細胞表面糖復(fù)合物與生殖

官繼承 李 倩 左福元

西南大學(xué)動物科技學(xué)院,重慶400715

越來越多的研究證明,細胞表面的糖復(fù)合物在細胞與細胞、細胞與細胞周圍基質(zhì)之間的相互識別和粘附中起中介作用,在受精和著床中也體現(xiàn)了這種功能。本文從糖生物學(xué)和生殖生物學(xué)交叉的角度來探討糖復(fù)合物在生殖早期的作用,以期了解在妊娠過程中糖復(fù)合物可能具有的生物學(xué)功能。

1 糖復(fù)合物與生殖細胞

1.1 糖復(fù)合物和精子的發(fā)生

精子的發(fā)生包括了精原細胞的分化及其與支持細胞的粘附等,其中糖蛋白的作用,特別是N-聚糖的生物合成、加工一直是關(guān)注的焦點。

為了揭示N-聚糖與精子的發(fā)生關(guān)系,Fukuda M N等[1]制作了α-甘露糖苷酶(N-聚糖生物合成所必需的酶)缺失小鼠。基因型分析結(jié)果顯示,由雌雄雜合子MX+/-交配得到的MX+/+∶MX+/-∶MX-/-為66∶75∶25,顯著低于按照孟德爾規(guī)則推測的1∶2∶1,且雄性MX-/-幾乎無生育能力。進一步觀察發(fā)現(xiàn),雄性MX-/-的睪丸明顯比MX+/+和MX+/-的小。透射電鏡分析觀察到在MX-/-的睪丸中精子周圍存在明顯的細胞間隙,而MX+/+的精子細胞緊密填充在曲細精管中,提示在曲細精管中精原細胞不能與支持細胞粘附。此外,在MX+/+的附睪尾部導(dǎo)管中充滿密集的精子,而MX-/-的精子數(shù)量大幅減少,這表明由于正在發(fā)育中的未成熟的精子從曲細精管上皮釋放進入了附睪中,MX-/-的精子生成受到了抑制。比較MX-/-和MX+/+的睪丸N-聚糖的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在MX-/-中,以乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)為末端的寡糖水平顯著降低。

上述試驗揭示,N-聚糖對于支持細胞和精原細胞的粘附以及精原細胞的分化都起著重要作用。

1.2 糖復(fù)合物與卵細胞的發(fā)育

當(dāng)卵母細胞由非生長狀態(tài)進入到生長期時,首先形成透明帶(ZP),ZP主要由糖蛋白構(gòu)成,糖鏈以O(shè)-連接和N-連接形式與蛋白質(zhì)連接,其中蛋白質(zhì)與糖的比例為(3∶1)～(5∶1)[2]。在小鼠中,ZP蛋白有3種,分別命名為ZP1、ZP2、ZP3。ZP3上的O-連接寡糖鏈能被精子頂體膜上的外周蛋白識別并特異性結(jié)合,精子質(zhì)膜對鈣離子的通透性增加,促使頂體深入到卵子的透明帶中,頂體釋放的酸性水解酶分解透明帶及卵黃膜,使精卵細胞質(zhì)融合[3]。經(jīng)一系列代謝變化,ZP3最終失去精子受體和誘導(dǎo)頂體反應(yīng)的活性,對其他精子不再發(fā)生反應(yīng),避免了多精子受精的出現(xiàn)。

2 糖復(fù)合物與受精

Aitken[4]認為,在受精開始階段,精子必須先與卵子表面的精子受體識別,才能實現(xiàn)精卵結(jié)合,這種特異性結(jié)合是同種精卵識別與受精的關(guān)鍵。精細胞在其發(fā)生、發(fā)育、成熟、獲能以及受精等不同階段,細胞膜表面發(fā)生很大變化[5-6]。美國Wassarman[7]的研究指出哺乳動物未受精卵有一層透明包被(即透明帶,ZP)是精子受體所在部位,精子表面有與之互補的“卵結(jié)合蛋白”,兩者專一的識別導(dǎo)致受精。

在受精階段,精子頭部表面和卵子透明帶表面的糖基互補和匹配構(gòu)成了同種精卵特異性結(jié)合的分子基礎(chǔ)。生化測定表明透明帶表面富有N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc),半乳糖(Gal)和唾液酸轉(zhuǎn)移酶[8]。未獲能精子表面的糖蛋白末端糖基為唾液酸,唾液酸分布于精子頭部質(zhì)膜和頂體膜上。當(dāng)同種精卵相遇時,卵子表面的唾液酸轉(zhuǎn)移酶可將精子表面的唾液酸轉(zhuǎn)移至透明帶的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)上,改變了透明帶表面的末端糖基,同時使精子表面的“卵結(jié)合蛋白”暴露,使精子和卵子達到相互識別和結(jié)合從而產(chǎn)生頂體反應(yīng),使精子穿過透明帶遇到卵子并與卵質(zhì)膜融合,同時卵子上的精子受體失活,整個受精過程結(jié)束[9]。

目前對精卵相互識別、粘連過程中細胞表面糖復(fù)合物的介導(dǎo)作用,研究較多的是海膽的受精。試驗表明,海膽精子與卵子卵黃層的結(jié)合是由結(jié)合素(bindin)介導(dǎo)[10]。結(jié)合素是精子表面的凝集素,是精子頂體顆粒的主要成份,它是在頂體反應(yīng)過程中通過這些顆粒的外排才暴露于精子表面[11-12]。結(jié)合素受體是卵子表面的一種糖蛋白,海膽卵子透明帶表面的糖復(fù)合物中巖藻糖、巖藻聚糖(Fueosan)、木聚糖(Xylan)都是通過與結(jié)合素顆粒的直接作用而抑制精卵的粘連[13]。而此3種抑制劑均富含巖藻糖,提示結(jié)合素的糖特異性可能與巖藻糖有關(guān)[14]。

3 糖復(fù)合物與著床

著床是指囊胚附著于子宮內(nèi)膜,進而植入子宮內(nèi)膜的過程。在植入準(zhǔn)備期和囊胚附著后,子宮內(nèi)膜和囊胚表面的糖復(fù)合物均發(fā)生了質(zhì)和量的變化[15],而這些變化也提示我們糖復(fù)合物參與了囊胚與子宮內(nèi)膜的識別與粘連。

3.1 子宮內(nèi)膜上皮的糖復(fù)合物變化

朱正美[16-17]觀察到人與家兔不同妊娠期子宮內(nèi)膜與非孕子宮內(nèi)膜比較,其鞘糖脂含量與組分均有明顯變化,尤以早孕期變化顯著。如家兔動情期內(nèi)膜未測得含單及雙糖基的中性糖脂CMH和CDH,而在著床后其含量驟增至29.2%與21.9%。酸性糖脂也以短糖鏈的GM3成倍增加。用凝集素組化染色還觀察到RCA、ConA的受體在早孕時由發(fā)情期的陰性轉(zhuǎn)為強陽性;此外,ConA,PNA,SBA、PSA等凝集素受體也明顯增加[18]。而應(yīng)用凝集素為探針觀察到不育癥患者射出精子表面凝集素受體和正常人的有明顯差異,頂體區(qū)的PSA、ConA、PNA、RCA-I四種 Lectin受體缺失,WGA受體密度下降[19-20]。

Chavez等[21]觀察到,妊娠第3天小鼠子宮內(nèi)膜上皮細胞表面糖被與發(fā)情期無明顯差異,均較厚,但隨著妊娠天數(shù)增加,糖被的厚度逐漸變薄,到著床前,表面糖被的厚度大大減少;但與β-D-Gal特異結(jié)合的RCA-I(蓖麻凝集素-I)的受體卻在妊娠第3天出現(xiàn),并隨妊娠進展而增加。陳蕙玲等[22]發(fā)現(xiàn)妊娠小鼠著床前,ConA受體明顯增多。

這些結(jié)果都提示,糖復(fù)合物的糖鏈部分參與了囊胚與子宮內(nèi)膜細胞的識別與粘連。

3.2 囊胚表面的糖復(fù)合物變化

哺乳類動物的胚胎在植入前也經(jīng)歷了復(fù)雜的糖基化過程。利用單克隆抗糖抗體,發(fā)現(xiàn)分裂時相的胚胎有紅細胞系列抗原表達[23-24]。包括紅細胞糖苷脂(Globoside)、福斯曼抗原和階段特異性胚胎抗原(SSEA)3和4,SSEA 3和4在卵生成時期合成。出現(xiàn)于卵及植入前囊胚膜上,植入后從滋養(yǎng)層細胞上消失,但在植入后發(fā)育階段于原始外胚層及其衍生部分重現(xiàn)[25]。

另外,Chavez等[26]用一系列熒光標(biāo)記的Leetin觀察了著床前后鼠囊胚表面Leetin受體變化情況,發(fā)現(xiàn) UEA(α-L-巖藻糖特異),ConA(甘露糖、葡萄糖特異),WGA(D-N-乙酰氨基葡萄糖及N-乙酰神經(jīng)氨酸特異)與囊胚有結(jié)合,但著床前后受體數(shù)目及分布并無差異。RCA受體在著床前小鼠囊胚上較多,但到著床時減少,PNA(花生凝集素)則不與第5天的囊胚結(jié)合,而與第6天的囊胚結(jié)合。Holmes等[27]用膠體鐵追蹤囊胚表面變化,發(fā)現(xiàn)在植入前酸性pH條件下膠體氯化鐵的攝入量是微不足道的,但在植入期或給雌激素后則明顯增加,這可能和囊胚植入前后自身表面糖復(fù)合物數(shù)量和種類的變化有關(guān)。

4 糖復(fù)合物與著床后胚胎發(fā)育

目前,在這方面研究比較深入的是N-聚糖對于胚胎的胚層發(fā)育、神經(jīng)發(fā)育、器官的形成以及血細胞的生成方面的影響。Stanley P等[28]發(fā)現(xiàn),如果缺乏N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶I(N-acetylglucosaminyltransferase I,合成N-聚糖必須的一種酶),胚胎的形態(tài)發(fā)育會受到影響,包括心臟發(fā)育反位畸形、細支氣管上皮形成缺陷、異常神經(jīng)管形成及血管形成受損等。另一研究表明,在胚胎發(fā)育期間,細胞粘附分子(LeY聚糖、整聯(lián)蛋白)和一些細胞因子如白血病抑制因子(LIF)、白細胞介素(IL-1、IL-6)、生長因子(EGF、VEGF、ICF、TGF 等),以及細胞外基質(zhì)(LN 、FN)、基質(zhì)水解酶類(MMP)等相關(guān)分子,充當(dāng)子宮內(nèi)膜微環(huán)境的“局部調(diào)節(jié)者”(local mediator),通過自分泌或旁分泌方式對胚胎生長發(fā)育進行精細調(diào)控[29]。

5 糖復(fù)合物與不育癥

Ahuja等[30-31]發(fā)現(xiàn)在精子成熟、獲能過程中若加入糖蛋白合成抑制劑或者用糖苷酸處理已獲能精子,通過蛋白糖基化受阻或膜上糖組分構(gòu)造的改變,最終都導(dǎo)致精子喪失受精能力,可推測,精子表面膜上的各種組分都有一定的生物學(xué)意義,寡糖結(jié)構(gòu)的變化可能影響精子膜的某些性質(zhì)使精子喪失受精能力,最終造成不育癥的產(chǎn)生。

綜上所述,糖復(fù)合物對精-卵和胎-母之間的識別與粘附起中介作用,保證了受精和著床的正常進行。糖復(fù)合物在生殖過程中的作用的研究,不僅使人們對細胞的識別、粘附和信號傳導(dǎo)的一般過程有了新的深入認識,而且使人們對糖復(fù)合物在生殖醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景充滿希望。

[1] F UKUDA M N,AKAMA T O.in vivo role of alpha-mannosidaseⅡineffective spermatogenesis resulting from targeted disruption of the M an2a2 in the mouse[J].BBA,2002(1573)：382-387.

[2] 朱正美.糖鏈與生殖[M].北京：北京科學(xué)出版社,2007.

[3] A LBERT S B,JOHNSON A,LEWIS J,et al.M olecular biology of the cell[M].New York and London：Garland Publishing Inc,1989：839-878.

[4] FAIN-MUN REL M A,DADOUNE J P,REGRE J F.A cytochemical study on surface charge and lectin-binding sites in epididymal and ejaculated spermatozoa of Macaca facicularis[J].A nat Rec,1984(208)：375.

[5] SINOWA TZ F,F RIESS A E.Localization of lectin receptors on bovine epididymal spermatozoa using a colloidal gold technique[J].Histochemistry,1983(79)：335.

[6] 王一飛.醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)[M].上海第二醫(yī)學(xué)院,1982.

[7] WASSARMAN P M,JOVINE L,LITSCHER E S.Mouse zona pellucid genes and gly coprotein[J].Cy togenetic Genome Res,2004,105(2-4)：228-234.

[8] 趙永荃.生精細胞之細胞化學(xué)研究進展[J].國外醫(yī)學(xué)(計劃生育分冊),1988(4)：193.

[9] 王麗梅.多聚唾液酸轉(zhuǎn)移酶的研究進展[J].中國生物工程雜志,2005,25(9)：24-28.

[10]WANG A L.T he relationship between the function of mannabinding lectin and disease[J].Journal of Medical Postgraduates,2002,15(5)：458-461.

[11]黃燕芳,鄭鳴.生殖周期不同階段子宮內(nèi)膜上皮凝集素受體的表達[J].中國現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志,2007,17(23)：147-152.

[12]石運芝,劉凱.凝集素DBA和WGA的受體在生殖周期小鼠子宮內(nèi)膜中的親合細胞化學(xué)[J].解剖學(xué)雜志,2003,26(6)：12-17.

[13]VACQUIER V D,MOY G W.Isolation of bindin：the protein responsible for adhesion of sperm to sea urchin eggs[J].Proe Natl Acad Sci USA,1977(74)：2456.

[14]李紅.巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶 FUT9、FUT4和FU T1基因在人子宮內(nèi)膜的表達及卵巢激素的調(diào)控[D].大連：大連醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)系,1983.

[15]郝晶,高英茂,劉凱,等.胚泡著床過程中小鼠子宮內(nèi)膜細胞表面糖基變化的研究[J].山東醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2001,39(1)：23-26.

[16]朱正美,程臘梅.細胞表面糖復(fù)合物與妊娠[J].生殖與避孕,1992,12(2)：3-6.

[17]朱正美,鄧會山,葉建南,等.人體子宮內(nèi)膜中性鞘糖脂和神經(jīng)節(jié)苷脂的含量和組成在月經(jīng)周期和妊娠時的變化[J].生物化學(xué)雜志,1989(5)：113.

[18]王建華.早孕期人子宮內(nèi)膜蛋白質(zhì)的變化[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,1999,30(1)：15-21.

[19]夏興中,孫冊.人射出的精子的糖苷水解酶活性[J].生物物理和生物化學(xué)學(xué)報,1989(21)：227.

[20]ISOJIM A S,KAMEDA K,TSUJI Y,et al.Establishment and characterization of a human hybridoma secreting monoclonal antibody with high titers of sperm immobilizing and agglutinating activities against human serminal plasma[J].J Repod Immunol,1987(10)：67.

[21]CHAVEZ D J,ANDERSON T L.The glycocalex of the mouse uterine luminal during estrus,early pregnancy,the peri-implantation period,and delayed implantation I,acquisitions of rlcinus communis 1 binding sites during pregnancy[J].Biol Reprod,1985,32(5)：1135-1142.

[22]陳蕙玲,周念輝,孫冊.ConA的抗著床效應(yīng)[J].生理學(xué)報,1988,40(2)：202-207.

[23]KANNAGI R,COCHRAN N A,ISHIQAMI F.Stage-specific embryonic antigens(SSEA-3 and-4)are epitopes of a unique globo-series ganglioside isolated from human teratocarcinoma cells[J].Embo J,1983,2(12)：2355-2361.

[24]SOLTER D,KNOWLES B B.Monoclonal antibody defining a stage-specific mouse embryonic antigen(SSEA-1)[J].Proc Natl Acad Sci USA,1978,75(11)：5565-5569.

[25]FOX N,DAMJANOV I,MARTINEZ-HERNANDEZ A.Immunohistochiemical localization of the early embry onic antigen(SSEA-1)in post-implantation mouse embryos and fetal tissues[J].Dev Biol,1981,83(2)：391-398.

[26]CHAVEZ D J,ENDERS A C.Temporal changes in lectin binding of peri-implantation mouse blastocysts[J].Dev Biol,1981,87(2)：267-276.

[27]HOLMES P V,DICKSON A D.Estrogen-induced surface coat and enzyme changes in the implanting mouse blastocy st[J].Embryo,1973(29)：639-645.

[28]STAN LEY P.Essential role for complex N-glycans in forming an organized layer of Bronchial epithelium[J].Proc Natl Acad Sci USA,1996,93(20)：11041-11046.

[29] 胡瑩,孔英,石英,等.纖維粘連蛋白、層粘連蛋白表達及分泌的影響[J].生殖醫(yī)學(xué)雜志,2003,12(1)：14-19.

[30]AHUJA K K.Fertilization studies in the hamster：the role of cel1-surface carbohy drates[J].Exp Cell Res,1982(140)：355.

[31]AHUJA K K.Inhibition of glycoprotein biosynthesis block fertilization in the hamster[J].Gamet Res,1985(11)：179.