糖鞘脂的生物學(xué)功能及相關(guān)藥物開發(fā)研究

　　摘要：糖鞘脂是一類在細(xì)胞膜上成簇排列的兩性分子，參與了細(xì)胞的黏附、生長、增殖、凋亡等。細(xì)胞發(fā)生癌變時(shí)，表面的某些糖鞘脂表達(dá)異常，通過檢測特異性糖鞘脂的表達(dá)可以對某些癌癥做出診斷。神經(jīng)性疾病和遺傳性疾病的產(chǎn)生或許與糖鞘脂的變化有著不可忽視的關(guān)系，某些糖脂已被公認(rèn)為是干細(xì)胞的典型生物標(biāo)志物。開發(fā)相應(yīng)的糖鞘脂藥物或抗體類藥物，對于實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷和治療等都具有重要意義。文章從糖鞘脂的結(jié)構(gòu)與功能、糖鞘脂與神經(jīng)性和遺傳性疾病、糖鞘脂與干細(xì)胞、糖鞘脂與腫瘤以及鞘脂類藥物開發(fā)等方面對近年來的研究進(jìn)展作詳細(xì)的總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：糖鞘脂;腫瘤 ; 干細(xì)胞;生物標(biāo)志物;藥物開發(fā)

　　組成生命的基本物質(zhì)包括四大類：4種核苷酸、20種基本氨基酸、8種脂肪酸和32種單糖。細(xì)胞中具有生物學(xué)功能的糖以糖鏈的形式存在，糖鏈與蛋白質(zhì)或脂類相結(jié)合形成糖綴合物，包括糖脂(glycolipids)、糖蛋白(glycoproteins)、磷脂酰肌醇(glycosyl phosphatidyl inositol, GPI)錨定的蛋白和蛋白聚糖(proteoglycans)等。

　　在上述糖綴合物中，糖脂是糖類通過其還原末端與脂類以糖苷健的形式結(jié)合在一起形成的化合物的總稱，其廣泛分布于動(dòng)物、植物和微生物等生物體中，是各種生物體細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的重要組成部分。糖脂的種類繁多，不同類型的糖脂結(jié)構(gòu)不同，其在生物體中的作用也有所不同，其中研究得較為深入和廣泛的是糖鞘脂(glycosphingolipids)。近年來，隨著生物化學(xué)和分子生物學(xué)等的發(fā)展，以及新型分離分析技術(shù)的涌現(xiàn)，對于糖鞘脂的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用的研究都取得了很大的進(jìn)步[1]。本文將依次從糖鞘脂的結(jié)構(gòu)與功能以及鞘脂類藥物開發(fā)等方面對近年來的研究進(jìn)展作詳細(xì)的總結(jié)。

　　1 糖鞘脂的結(jié)構(gòu)與功能

　　糖鞘脂是一類兩性分子，由糖鏈、長鏈脂肪酸和鞘氨醇(sphingosine)的長鏈堿基三部分組成，疏水部分是鞘氨醇的氨基被脂肪酸酰化而成的腦酰胺(ceramide)，而親水部分的糖鏈與鞘氨醇的伯羥基相連。糖鞘脂在細(xì)胞膜上成簇排列，能夠抵抗去垢劑的抽提[2]。根據(jù)核心結(jié)構(gòu)的不同，糖鞘脂主要分為gala-、globo(Gb)-、isoglobo(iGb)-、 ganglio(Gg)-、lacto(Lc)-、neolacto(nLc)-、 arthro(Ar)-以 及mollu(MI)-等8類。 另 根 據(jù) 其攜帶唾液酸與否，糖鞘脂又可以分為中性糖鞘脂和酸性糖鞘脂。中性糖鞘脂是指不含唾液酸的糖鞘脂，酸性糖鞘脂是指含一個(gè)或者多個(gè)唾液酸的糖鞘脂，其中神經(jīng)節(jié)苷脂(gangliosides)是酸性糖鞘脂中的重要成員(圖1)，主要存在于神經(jīng)組織、脾臟與胸腺中。糖鞘脂的生物合成即通過在神經(jīng)酰胺分子上順序添加單糖而合成寡糖鏈，該過程主要是在真核細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中進(jìn)行，糖鞘脂的分解代謝主要發(fā)生在包涵體和溶酶體中。

　　糖鞘脂不僅是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而且參與了細(xì)胞的黏附、生長、分化、增殖、凋亡及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等[3-5]。細(xì)胞發(fā)生癌變時(shí)，表面的某些糖鞘脂表達(dá)異常，通過檢測特異性糖鞘脂的表達(dá)則可以對某些癌癥做出診斷[6-8]。糖鞘脂與細(xì)胞上的一些功能蛋白如整合蛋白(integrin)、生長因子受體、四次跨膜蛋白，或非受體細(xì)胞質(zhì)膜激酶(Src家族激酶，G- 蛋白等)相互作用，從而參與或介導(dǎo)了細(xì)胞黏附、生長和遷移。

　　2 鞘脂與神經(jīng)性和遺傳性疾病

　　神經(jīng)性疾病，如帕金森綜合征(Parkinson´s disease，PD)和阿爾茨海默病(Alzheimer disease， AD)的產(chǎn)生或許與糖鞘脂的變化有著不可忽視的關(guān)系。在小鼠中去除糖基轉(zhuǎn)移酶相關(guān)基因，使小鼠的糖鞘脂不能正常代謝，小鼠會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的神經(jīng)性疾病，并很快死亡。糖鞘脂GM1在神經(jīng)細(xì)胞的分化和發(fā)育中起重要作用，可以顯著促進(jìn)神經(jīng)再生、促進(jìn)神經(jīng)軸突生長和突觸形成、恢復(fù)神經(jīng)支配功能。 PD發(fā)生的直接原因是多巴胺神經(jīng)元大量死亡，臨床使用糖鞘脂GM1可以改善PD病人的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能障礙[9]。AD最主要的病理特征之一是老年斑(senile plaques，SP)形成。β-淀粉樣蛋白(amyloid-β protein, Aβ)是 SP 的核心成分。AD 病人腦組織中的質(zhì)膜 Aβ 可與 GM1 緊密結(jié)合產(chǎn)生GM1結(jié)合型Aβ (ganglioside-bound Aβ)，膜結(jié)合型的GM1可以促進(jìn)Aβ 的纖維化，說明GM1有可能參與AD的發(fā)病機(jī)制[10]。

　　細(xì)胞溶酶體中如果缺乏與糖鞘脂分解代謝的酶類，可以引起神經(jīng)節(jié)苷脂在溶酶體中的堆積，從而引發(fā)Tay-sachs、Fabry和Gaucher等遺傳性疾病。例如，機(jī)體內(nèi)缺少α-半乳糖苷酶導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)苷脂尤其是Gb3的堆積，從而引起Fabry，臨床上對血漿lysoGb3的測定可作為診斷Fabry的一種手段[11] ;β-葡萄糖苷脂酶(β-glucocerebrosidase)的缺損使葡萄糖神經(jīng)酰胺過度表達(dá)，可引起Gaucher病[12]。此外，半乳糖腦苷脂酶的缺乏會(huì)引起Krabbe病，己糖胺酶缺乏可以造成Sandhoff 病 和Tay-sachs病[13]?？梢钥闯?，糖鞘脂代謝異常與遺傳性疾病存在顯著的因果關(guān)系，調(diào)節(jié)糖鞘脂的分解代謝水平有助于緩解或治療上述遺傳性疾病。

　　3 糖鞘脂與干細(xì)胞

　　干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。鑒于干細(xì)胞這種特性，可以將干細(xì)胞或相關(guān)衍生產(chǎn)品移植入患者體內(nèi)，替換損傷細(xì)胞從而治愈疾病。由于在疾病治療和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，干細(xì)胞已成為21世紀(jì)初生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。根據(jù)干細(xì)胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞的發(fā)育潛能分為三類 ：全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。階段特異性胚胎抗原-1(stage-specifi c embryonic antigen-1， SSEA-1)、SSEA-3、SSEA-4和GD3等幾種糖脂結(jié)構(gòu)在干細(xì)胞階段呈特異性表達(dá)，已被公認(rèn)為是干細(xì)胞的典型標(biāo)志物。

　　SSEA-1是小鼠胚胎干細(xì)胞典型表面標(biāo)志物，它的結(jié)構(gòu)為Lewis X 抗原(Lex; Galβ1-4(Fucα1- 3)GlcNAcβ1-)[14]。根據(jù)細(xì)胞表面抗原分化命名原則，將SSEA-1 命名為CD15，它一般表達(dá)在蛋白聚糖、糖蛋白，以及neolacto-、lacto-、 ganglio-或者 globo-系列的糖鞘脂上。SSEA-1 在干細(xì)胞發(fā)生分化后表達(dá)顯著下調(diào)，大約50%的胚胎干細(xì)胞表達(dá)SSEA-1，而分化后只有10%的細(xì)胞表達(dá)SSEA-1 [15]。有趣的是，人源胚胎干細(xì)胞不表達(dá)SSEA-1，但表達(dá)globo-系列的糖鞘脂SSEA-3 和SSEA-4，其結(jié)構(gòu)為Galβ1-3GalNAcβ1-3Galα1- 4Galβ1-和 NeuAcα2-3Galβ1-3GalNAcβ1-結(jié)構(gòu)(例如 Gb5Cer和 V3 NeuAcα-Gb5Cer)[16]。SSEA-3和 SSEA-4在人胚胎干細(xì)胞分化后同樣表現(xiàn)出下降的趨勢。同樣地，鼠源的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞呈SSEA-1陽性，而人源誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞呈SSEA-3和SSEA-4 陽性、SSEA-1陰性。

　　糖鞘脂GM1在神經(jīng)干細(xì)胞和小鼠的造血干細(xì)胞的表達(dá)極為豐富，而且已確定糖鞘脂GD3在胚胎、出生后以及成體的小鼠神經(jīng)干細(xì)胞中表達(dá)。已有足夠的生化、免疫化學(xué)以及流式分析等證據(jù)證明 GD3是小鼠神經(jīng)干細(xì)胞表達(dá)的主要糖鞘脂[17]。腫瘤干細(xì)胞，是指具有干細(xì)胞性質(zhì)的癌細(xì)胞，也就是具有“自我復(fù)制”以及“多細(xì)胞分化”等能力。人源的乳腺腫瘤干細(xì)胞和非乳腺干細(xì)胞表達(dá)的globo-H (V2 Fucα-Gb5Cer)和SSEA-3具有明顯差異[18]，CD133 一般被認(rèn)為是腫瘤干細(xì)胞的標(biāo)志性抗原，而A2B5識別的抗原(其結(jié)構(gòu)為c-系列神經(jīng)節(jié)苷脂)在人腦腫瘤干細(xì)胞中表達(dá)比CD133更為豐富[19]。

　　4 糖鞘脂與腫瘤

　　腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中，也伴隨著糖鞘脂的表達(dá)異常。例如糖鞘脂GD3/GD2的合成酶基因ST8SIA1 在雌激素表達(dá)呈陰性的乳腺癌中高表達(dá)[20]，導(dǎo)致了GD2表達(dá)呈顯著升高[21]。 含N-乙酰神經(jīng)氨酸的糖鞘脂GM3(NeuAcGM3)一般在正常的人體組織中表達(dá)，而很多腫瘤組織如非小細(xì)胞肺癌等表達(dá)高豐度的含N-羥乙酰神經(jīng)氨酸的糖鞘脂GM3 (NeuGcGM3)，由于人體自身不合成Neu5Gc，人體內(nèi)的Neu5Gc主要是由攝入食物所獲得[22]。糖鞘脂GM2與細(xì)胞黏附和細(xì)胞的遷移相關(guān)，高水平表達(dá)GM2的小細(xì)胞肺癌細(xì)胞在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出向多種組織遷移的傾向，而這種遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移可以被外援添加GM2的抗體所阻斷[23]。在模擬腫瘤發(fā)生過程的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的細(xì)胞模型中，用轉(zhuǎn)化生長因子β1處理小鼠乳腺上皮NMuMG細(xì)胞，細(xì)胞膜上的糖鞘脂四糖基腦酰胺Gg4表達(dá)下降[24]。各種腫瘤中表達(dá)異常的糖鞘脂如表1所列[25]。

　　在腫瘤的形成和發(fā)展過程中，腫瘤細(xì)胞會(huì)分泌更多的生長因子，以促進(jìn)細(xì)胞增殖，例如肺癌和卵巢癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長因子分泌量增加。此外，生長因子受體數(shù)量會(huì)增多，與生長因子受體相關(guān)的信號途徑被異常激活。一般來講，生長因子的數(shù)量與腫瘤的生長速度呈正相關(guān)。例如在腺癌、鱗狀上皮細(xì)胞癌中表皮生長因子EGF受體ErbB過度表達(dá)，在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞瘤中神經(jīng)生長因子受體顯著增加。而各種生長因子都與細(xì)胞增生有關(guān)，如EGF可促進(jìn)多種細(xì)胞有絲分裂、刺激細(xì)胞增生、促進(jìn)創(chuàng)傷愈合等。研究表明，糖鞘脂與生長因子受體存在密切關(guān)系，例如糖鞘脂GM3及其結(jié)構(gòu)類似物可以顯著抑制表皮生長因子受體、血小板源生長因子受體、胰島素受體等多種生長因子受體酪氨酸激酶的活性[26-30] ;GM3 和整合蛋白α5β1互相作用可以穩(wěn)定依賴于纖維連接蛋白的細(xì)胞黏附[31]。表達(dá)神經(jīng)節(jié)苷脂GM2、肝細(xì)胞生長因子受體c-MET和CD82的上皮細(xì)胞在受到肝細(xì)胞生長因子的誘導(dǎo)時(shí)，細(xì)胞生長和細(xì)胞遷移沒有顯著變化。而只表達(dá)GM2和c-MET，不表達(dá)CD82 的癌細(xì)胞在受到肝細(xì)胞生長因子的刺激時(shí)，細(xì)胞生長和細(xì)胞遷移大大增加[32]。

　　5 糖脂類藥物及疫苗

　　單唾液酸四已糖神經(jīng)節(jié)苷脂鈉，即神經(jīng)節(jié)苷脂 GM1(鈉鹽)能穿過血腦屏障進(jìn)入大腦，直接作用于人腦細(xì)胞，鑲嵌在受損的神經(jīng)細(xì)胞膜上，穩(wěn)定和改善神經(jīng)細(xì)胞膜的物質(zhì)交換功能，通過促進(jìn)各種形態(tài)、生化、組化、神經(jīng)生理及行為參數(shù)的改善，促使凋亡的神經(jīng)細(xì)胞恢復(fù)活力。具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞及大腦組織的正常發(fā)育、修復(fù)損傷神經(jīng)及大腦組織作用。近年來，其在腦卒中、小兒腦癱、老年癡呆癥及脊髓損傷的廣泛使用，進(jìn)一步帶動(dòng)了醫(yī)院神經(jīng)系統(tǒng)用藥市場的快速增長。

　　由于糖鞘脂在腫瘤中異常表達(dá)，理論上，阻斷這些神經(jīng)節(jié)苷脂的合成途徑，即可阻止腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。例如Lyso-GM3 和Sialyl Sphingosine 對于由GM3 誘導(dǎo)的B16 細(xì)胞黏附有顯著的抑制作用[33]。識別糖鞘脂GD2的抗體hu14.18K322A，用于治療神經(jīng)母細(xì)胞瘤，已經(jīng)處于Ⅱ期臨床試驗(yàn)階段[34]。再如，針對肺癌細(xì)胞高表達(dá)的糖鞘脂GM2，已開發(fā)出特異識別GM2的抗體BIW-8962 [35]。能夠?qū)euGcGM3 做出特異反應(yīng)的抗體疫苗racotumomab，能夠顯著延長肺癌病人的生存時(shí)間，經(jīng)過Ⅱ期和Ⅲ期臨床試驗(yàn)后，以氫氧化鋁為佐劑，該疫苗已可在一定條件下在一些拉丁美洲國家被應(yīng)用于非小細(xì)胞肺癌的維持治療[36]。α-半乳糖酰基鞘氨醇(α-GalCer)是NKT (natural killer T)細(xì)胞的配體，是NKT細(xì)胞的特異性激活劑，介導(dǎo)樹突狀細(xì)胞與NKT細(xì)胞的相互作用，已證實(shí)α-GalCer具有良好的抑制腫瘤效應(yīng)，當(dāng)前已作為抗癌劑用于臨床試驗(yàn)中[37]。此外，阻斷糖脂Gb3、Gb4和Globo H的表達(dá)也被證能夠抑制某些腫瘤，因此，這些糖脂相應(yīng)的抗體疫苗也被應(yīng)用于腫瘤免疫研究中[38]。

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　　6 總 結(jié)

　　糖鞘脂在哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面廣泛表達(dá)，在細(xì)胞發(fā)育、分化和凋亡等基本過程中發(fā)揮著重要作用，與遺傳性疾病和神經(jīng)性疾病以及腫瘤發(fā)生發(fā)展過程密切。雖然已發(fā)現(xiàn)糖鞘脂對于某些疾病、干細(xì)胞以及惡性腫瘤等具有一定指征意義，但多數(shù)疾病與糖鞘脂異常表達(dá)之間具體的因果關(guān)系尚不明確。因此，深入研究糖鞘脂的生物合成及分解代謝途徑，對了解各種疾病的發(fā)病機(jī)理，實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷和預(yù)防，開發(fā)相應(yīng)的糖鞘脂藥物或抗體類藥物，開展針對性的治療方案等方面都具有重要意義。

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