糖基轉(zhuǎn)移酶與膀胱癌關(guān)系的研究進(jìn)展

張 晗，汪淑晶

(大連醫(yī)科大學(xué) 生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室 糖生物研究所，大連116044)

近年來，糖生物學(xué)對于了解腫瘤發(fā)生機(jī)制發(fā)揮了重要作用，同時(shí)它也為診斷和治療提供了一系列靶點(diǎn)，許多蛋白質(zhì)、脂類以及化學(xué)小分子藥物都存在不同的糖基化修飾，而這些糖基化修飾的產(chǎn)物在新藥開發(fā)領(lǐng)域具有重要意義。因此，糖生物學(xué)在腫瘤研究方面的重要性不斷增加。在人類與疾病的關(guān)系中,糖基化作為一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)機(jī)制控制多個(gè)病理生理過程，它的缺陷表明哺乳動物糖組中包含了大量值得關(guān)注的生物信息[1]。

1 糖基轉(zhuǎn)移酶概述

糖基轉(zhuǎn)移酶是糖蛋白以及糖脂中糖鏈生物合成的關(guān)鍵酶之一,其活性的異常表達(dá)與腫瘤以及免疫系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展有密切關(guān)系[2]。真核生物中超過50%的蛋白質(zhì)都具有糖基化修飾。目前發(fā)現(xiàn)的糖基轉(zhuǎn)移酶有100多種，它們主要分布在高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，作用是把與其相應(yīng)的活性供體(如二磷酸核苷NDP-糖等)的單糖部分轉(zhuǎn)移到糖、脂類及蛋白質(zhì)等，進(jìn)而對后者進(jìn)行糖基化加工，實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能[3]。

1.1 糖基轉(zhuǎn)移酶的分類及結(jié)構(gòu)

根據(jù)糖鏈與蛋白質(zhì)的不同連接方式可將糖蛋白分為兩種，N-連接糖蛋白和O-連接糖蛋白。O-連接糖蛋白糖鏈的生物合成主要在高爾基體內(nèi)進(jìn)行, 是將單糖以核苷酸糖的形式逐漸加在多肽的絲氨酸或蘇氨酸上[4]。N-糖鏈的合成一般需要借助一個(gè)磷酸多萜醇形成共同的脂多糖前體:Glc3Man9(GlcNAc)2-P-P-Dol, 并將其加在新生多肽糖基化位點(diǎn)Asn-X-Ser /Thr中的Asn上(X是除脯氨酸外的任意氨基酸)。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的相應(yīng)糖基轉(zhuǎn)移酶催化下形成的該前體中的寡糖。 這些寡糖是以核苷二磷酸糖為供體，按順序加上GlcNAc (N-乙酰氨基葡萄糖)、Man (甘露糖)、Glc(葡萄糖)形成的，然后再經(jīng)兩步糖苷酶作用形成(Man) 5 (GlcN Ac) 2-P-PDol-Asn, 之后再從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)送至高爾基體, 經(jīng)過一系列的糖苷酶及糖基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)一步加工后形成最終的糖蛋白[5]。

1.2 糖基轉(zhuǎn)移酶的功能

糖基化是蛋白質(zhì)翻譯后重要的修飾形式之一，糖鏈對于生長發(fā)育等生理功能具有調(diào)節(jié)作用。抑制細(xì)胞表面糖鏈的形成會導(dǎo)致細(xì)胞生長行為的改變，黏附和遷移能力的減弱，更有一些N-型糖鏈直接參與了細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的接觸和黏附，這對腫瘤轉(zhuǎn)移具有十分重要的意義[6]。但是在細(xì)胞中，不同功能階段可能會存在著不同的糖鏈結(jié)構(gòu)表達(dá)，而這也同樣影響著細(xì)胞的生物學(xué)功能。細(xì)胞內(nèi)的糖基轉(zhuǎn)移酶催化合成不同的糖鏈，它的表達(dá)水平及活性的高低更是直接決定了糖鏈的合成。例如：細(xì)胞發(fā)生惡變時(shí),由于糖基轉(zhuǎn)移酶或者糖苷酶的失活或者某些在胚胎時(shí)期活躍成熟后趨于靜止的酶被激活,并由此引起細(xì)胞表面糖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[7]。因此,深入探索研究這些腫瘤相關(guān)糖基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)量改變,對于腫瘤的早期診斷、監(jiān)測、預(yù)后評估以及新的治療靶點(diǎn)探尋都具有重要意義。

2 糖基轉(zhuǎn)移酶與膀胱癌

膀胱癌是發(fā)生在膀胱黏膜上皮組織上的一種惡性腫瘤，其發(fā)病率位于男性腫瘤第4位，女性腫瘤第11位[8]。膀胱癌是泌尿系統(tǒng)中最常見的腫瘤，其早期診斷和個(gè)性化治療是治療取得成功的關(guān)鍵[9]。根據(jù)2012年的分析監(jiān)測和流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其術(shù)后復(fù)發(fā)率高，預(yù)后不良等問題仍未解決，相關(guān)化療藥物價(jià)格昂貴、并發(fā)癥嚴(yán)重以及副作用多的問題仍然存在[10]。因此尋找一個(gè)有效的診斷及治療靶點(diǎn)仍是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，糖生物學(xué)令膀胱癌生物學(xué)行為的研究及新的相關(guān)腫瘤標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)成為了可能[11]。

2.1 巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶與膀胱癌

巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶是催化核苷二磷酸巖藻糖將巖藻糖基轉(zhuǎn)移至受體分子的一類己糖基轉(zhuǎn)移酶。目前已知的巖藻糖基化轉(zhuǎn)移酶有13個(gè)[12]。分4類：第1類，包括Fut1和Fut2，與α-1,2巖藻糖苷鍵合成有關(guān)；第2類，包括Fut3、4、5、6、7和9，與α-1,3/4巖藻苷鍵合成有關(guān)；第3類，主要是Fut8，與α-1,6巖藻糖苷鍵合成有關(guān)；第4類，包括Fut10和Fut11[13]。巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)量的異常在腫瘤生長、侵襲、轉(zhuǎn)移、免疫逃逸以及藥物敏感性方面發(fā)揮作用。α-1,6巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶(FUT8)是唯一一個(gè)能夠催化核心巖藻糖合成的糖基轉(zhuǎn)移酶，而核心巖藻糖的修飾是糖蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾的重要方式，它的表達(dá)量變化更與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)前已有研究發(fā)現(xiàn)，在肺癌[14]、肝癌[15]及卵巢癌[16]等腫瘤組織中都有FUT8的高表達(dá)。雖然巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶與膀胱癌的研究還相對缺乏，但已有研究證明，它在膀胱癌中表達(dá)量異常增加[17-18]。如：Fut1在膀胱癌中表達(dá)水平受鈣網(wǎng)蛋白調(diào)控，鈣網(wǎng)蛋白能夠通過Fut1對β1整合素進(jìn)行α1，2-巖藻糖基化修飾從而調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附和膀胱移行細(xì)胞癌的轉(zhuǎn)移，而在這個(gè)過程中，F(xiàn)ut1的表達(dá)量異常增加。

2.2 N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶與膀胱癌

N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶(GlcNAcT或GnT)是一類重要的糖基轉(zhuǎn)移酶, 它是一組催化轉(zhuǎn)移GlcNAc的酶。在腫瘤發(fā)生過程中，β-1,6-分支型N連接聚糖在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)量增加經(jīng)常發(fā)生。GnT-V是由β-1,6-N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶5基因編碼，MGAT5的表達(dá)是由RAS-RAF-MAPK信號傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)，它在腫瘤發(fā)生時(shí)被激活。研究發(fā)現(xiàn)，GnT-V表達(dá)與腫瘤分級和分期相關(guān)，影響這種生物學(xué)行為的主要原因可能是它能夠改變細(xì)胞表面某些糖蛋白如鈣黏蛋白、整合素及細(xì)胞表面生長因子受體的β-1,6-分支結(jié)構(gòu)，從而影響了腫瘤的生物活性。而N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶Ⅲ (GnT-Ⅲ)則是一種能夠催化生成N-聚糖核心β1,4-甘露糖上的平分型乙酰氨基葡萄糖糖基轉(zhuǎn)移酶并且抑制N-聚糖合成過程中其他糖基轉(zhuǎn)移酶的作用的特殊糖基轉(zhuǎn)移酶,它通過影響N-聚糖結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)糖蛋白的功能。已有研究表明，GnT-Ⅲ能夠抑制腫瘤的遷移與侵襲能力[19]，并在腎癌等多種腫瘤中表達(dá)量減少。在膀胱癌中，GnT-V在低級/淺表性膀胱癌中的表達(dá)量明顯高于高級/侵襲性癌，GnT-V高表達(dá)與GnT-V低表達(dá)的腫瘤患者相比，生存期明顯延長[20-21]。GnT-V同時(shí)也被發(fā)現(xiàn)與肝癌[22]，非小細(xì)胞肺癌[23]等相關(guān)。同時(shí)也有研究認(rèn)為另一種β-1,6-N-乙酰葡萄糖胺基轉(zhuǎn)移酶GnT-IX也與膀胱癌有關(guān)，它可能增加了正常膀胱上皮中β-1,6-分支鏈寡糖的表達(dá)量。

2.3 唾液?；D(zhuǎn)移酶與膀胱癌

唾液酸是一種位于糖鏈末段的帶有負(fù)電荷的九碳單糖，能夠與細(xì)胞膜表面脂蛋白、糖蛋白的脂質(zhì)結(jié)合，是重要的生物信息傳遞分子。唾液?；D(zhuǎn)移酶是一類能夠?qū)⑼僖核嵬ㄟ^α2,3-和α2,6-兩種連接方式連接在Gal或GalNAc上，也可以α2,8-的連接方式結(jié)合唾液酸蛋白上的糖基轉(zhuǎn)移酶[24]。根據(jù)轉(zhuǎn)移唾液?；笮滦纬傻牟煌擒真I類型把唾液?；D(zhuǎn)移酶進(jìn)一步分為4類: ST3Gal I-VI、ST6Gal I-II、ST6GalNAc I-VI 以及ST8Sia I-VI[25]。與腫瘤相關(guān)的其他主要唾液酸化抗原是SLEa和SLex，經(jīng)證實(shí)其在許多惡性腫瘤中高表達(dá)，并與腫瘤預(yù)后不良有關(guān)[26]。

2.3.1 α-2，3連接唾液酸與膀胱癌

α-2,3-連接的唾液?；D(zhuǎn)移酶ST3Gal III, ST3Gal IV和ST3Gal VI是介導(dǎo)SLea和SLex合成的關(guān)鍵酶。SLea和SLex是選擇素配體，屬于C-型凝集素家族的血管細(xì)胞黏附分子。在腫瘤中，SLex通過加強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞與選擇素相互作用從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移。ST3Gal Ⅲ優(yōu)先作用于I型鏈[Gal(β1-3)GlcNAc]并參與SLea合成，但它也可催化參與II型鏈[Gal(β1-4)GlcNAc]的唾液酸化并參與SLex合成。 另一方面，ST3Gal IV唾液酸化Ⅲ型[Gal(β1-3)GalNAc]單元并且由II型單元進(jìn)行SLex合成的。 ST3Gal VI對II型結(jié)構(gòu)進(jìn)行唾液酸化[27]。研究發(fā)現(xiàn)，ST3Gal在非肌層浸潤性膀胱癌中的mRNA水平顯著高于正常對照尿路上皮組織,而在肌肉侵犯型膀胱癌中又明顯高于非肌肉侵犯型[28]。同時(shí)，ST3Gal的異常表達(dá)還與腫瘤相關(guān)T抗原有關(guān)，腫瘤相關(guān)T 抗原是一類以Gal NAc-selr /Thr 或Galβ1-3 GalNAc-ser/ Thr 為核心、通過不同的糖基轉(zhuǎn)移酶協(xié)同作用而形成的一系列O-聚糖結(jié)構(gòu)[29], 被稱為Thomsen -Friedenreieh抗原的就是它的核心結(jié)構(gòu)，也可簡稱為TF抗原或T抗原。ST3Gal-I負(fù)責(zé)T抗原的不可逆轉(zhuǎn)性的唾液酸化從而形成STn抗原[30]。因此ST3Gal-I與膀胱癌的惡性行為密切相關(guān)。

2.3.2 α-2,6連接唾液酸與膀胱癌

α-2,6-唾液?；D(zhuǎn)移酶通常在細(xì)胞表面進(jìn)行表達(dá),它能夠催化已活化的唾液酸通過α-2,6-糖苷鍵連接在細(xì)胞膜表面的N-乙酰乳糖胺上，并由此成為腫瘤細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行相互識別的重要受體。研究表明，ST6Gal系列唾液酸酰基轉(zhuǎn)移酶在腫瘤組織，特別是轉(zhuǎn)移癌中呈高表達(dá)。目前發(fā)現(xiàn)，ST6Gal I的表達(dá)與活性在很多惡性腫瘤，如結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌等均存在不同程度的上調(diào)[31]。臨床研究表明，ST6Gal I表達(dá)的增高預(yù)示著預(yù)后不良，而在膀胱癌中ST6Gal I表達(dá)量減少，經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)這與ST6Gal I的啟動子甲基化相關(guān)，這表明ST6Gal I在進(jìn)展期膀胱癌中可能發(fā)揮著抑癌作用[32]。另一種α-2,6-唾液酸?；D(zhuǎn)移酶ST6GalNac I則被發(fā)現(xiàn)在惡性度較高的膀胱癌組織中過表達(dá)，這種改變與STn抗原有關(guān)[33]。

2.3.3 α-2,8連接唾液酸與膀胱癌

ST8Sia唾液?；D(zhuǎn)移酶能將CMP-Sia上的唾液酸以α-2,8-糖苷鍵的形式轉(zhuǎn)移到糖鏈末端。目前發(fā)現(xiàn)ST8Sia唾液?；D(zhuǎn)移酶的異常表達(dá)與多聚唾液酸結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。多聚唾液酸結(jié)構(gòu)以α-2,8-糖苷鍵相互串聯(lián)的十幾個(gè)唾液酸共同構(gòu)成的一種均一的多聚線性結(jié)構(gòu)，主要是由ST8Sia II(也稱為STX)與ST8Sia4VI(也成為PST)催化合成的。這種線性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致細(xì)胞膜上黏附分子距離增大，黏附能力減弱，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。ST8Sia唾液?；D(zhuǎn)移酶的表達(dá)還與神經(jīng)節(jié)苷脂的合成密切相關(guān)[34]，神經(jīng)節(jié)苷脂中的唾液酸結(jié)構(gòu)能與Siglec結(jié)合，介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的體內(nèi)轉(zhuǎn)移。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，糖基化修飾的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸等化合物在體內(nèi)承擔(dān)著重要的生物學(xué)功能，而細(xì)胞膜表面的異常糖基化修飾又與糖基轉(zhuǎn)移酶的異常表達(dá)密切相關(guān)，并由此進(jìn)一步影響細(xì)胞的生物學(xué)行為。當(dāng)前研究表明，在腫瘤發(fā)生發(fā)展的增殖、分化、血管形成及遷移侵襲等不同階段均有不同的糖基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)異常，而不同的糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)錄機(jī)制各不相同，故而對其相關(guān)機(jī)制的進(jìn)一步深入探索研究具有重要意義。近年來，隨著聚糖分析的新技術(shù)和新方法的出現(xiàn)，許多腫瘤相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶被發(fā)現(xiàn)。針對腫瘤相關(guān)聚糖抗原的血清抗體已作為生物標(biāo)志物用于早期癌癥檢測的潛能。由于糖生物學(xué)領(lǐng)域新知識的不斷發(fā)掘，糖基轉(zhuǎn)移酶調(diào)節(jié)生理功能機(jī)制不斷探索，糖基轉(zhuǎn)移酶作為新的膀胱癌診斷及治療靶點(diǎn)具有重要意義。

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