shù)百個至上萬個。如透明質(zhì)酸(hyaluronic acid)的二糖單位是[GlcUAβ1,3GlcNAcβ1,4],可多至25 000個，硫酸軟骨素(chondroitin sulfate)的二糖單位是[GlcUAβ1,3GalNAcβ1,4],約有250～750個，在有些GalNAc的C2和C6位上還可發(fā)生硫酸化。肝素(heparin)的二糖單位是[IdoUAα1,4GlcNAcα1,4],并在IdoUA的C2和GlcNAc的C6、C2上有硫酸化(GlcNAc糖基C2上的硫酸化取代了乙酰化)。

在糖胺聚糖長鏈和核心蛋白的連接區(qū)域還有一段糖鏈，它們可以是與Ser/Thr連接的O糖鏈或與Asn連接的N糖鏈(如硫酸角質(zhì)素與其核心蛋白的連接)，也可以是糖蛋白所沒有的GlcUAβ1,3Galβ1,3Galβ1,4Xylose四糖，其中Xylose(木糖)的C2位還被磷酸化，而磷酸木糖則與蛋白質(zhì)肽鏈上的Ser相連(如硫酸軟骨和硫酸乙酰肝素與其核心蛋白的連接)。但是，透明質(zhì)酸一般沒有核心蛋白而以游離形式存在，這是唯一的例外。

蛋白聚糖不僅分布于細胞外基質(zhì)，還可存在于細胞表面，其核心蛋白的疏水肽段可插入細胞膜的脂雙層，或者核心蛋白與糖基磷脂酰肌醇共價結(jié)合而錨定在細胞膜上。細胞分泌顆粒及細胞核中也發(fā)現(xiàn)有核心蛋白存在?，F(xiàn)已知道：糖胺聚糖和蛋白聚糖的功能不單是充實細胞間質(zhì)、維持組織的彈性和細胞的黏性；還可與其他生物大分子包括一些細胞因子，如纖維生長因子2(FGF2)、血管上皮生長因子(VEGF)和轉(zhuǎn)化生長因子β(TGFβ)等結(jié)合，作為細胞因子的共受體(coreceptor)，參與細胞功能的調(diào)節(jié)，如生長，分化，黏附和能量代謝等。

1.4 糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinosital，GPI)中的糖鏈

GPI是以Man為主的糖鏈和磷脂酰肌醇(又稱肌醇磷脂)通過糖鏈還原端(一般是氨基葡萄糖GlcN)形成的共價復合物。肌醇磷脂含有二酰甘油和磷酸肌醇，其肌醇的C6位與GlcN的C1位以α糖苷鍵相連，而二酰甘油的長脂肪鏈則插入細胞膜的脂雙層，而糖鏈非還原端的Man則通過磷酸乙醇胺可和蛋白質(zhì)的羧基連接。所以，這類糖鏈的功能主要是將細胞表面的蛋白質(zhì)錨定在細胞膜上。這些蛋白質(zhì)包括水解酶和黏附分子等。

1.5 植物多糖、真菌多糖、細菌表面多糖和動物外殼多糖

這些種類的多糖典型代表有植物中的人參多糖、枸杞多糖，真菌中的香菇多糖、云芝多糖、茯苓多糖，革蘭陰性菌莢膜上的雜多糖，水產(chǎn)蝦蟹外殼的殼多糖等。這些多糖一般是含有主鏈和分支側(cè)鏈的純多糖或雜多糖。

本文重點討論糖蛋白上糖鏈的功能。

2 糖蛋白上糖鏈的主要功能

2.1 N-糖鏈的識別功能對肽鏈正確折疊的貢獻及其和疾病的關系

N-糖鏈生物合成的前身是一個含有14個糖基(Glc3Man9GlcNAc2)的G寡糖。后者在加工成二天線N糖鏈時，G寡糖α1,3 Man臂外端的3個葡萄糖須經(jīng)α葡萄糖苷酶予以切除。其中和Man相連的第3個Glc能被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上作為分子伴侶的鈣聯(lián)蛋白(calnexin)或鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin)識別和結(jié)合。這一過程與糖蛋白肽鏈的正確折疊有關。如以α葡萄糖苷酶抑制劑，如N丁基脫氧諾吉利霉素(Nbutyldeoxynojirimycin，NBDNJ)抑制第1和第2個Glc的切除，使第3個Glc不能暴露，肽鏈也就不能正確折疊。

乙型肝炎病毒HBV的外殼蛋白有大(L)、中(M)、小(S)3種，是利用相同讀框而不同的起始位點經(jīng)翻譯而成，其中M蛋白的前S2(Pro S2)區(qū)中第4位的Asn糖化位點與病毒蛋白的整合和分泌有關。在NBDNJ存在下，分泌HBV的細胞中因M蛋白肽鏈不能正確折疊而使M蛋白也不能和S和L蛋白整合，這些蛋白就以較小的僅有S蛋白的亞病毒顆粒分泌出來，顆粒中沒有DNA，也就沒有感染性。NBDNJ已在作為乙肝模型的土撥鼠中證明能抑制有完整外殼的病毒分泌，故α葡萄糖苷酶抑制劑有望成為新一代的抗病毒藥物。

同樣，獲得性免疫缺陷綜合征(AIDS)病毒HIV有兩種外殼糖蛋白，gp120和gp41。當病毒外殼蛋白在宿主細胞內(nèi)復制時，由前體gp160在順式高爾基體中經(jīng)內(nèi)切酶水解而成。當HIV感染細胞時，gp120和細胞表面的受體CD4結(jié)合，引起構(gòu)象改變而使gp41暴露，后者再與細胞膜融合，使病毒進入細胞。當用NBDNJ處理感染HIV的細胞，使gp120的V1/V2環(huán)狀區(qū)(gp120有5個恒區(qū)C和5個變區(qū)V)發(fā)生折疊異常，雖仍能和CD4結(jié)合，但不發(fā)生構(gòu)象改變和gp41暴露，從而阻斷病毒融合和入侵的過程。這是α葡萄糖苷酶抑制劑應用于抗病毒的又一范例。

2.2 N-糖鏈的識別功能在亞基聚合中的作用

寡聚體糖蛋白中的N-糖鏈能影響亞基的聚合。如免疫球蛋白IgG中Fc段CH2結(jié)構(gòu)域的兩條重鏈都在Asn297位有一條二天線N-糖鏈，其結(jié)構(gòu)不同。通過一條糖鏈與對側(cè)糖鏈或肽鏈中疏水位點的相互識別和作用，對維持Fc段兩條重鏈的互相靠攏也有重要作用。人絨毛膜促性腺激素(hCG)由α,β 兩個亞基組成，每一亞基各有兩條結(jié)構(gòu)不同的N-糖鏈， β亞基尚在121, 127, 132, 138位的4個Ser上各有一條O-糖鏈。單天線或二天線N-糖鏈和α,β 亞基的聚合有關。孕婦或滋養(yǎng)母細胞惡性腫瘤患者的尿中hCG 亞基的N-糖鏈有一部分轉(zhuǎn)變成多(三、四)天線會阻止α和β亞基的聚合，使尿中出現(xiàn)hCG的α亞基單體。游離的α-亞基和完整hCG有不同的生理功能，前者能促進蛻膜細胞分泌催乳素，但不能促進性腺合成類固醇激素，后者則能刺激類固醇激素的合成而不影響催乳素的分泌。這說明人hCG中N-糖鏈的結(jié)構(gòu)能影響α和β亞基的聚合并進而改變hCG的功能。

在基因工程中，如糖蛋白基因在缺乏糖化體系的大腸埃希菌中表達，常形成包涵體而很少分泌出細胞，其原因除糖鏈缺乏影響肽鏈的正常折疊和空間構(gòu)象外，缺乏糖鏈引起蛋白質(zhì)分子的疏水性聚合也可能是原因之一。這種無糖鏈的蛋白質(zhì)藥物往往是沒有活性的。

2.3 N-糖鏈的識別功能對糖蛋白在細胞內(nèi)分揀、投送和分泌中的作用

用衣霉素處理細胞以阻止蛋白質(zhì)的N-糖化，可使很多定位于細胞膜上的糖蛋白減少，如轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin)受體、胰島素受體，整聯(lián)蛋白(integrin)α亞基、HIV受體CD4等。其原因可能是：

①糖蛋白肽鏈折疊異常，暴露了肽鏈上的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號LysAspGluLeu，

②未糖化的蛋白質(zhì)易受細胞內(nèi)蛋白酶水解，

③即使正常折疊而未被水解的糖蛋白也可因糖鏈結(jié)構(gòu)的改變而影響其投送或分泌，如N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶Ⅲ(GlcNAc TⅢ)本身是糖蛋白，在243,261和399位的3個Asn上都有N-糖化。用定點突變技術將3個Asn逐個突變成Gln，使該位點不能糖基化，發(fā)現(xiàn)Asn399位點上糖化的缺失較少影響酶活力，但使酶不能投送至高爾基體而滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中；而243和261位的去糖化則既可引起酶活力的明顯喪失，又導致酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上滯留，此結(jié)果和衣霉素處理一樣。有時N糖鏈中個別糖基的改變也會影響糖蛋白的投送，如用Forskolin提高鼠肝癌細胞中的GlcNAc TⅢ，使某些糖蛋白(如γ谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶)上的平分型GlcNAc增加，也使其投送至細胞膜上減少。將GlcNAc TⅢ的基因轉(zhuǎn)染小鼠，可發(fā)現(xiàn)小鼠有脂肪肝，但血清中β脂蛋白和前β脂蛋白反而減少。這是因為載脂蛋白B100的糖鏈上平分型GlcNAc增多后，使載脂蛋白B100不能合成β脂蛋白和前β脂蛋白而輸出肝臟的緣故。

2.4 N糖鏈識別功能和激素的生物活性

腺垂體分泌的促卵泡激素(FSH) 和促黃體激素(LH)在N糖鏈末端結(jié)構(gòu)上的差別是FSH含SAGal，而LH含HSO3GalNAc。已經(jīng)證明: 帶硫酸的LH和受體的親和力較帶SA的FSH高，但在體內(nèi)的生物半壽期較短，在血中清除較快。這是因為肝臟網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞上有一種凝集素樣的受體，能特異地識別HSO3GalNAc結(jié)構(gòu)，并結(jié)合LH而將其內(nèi)吞清除；而以SA為糖鏈末端的FSH則必須經(jīng)唾液酸酶水解掉SA而暴露內(nèi)側(cè)的Gal后，才會被某些細胞表面的“去唾液酸糖蛋白受體”(一種凝集素lectin)識別和內(nèi)吞。

用化學法去除LH中α和β兩個亞基的N糖鏈，再和正常有糖鏈的LHα,LHβ或FSHβ重組成αβ 二聚體，發(fā)現(xiàn)去糖基的LHα(DGLHα)和正常LHβ或DGLHβ重組后，對LH受體的親和力較正常LHαLHβ二聚體明顯增加，而對第二信使cAMP的生成量反而明顯降低。DGLHβ和正常LHα重組后對受體的親和力雖有所增高，但cAMP量的改變很小。如DGLHα和FSHβ重組，則對FSH受體的親和力較正常LHαFSHβ二聚體增高更為顯著，也使cAMP的生成量明顯降低?？梢奓Hα的N糖鏈能阻止LH與受體的結(jié)合，還參與LH的跨膜信號轉(zhuǎn)導，抑制cAMP的生成。

以上例子證明體內(nèi)的激素受體能識別激素的N糖鏈結(jié)構(gòu)的改變而產(chǎn)生相應的不同效應。

蛋白類配體也能識別受體的N糖鏈結(jié)構(gòu)。如大鼠卵巢LH/hCG受體有6個可能的N糖化位點，定點突變受體的Asn173成Gln而使173位去糖化后，受體不能再和LH或hCG結(jié)合，而突變Asn77和Asn152也可使高親和力位點下降80%。

2.5 hEPO中N糖鏈的作用

基因工程藥物的生產(chǎn)必須具備糖蛋白糖鏈的知識。如人促紅細胞生成素(hEPO)含165個氨基酸殘基，在24,38和83三個位點的Asn上各有一條N-糖鏈，在Ser126還有一條O-糖鏈。人尿中hEPO的N-糖鏈主要是四天線和C2C2,6三天線的酸性N糖鏈，但也有少量二天線N-糖鏈，80%有核心Fuc。 不同真核細胞中重組的hEPO(rhEPO)其糖鏈結(jié)構(gòu)有所不同。其中CHO細胞表達的r-hEPO的糖鏈結(jié)構(gòu)和人尿中天然hEPO最為接近。將r-hEPO中各個糖化位點的Asn突變成Gln，發(fā)現(xiàn)Asn38和Asn83，Ser126突變后，r-hEPO不能分泌到介質(zhì)中，而只有Asn24突變的r-hEPO能分泌出來，但活性僅為天然hEPO的25%。用外切糖苷酶逐次切除糖鏈外側(cè)的SA，Gal和GlcNAc后，發(fā)現(xiàn)其活力反而逐步增高，但切除五糖核心的Man后活性驟然下降，說明N糖鏈的五糖核心為hEPO活力所必需。有趣的是，hEPO的糖鏈結(jié)構(gòu)對其體內(nèi)活力的影響與體外截然不同，如切除SA后的r-hEPO注入體內(nèi)后因很快被“去唾液酸糖蛋白受體”結(jié)合而清除，故幾乎不表現(xiàn)活力。如再將末端Gal氧化，雖可延長體內(nèi)半壽期，但仍無活力。雖然在體外含二天線N-糖鏈的hEPO較四天線糖鏈的hEPO活性高3倍，但含二天線酸性N-糖鏈的hEPO在體內(nèi)的活力卻遠低于帶四天線N-糖鏈的hEPO。四天線和二天線糖鏈的比值越高，體內(nèi)活性也越強。有人認為四天線糖鏈的hEPO被腎臟濾過較慢或歸巢至骨髓靶細胞較多，故在體內(nèi)有較強的促紅細胞生成的活性。

綜上所述，可以認為：N-糖鏈末端的SA與hEPO的體內(nèi)半壽期有關，天線的多少和腎臟排出率或定向轉(zhuǎn)運至靶細胞有關，而五糖核心則可能參與hEPO空間構(gòu)象的維持。不同N-糖鏈的hEPO在體內(nèi)、外效力的不同主要也是受體識別N-糖鏈的結(jié)果。

2.6 O糖鏈的主要功能

必須指出：O-糖鏈也有某些類似N糖鏈的功能，諸如影響蛋白質(zhì)亞基的聚合、生物半壽期和糖蛋白的分揀及投送等。因其重要性不及N-糖鏈，故不再重復，以下只介紹O-糖鏈的一些獨有的功能。

細胞黏附也是一個分子識別問題。其中細胞表面整聯(lián)蛋白家族和其配體纖連蛋白(fibronectin)之間的黏附可能和N糖鏈的關系較大;而選凝素(selectin，又稱選擇蛋白)對其配體Lewis抗原的識別作用則和O-糖鏈的關系較大，因Lewis 抗原在O-糖鏈上較多。Lewis抗原是另一類存在于細胞膜上的血型抗原，位于O-糖鏈(N-糖鏈也有)的外端，其基本結(jié)構(gòu)由Galβ1→3/4GlcNAcα1→4/3Fuc組成，Gal末端還可被唾液酸化(表2)，參與白細胞或血小板與血管內(nèi)皮細胞的黏附，與白細胞在炎癥浸潤和癌細胞在轉(zhuǎn)移時穿出血管有關。

選凝素有E，P，L 3種，分別存在于血管內(nèi)皮細胞、血小板和淋巴細胞表面，能被選凝素識別和結(jié)合的糖鏈配體有很多種,但不同選凝素對同一配體的親和力都不相同。共同配體中最典型的糖鏈結(jié)構(gòu)是唾液酸化的Lewis X抗原(SLex) 和唾液酸化的Lewis A抗原(SLea) 以及它們的衍生物VIM2和雙巖藻糖SLex(表2)。在這些結(jié)構(gòu)中， α1,3或α1,4 Fuc基團是必需的。酸性配體(含SA或硫酸)對選凝素結(jié)合也是重要的，中性的Lex,Ley 和Lea,Leb不能和選凝素結(jié)合。有人已解析出E選凝素和Slex結(jié)合物的三維結(jié)構(gòu)。

表2 3種選凝素對各種Lewis抗原衍生物的親和力

配體名稱結(jié) 構(gòu)選凝素的親和力L-E-P-SLexSAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAcβ1-+++++VIM2SAα2,3Galβ1,4GlcNAcβ1,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAcβ1-+++/-雙Fuc SLexSAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAcβ1,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAcβ1-+++++SLeaSAα2,3Galβ1,3(Fucα1,4)GlcNAcβ1-+++++3硫酸LexHSO33Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAcβ1-++++3硫酸LeaHSO33Galβ1,3(Fucα1,4)GlcNAcβ1-++++ ++: 強結(jié)合 +: 弱結(jié)合 -: 不結(jié)合

哺乳動物的受精是卵巢排出的成熟卵子和已經(jīng)獲能的精子在輸卵管內(nèi)相遇而融合的過程。精子先和卵膜外層透明帶中的糖蛋白結(jié)合而引發(fā)頂體反應。此過程包括精子頭部細胞器頂體的外膜和精子細胞膜融合、釋放頂體內(nèi)容物，包括一些水解酶和糖結(jié)合蛋白，再形成囊泡后脫離精子。只有經(jīng)過頂體反應的精子才能穿過透明帶而與卵子細胞膜融合，使精子頭部的細胞核進入卵子，完成受精過程。精卵結(jié)合具有高度的種屬專一性。小鼠的透明帶含有ZP1,ZP2和ZP3三種糖蛋白，含有較多的O糖鏈和N糖鏈。其中ZP3是在受精初期和精子結(jié)合而誘發(fā)頂體反應的主要糖蛋白，可認為是精子的受體。用內(nèi)切糖苷酶切除N糖鏈后的外源性ZP3仍能抑制體內(nèi)的精卵結(jié)合，提示沒有N糖鏈的ZP3仍和天然完整的ZP3一樣，也能和內(nèi)源性的ZP3競爭地和卵子結(jié)合。但用稀堿去除OGalNAc糖鏈后的外源性ZP3就不能和內(nèi)源性的ZP3競爭地和卵子結(jié)合，證明 ZP3通過 O糖鏈和精子蛋白質(zhì)結(jié)合。精子頭部表面和ZP3結(jié)合的蛋白質(zhì)是一種分子量為5.6萬的精子蛋白(SP56)，在頂體反應時釋放出來。這進一步證明精子SP56和卵子 ZP3中 O糖鏈末端的αGal結(jié)合是小鼠精卵結(jié)合的分子基礎之一?，F(xiàn)已證明這一帶有αGal末端的結(jié)構(gòu)是Galα1,3Gal,故有αGal末端的OGalNAc型糖鏈可阻斷精卵結(jié)合而成為避孕藥物。精子頭部膜上的β1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶(β1,4GalT)和α1,3巖藻糖轉(zhuǎn)移酶(α1,3FucT)也可能介導精子和ZP3的結(jié)合，且精子頭部的β1,4GalT和ZP3的結(jié)合可能是精卵結(jié)合的又一機制，而β1,4GalT可能與ZP3糖鏈末端的GlcNAc或GalNAc相結(jié)合。由此可見，生殖的分子機制也離不開糖鏈。

3 總結(jié)和展望

糖鏈的結(jié)構(gòu)和功能已形成一門新的學科——糖生物學，其研究方興未艾，越來越顯示出它在生命科學中的重大意義。近年來，我們實驗室還發(fā)現(xiàn)用糖基轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)染或剔除的方法改變細胞膜或細胞內(nèi)糖蛋白糖鏈的結(jié)構(gòu)，可引起細胞增殖速度、信號轉(zhuǎn)導、基因表達、凋亡、遷移和侵襲能力等的變化，說明糖鏈可以調(diào)節(jié)很多細胞行為的強弱。基因合成蛋白質(zhì)，包括糖基轉(zhuǎn)移酶，后者合成糖鏈，蛋白質(zhì)又介導細胞行為，而細胞行為和基因表達又受到糖鏈的調(diào)控。這就是三條大分子鏈的相生相克，是生命科學的辯證法。在實踐應用上，糖鏈的研究促進了新一代抗病毒、抗感染、抗轉(zhuǎn)移和計劃生育等藥物的開發(fā)。血液中糖蛋白糖鏈結(jié)構(gòu)的測定可用于惡性腫瘤的診斷。異種器官移植也已從改變豬器官糖鏈抗原(末端的αGal糖基是引起速發(fā)性免疫排斥的關鍵分子)著手進行研究。今后糖生物學的發(fā)展將集中在糖復合物相關基因(glycogene)的克隆、糖蛋白組學(glycoproteomics)和糖組學(glycomics)的研究及其應用。人們將不再滿足于探明糖復合物中每條糖鏈的功能，而更可能著眼于弄清糖鏈中每個糖基的功能。

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