鞘糖脂與腫瘤疾病相關性研究進展

金雪峰， 楊廣宇

生命體細胞質(zhì)膜中包含不同種類的脂質(zhì)組分，具有重要的結構和生物學特性。鞘糖脂(glycosphingolipids)是真核生物細胞表面的雙親性糖脂化合物，在細胞生長、分化、遷移、死亡等各個階段都起著重要作用，特殊種類的糖脂分子還顯示了針對神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、腫瘤、自身免疫疾病等重大疾病的潛在藥用價值?；谄渌_發(fā)的藥物及疫苗被廣泛應用于疾病的預防及治療。本文對鞘糖脂與腫瘤疾病相關性研究進展進行了綜述。

1 鞘糖脂介紹

鞘糖脂作為由親水性糖基基團及疏水性神經(jīng)酰胺以糖苷鍵相連而成的雙親性分子，在動植物、真菌及原核微生物細胞膜中均存在表達。因其獨特的結構而受到廣泛關注，是在生命體中具有重要生物學功能的一類糖脂。在脊椎動物中有超過400種不同種類的寡糖鏈被發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)酰胺結構相連接。根據(jù)寡糖鏈所含糖基的不同，哺乳動物中的鞘糖脂主要分為Ganglio-、Globo-、Isoglobo-、Lacto-、Neolacto-等種類[1]。糖基基團的復雜組合使多糖的種類及功能呈現(xiàn)多樣性。糖基化作為最復雜和最常見的翻譯后修飾之一，參與了受體激活、蛋白質(zhì)折疊、細胞信號轉導和細胞內(nèi)吞等特殊功能[2]。在細胞及生物體內(nèi)，多糖介導的結合互作不僅為一系列生理過程所必需，還與多種病理進程有關。細胞表面多糖的識別功能使其在細胞通訊、黏附和信號轉導中扮演關鍵角色[3]。而神經(jīng)酰胺作為鞘脂代謝的中心分子，由鞘氨醇堿基與脂肪酸鏈以酰胺鍵連接。該種分子在特定位置存在雙鍵和羥基化，且具有不同鏈長和飽和度的脂肪酸鏈，被認為在生長分化、囊泡轉運、凋亡和應激反應等多種細胞功能中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[4]。寡糖鏈、鞘氨醇堿基及脂肪酸等組成基團的多樣性，使鞘糖脂分子表現(xiàn)出種類繁多和結構復雜等特點，同時賦予其介導細胞識別黏附、信號轉導、免疫調(diào)節(jié)、突觸傳遞、質(zhì)膜蛋白調(diào)控等重要功能。針對鞘糖脂生物學功能的相關研究是糖組學及脂質(zhì)組學交叉領域的重點研究方向。

2 不同種類的鞘糖脂與腫瘤疾病的相關性研究

研究表明，鞘糖脂廣泛參與細胞內(nèi)及細胞間的信號傳遞，與細胞中重要功能蛋白及聚糖具有相互作用并且鞘糖脂之間存在相互作用關系，已被發(fā)現(xiàn)能夠通過多種分子機制發(fā)揮生物學效應[5]。鞘糖脂作為細胞膜表面的功能調(diào)節(jié)因子與人類疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關，特異性鞘糖脂及相關酶的異常表達常常能夠影響腫瘤的發(fā)生和惡性轉化。帶有不同多糖結構的鞘糖脂因在腫瘤疾病中具有多樣性表達特征及重要調(diào)節(jié)功能而被廣泛研究。

2.1Ganglio-系列鞘糖脂 根據(jù)寡糖鏈中唾液酸殘基的數(shù)量差異，Ganglio-系列鞘糖脂可分為GM、GD、GT等類型。該類鞘糖脂中的特殊分子能夠作為受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTKs)信號的精細調(diào)節(jié)因子，參與癌癥相關信號轉導。不少研究顯示其在腫瘤疾病的診斷、治療及預后等方面發(fā)揮重要作用。

2.1.1 GM3 GM3作為一種結構簡單的鞘糖脂，由單個唾液酸殘基、乳糖及神經(jīng)酰胺組成，其可顯著影響腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移。該分子能夠調(diào)節(jié)癌癥有關的受體或信號轉導途徑，介導與癌癥信號轉導相關的表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)、尿激酶纖維蛋白溶酶原激活(urokinase plasminogen activator receptor,uPAR)信號通路及富含糖脂的微結構域，在癌癥發(fā)病機制中發(fā)揮關鍵效應。GM3還可以通過抗血管生成或運動來抑制腫瘤細胞生長，具有潛在的抗腫瘤作用[6]。相關研究發(fā)現(xiàn)GM3與四跨膜蛋白CD9復合物通過與整聯(lián)蛋白與成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor,FGFR)相互作用來促進腫瘤細胞表型向正常細胞表型逆轉[7]。其能夠抑制膀胱癌細胞的增殖，降低細胞黏附以及EGFR磷酸化，外源性加入可明顯抑制膀胱癌小鼠模型中的腫瘤生長[8]。該分子能夠抑制人類表皮樣癌細胞系KB及A431的生長，其表達水平與細胞凋亡增強和細胞活力降低有關。而在A431細胞中加入GM3唾液酸殘基處含氯修飾的兩種衍生物顯示出比GM3更強的EGFR抑制作用，具有潛在抗腫瘤活性[9]。GM3通過下調(diào)EGFR和PI3K/AKT信號通路抑制肝癌細胞運動，被認為是影響肝癌細胞向淋巴結轉移的關鍵因素[10]。最新研究發(fā)現(xiàn)，采用化學酶法合成的以甘露糖結構代替乳糖的新型GM3類似物可抑制腫瘤細胞的生長和遷移[11]。而在針對乳腺癌患者血清的神經(jīng)節(jié)苷脂表達譜顯示，與健康志愿者相比，乳腺癌患者GM1、GM2、GM3、GD1和GD3水平呈上升趨勢。GM3作為主要的鞘糖脂成分，對腫瘤血清診斷準確率較高[曲線下面積(area under the curve,AUC)>0.9]。受試者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線顯示GM3對惡性腫瘤和良性血清的診斷具有較高準確性，可作為潛在的診斷生物標志物[12]。

2.1.2 NeuGcGM3 以神經(jīng)氨酸(N-glycolylated，NeuGc)替代唾液酸結構的GM3稱為NeuGcGM3，其廣泛表達于大多數(shù)哺乳動物，因編碼NeuGc合成酶的cmah基因缺失而在正常人體中不表達。但該類分子常在各種人類癌癥及胚胎組織中出現(xiàn)。NeuGcGM3已在包括乳腺癌、肺癌、黑色素瘤、神經(jīng)母細胞瘤以及多種消化系統(tǒng)腫瘤疾病中被單克隆抗體所檢測[13]?；谇侍侵x譜的相關研究顯示在黑色素瘤細胞中NeuGcGM3含量較高的患者其存活率較低[14]。對NeuGcGM3表達的小鼠淋巴細胞白血病B細胞進行cmah沉默能夠抑制抗體對細胞的毒性作用[15]。該分子在腫瘤中的選擇性表達特征使其成為免疫治療的潛在靶點，基于NeuGcGM3疫苗的安全性及療效觀察研究顯示其具有治療乳腺癌及黑色素瘤的潛力[16-17]。結合EGFR在腫瘤信號轉導中的作用以及NeuGcGM3的特異性表達，針對兩種分子的協(xié)同研究策略可能有助于癌癥疾病的治療。

2.1.3 GD3 GD系列鞘糖脂在糖基基團中攜帶雙唾液酸殘基。相關研究顯示，該類分子中的GD3和GD2在乳腺癌、黑色素瘤、神經(jīng)母細胞瘤、膠質(zhì)瘤和小細胞肺癌等許多類型的腫瘤細胞中呈高度和特異性表達，可作為相關抗原用于癌癥的免疫治療。GD3在黑色素瘤細胞中過表達能夠提高腫瘤微環(huán)境中肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)的易感性以及癌細胞與周圍組織的黏附[18]。富含GD3的胞外小泡能夠刺激黑色素細胞遷移，與該腫瘤細胞相關鞘糖脂GM3及GD3間的平衡關系不僅因α-N-乙酰神經(jīng)氨酸α-2，8-唾液酸轉移酶1(ST8 alpha-N-acetyl-neuraminide alpha-2,8-sialyltransferase 1,ST8SIA1)等合成酶的過度表達而改變，還可通過糖脂富集胞外小泡的轉運而發(fā)生變化。對GD3介導信號通路的相關分子p130Cas及樁蛋白(paxillin)進行RNA干擾強烈抑制黑色素瘤生長，是治療黑色素瘤的潛在靶點[19]。來自約翰霍普金斯醫(yī)院的一項研究表明，從卵巢癌腹水的脂質(zhì)組分中分離出的GD3與CD1d具有高度親和力，體內(nèi)給藥能夠抑制α-半乳糖神經(jīng)酰胺(α-galactosylceramide，α-GalCer)誘導的NKT細胞活化，且具有劑量依賴性[20]。并且卵巢腫瘤微環(huán)境中的GD3以唾液酸依賴性的方式介導細胞受體進而抑制T細胞活化[21]。上述研究提示GD3可能參與腫瘤免疫逃避的早期機制。

2.1.4 GD2 GD2能夠識別乳腺癌干細胞并促進腫瘤形成，被認為是乳腺癌干細胞特異性的表面標志物[22]，對GD3合成酶相關基因敲除能夠阻斷該效應。此外，GD2在神經(jīng)母細胞瘤、黑色素瘤及膠質(zhì)瘤中均有表達，針對其開發(fā)的抗糖脂抗體已被開發(fā)用于神經(jīng)母細胞瘤的免疫治療?；诳笹D2單克隆抗體ch14.18GD2、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子及白細胞介素2(interleukin-2,IL-2)的聯(lián)合免疫方案可顯著改善高危神經(jīng)母細胞瘤患者的預后[23]，已被批準用于治療兒童神經(jīng)母細胞瘤。特異性嵌合抗原受體T細胞(chimeric antigen receptor T cell,CAR-T)對轉移性黑色素瘤產(chǎn)生強烈快速的殺滅作用，阻斷程序性死亡受體1(programmed death 1,PD-1)可提高CAR-T細胞的存活率，促進對PD-1陽性腫瘤細胞的殺傷作用。采用聯(lián)合治療方法在疾病免疫治療中顯示出重要應用前景[24]。

2.2Globo-系列鞘糖脂 除了Ganglio-系列外，Globo-系列鞘糖脂也被發(fā)現(xiàn)在卵巢癌、肺癌、乳腺癌、腎癌等眾多的腫瘤疾病中出現(xiàn)異常表達。其中Gb3、Gb4、Gb5、階段特異性胚胎抗原-4(stage specific embryonic antigen-4,SSEA-4)和Globo-H等糖脂被發(fā)現(xiàn)與多種腫瘤疾病的進展和轉移存在密切聯(lián)系。

2.2.1 Gb3及Gb4 Gb3又稱Pk抗原，在胃癌患者及相關細胞系中被鑒定，其作為志賀毒素的作用受體能夠靶向胃癌細胞[25]。相關研究發(fā)現(xiàn)Gb3在大部分胰腺癌和結腸癌中呈高表達，而在部分惡性組織中缺失，提示其可能與腫瘤轉化有關[26]。此種糖脂在產(chǎn)生順鉑耐藥的非小細胞肺癌及惡性胸膜間皮瘤細胞表面表達增加，可能是腫瘤耐藥的特異性生物標志物。葡萄糖神經(jīng)酰胺合成酶活性抑制劑或Gb3受體毒素靶向治療可顯著降低上述腫瘤細胞對順鉑的獲得性耐藥[27]。另有研究表明，Globo-系列中的Gb4能夠在結腸癌細胞HCT116及乳腺癌細胞MCF7中通過與EGFR直接相互作用促進ERK激活，引起癌細胞增殖[28]。

2.2.2 Gb5及SSEA-4 Gb5也稱階段特異性胚胎抗原-3(stage specific embryonic antigen-3,SSEA-3)，以Gb4為底物通過β3GALT5的半乳糖基化催化作用合成。sialyl-Gb5是一種以Gb5為前體，通過α-2，3唾液酸化合成的糖脂，又稱為SSEA-4。由ST3GAL2編碼的唾液酸轉移酶被鑒定為特異性的SSEA-4合成酶。作為人類胚胎干細胞的細胞表面標志物，其異常表達與某些惡性腫瘤的分化和轉移有關。例如，乳腺癌細胞MCF-7的惡性程度高度依賴于SSEA-4及其在富含鞘糖脂微結構域中對c-Src和黏附斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的激活作用，特異性單克隆抗體可顯著增強癌細胞的侵襲及運動能力[29]。利用親核捕獲和糖芯片技術，在上述細胞中發(fā)現(xiàn)SSEA-4能夠與作為免疫大分子的FK506結合蛋白直接結合[30]，可能在機體免疫及癌癥發(fā)病中具有潛在生物學作用。翁啟惠針對Gb5、SSEA-4等糖脂在腫瘤疾病中的作用進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)SSEA-4在大部分的多形性膠質(zhì)母細胞瘤(glioblastoma multiforme,GBM)中呈陽性表達，與高級別星形細胞瘤相關[31]。一種SSEA-4特異性單抗在體外能夠針對SSEA-4高表達GBM細胞株產(chǎn)生補體依賴性的細胞毒性作用，抑制小鼠GBM生長。由于SSEA-4在GBM和許多其他類型的癌癥上表達，但在正常細胞上不表達，可能成為治療性抗體和疫苗開發(fā)的目標[31]。此外，研究團隊針對乳腺癌進行的有關工作揭示了Globo-系列糖脂及相關酶在腫瘤發(fā)病機制中具有的重要調(diào)控功能[32]。研究發(fā)現(xiàn)，帶有SSEA-3表達的乳腺癌干細胞在體內(nèi)及體外均表現(xiàn)出較高的致瘤性，β1，3-半乳糖基轉移酶(beta-1,3-galactosyl transferase 5,β3GALT5)作為負責合成SSEA-3的關鍵酶，其表達與腫瘤進程和患者生存率顯著相關。β3GALT5基因敲除能夠抑制SSEA-3的表達，導致癌細胞增殖降低及特異性凋亡增加，但對正常細胞無影響。SSEA-3與β3GALT5是乳腺癌干細胞特異性的潛在標志物。后續(xù)研究報道了Globo-系列糖脂及β3GALT5介導乳腺癌有關信號轉導途徑[33]。研究發(fā)現(xiàn)乳腺癌細胞中的鞘糖脂能夠分別與CAV1和FAK在脂筏中形成復合物，與AKT和受體蛋白激酶(receptor-interacting protein kinase,RIP)相互作用。合酶基因的敲除將破壞復合物形成，導致RIP分離并激活Fas死亡受體途徑，觸發(fā)癌細胞凋亡并抑制其轉移。在此基礎上進行的抗Globo-系列糖脂抗體聯(lián)用實驗被證實能夠協(xié)同抑制異種移植MCF7小鼠的腫瘤生長。

3 總結及展望

大量科學研究表明[5-6，34-35]，鞘糖脂廣泛參與細胞內(nèi)及細胞間的信號轉導，與眾多的腫瘤疾病、神經(jīng)退行性疾病、自免疫疾病以及鞘糖脂代謝缺陷疾病等人類重大疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。不同種類的鞘糖脂被發(fā)現(xiàn)參與腫瘤疾病相關分子機制，特異性鞘糖脂在腫瘤細胞的發(fā)生和惡性轉化過程中發(fā)揮關鍵性的調(diào)控作用，表現(xiàn)出對眾多腫瘤疾病的診斷及治療潛力，具有巨大應用價值。針對其在腫瘤方向進行的分子機制探究、抗腫瘤活性藥物開發(fā)、生物標志物篩選及檢測抗體制備等研究具有重要的醫(yī)學生物學意義。