聚糖在腫瘤轉(zhuǎn)移、免疫調(diào)節(jié)和治療中的特定作用

聶筆爻，戴蓓英，楊勇，王琛

(1.中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211198；2.中國藥科大學(xué)藥物科學(xué)研究院，江蘇 南京 211198；3.中國藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211198)

1 聚糖與糖基化

糖基化是常見的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)修飾方式，在細胞的正常發(fā)育和生理過程中起著至關(guān)重要的作用。通過多種糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶的嚴格調(diào)控和動態(tài)作用可以產(chǎn)生多種聚糖結(jié)構(gòu)，這些聚糖結(jié)構(gòu)可以游離存在，也可以通過糖基化修飾與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成糖蛋白。

糖蛋白中的聚糖主要分為3類：N-聚糖、O-聚糖和糖胺聚糖(glyeosaminoglycans，GAGs)。N-聚糖主要分為3種類型：高甘露糖類、混合類和復(fù)合類，它們都有一個共同的核心戊糖區(qū)域。O-聚糖通常密集地聚集在富含絲氨酸或蘇氨酸的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域上。GAGs是線性重復(fù)二糖單元的大鏈，可與蛋白質(zhì)相連或以游離糖形式出現(xiàn)[1-4]。大多數(shù)聚糖和糖蛋白存在于細胞膜的外表面，主要在細胞與細胞外環(huán)境之間的識別和相互作用、介導(dǎo)細胞黏附、細胞與細胞基質(zhì)間相互作用、細胞信號傳導(dǎo)以及宿主與病原體間相互作用過程中起重要作用[1-2,5]。

聚糖和糖蛋白表達的改變與多種疾病有關(guān)，例如先天性疾病、免疫缺陷病和癌癥。聚糖和糖蛋白的異常會導(dǎo)致細胞間黏附力受損、致癌信號通路激活、細胞轉(zhuǎn)移性增強[2,6-7]。許多惡性腫瘤會表達聚糖表位的不同亞群，包括截短的簡單O-聚糖、改變的N-聚糖分支、異常的唾液酸化、巖藻糖基化和GAGs。此外，聚糖還參與了相關(guān)糖蛋白對免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)。

2 癌癥中的聚糖與糖基化

2.1 癌癥中受體酪氨酸激酶的糖基化 受體酪氨酸激酶(RTKs)是經(jīng)過糖基化的跨膜細胞表面受體，可調(diào)節(jié)細胞信號傳導(dǎo)過程，癌細胞中RTKs基因或蛋白結(jié)構(gòu)糖基化的改變會導(dǎo)致受體的異常激活，從而驅(qū)動腫瘤細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。

RTKs(例如EGFR、FGFR、IGFR和PDGFR)激活后，每100個氨基酸中會出現(xiàn)更多的N-聚糖位點(8～16個)，從而刺激細胞增殖。抑制N-聚糖的形成，會誘導(dǎo)RTKs依賴的信號通路失活和RTKs依賴性癌細胞的生長停滯[8-10]。針對EGFR的研究表明，N-聚糖可以促進半乳糖凝集素介導(dǎo)的受體在細胞表面的停留，從而促進RTKs配體依賴性刺激[11-13]，促進腫瘤發(fā)展。相反，EGFR唾液酸化和巖藻糖基化的異常，會影響其二聚化及其在肺癌細胞中的激活[14]，抑制腫瘤發(fā)展。

2.2 癌癥中黏附分子的糖基化

2.2.1 聚糖和細胞間黏附 腫瘤的轉(zhuǎn)移和發(fā)展與細胞間黏附力的喪失密切相關(guān)，而癌細胞的聚糖結(jié)構(gòu)異?？梢蕴岣甙┘毎倪w移和侵襲能力，從而促進癌細胞的轉(zhuǎn)移[2]。E-鈣粘蛋白(E-cadherin)是一種跨膜糖蛋白，是上皮組織細胞中的主要黏附分子，在上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)過程中起關(guān)鍵作用。E-鈣粘蛋白上N-糖基化的改變會造成癌細胞中E-鈣粘蛋白功能的喪失[15-17]，消除E-鈣粘蛋白Asn-554位的異常N-糖基化可以抑制腫瘤發(fā)展[18-19]。研究表明，神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中E-鈣粘蛋白的N-糖基化能夠減弱細胞間黏附并促進腫瘤細胞遷移[20]。此外，O-甘露糖基化也可以調(diào)節(jié)E-鈣粘蛋白功能。功能性E-鈣粘蛋白表達高水平的O-甘露糖基化聚糖，而非功能性E-鈣粘蛋白會發(fā)生蛋白質(zhì)糖基化的改變，具體表現(xiàn)為 β1,6-GlcNAc支鏈化N-聚糖的增加和O-甘露糖基化聚糖的減少，這種改變有助于癌癥發(fā)展。

2.2.2 聚糖與細胞外基質(zhì)的相互作用 細胞外基質(zhì)(Extracellular matrix，ECM)是組織的非細胞部分，整聯(lián)蛋白家族中的表面受體主要參與細胞與ECM成分相互作用的過程，細胞與ECM相互作用的動態(tài)變化，特別是由聚糖調(diào)節(jié)的變化，對于腫瘤細胞的遷移和侵襲至關(guān)重要。

聚糖通過調(diào)節(jié)整聯(lián)蛋白功能，影響腫瘤細胞的遷移能力。β1,6-GlcNAc支鏈化的N-聚糖與二等分GlcNAc N-聚糖以相反的方式影響整聯(lián)蛋白的功能。胃癌細胞中，過表達MGAT5編碼的N-乙酰氨基葡萄糖氨基轉(zhuǎn)移酶V(GnT-V)顯著增強了整聯(lián)蛋白α3β1上 β1,6-GlcNAc支鏈N-聚糖的表達，導(dǎo)致了腫瘤細胞的遷移。相反，過表達N-乙酰氨基葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶Ⅲ(GnT-Ⅲ)催化二等分GlcNAc N-聚糖的形成，與GnT-V競爭對整聯(lián)蛋白的糖基化修飾抑制了胃癌細胞的遷移[21]。最新研究報道，卵巢癌細胞中CD82 Asn157處的N-糖基化可以抑制整聯(lián)蛋白信號傳導(dǎo)途徑，從而抑制卵巢癌細胞的遷移[22]。

整聯(lián)蛋白的巖藻糖基化和唾液酸化也參與其功能的調(diào)節(jié)。在HepG2肝癌細胞中，抑制巖藻糖基化減少了細胞的遷移，同時也抑制了整聯(lián)蛋白β1通過黏著斑激酶(FAK)介導(dǎo)的相關(guān)細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)[23]。半乳糖苷α2,3-唾液酸轉(zhuǎn)移酶3(ST3GAL3)在胰腺癌細胞中的過表達產(chǎn)生了高水平的唾液酸SLex和低水平的α2,6-唾液酸，α2,6-唾液酸連接在整聯(lián)蛋白α2β1的N-聚糖上，導(dǎo)致了FAK磷酸化的增強和胰腺癌細胞侵襲性表型的增加[24]。

2.3 癌癥相關(guān)GAGs和蛋白聚糖 GAGs分為5個主要類別：透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸皮膚素(dermatan sulfate，DS)、肝素(heparin)和硫酸乙酰肝素(heparin sulfate，HS)和硫酸角質(zhì)素(keratan sulfate，KS)。GAGs在哺乳動物中無處不在，并且與其他ECM成分(例如血漿蛋白，生長因子，細胞因子等)相互作用，在調(diào)節(jié)細胞行為和功能中起重要作用。蛋白聚糖由核心蛋白和共價連接到該蛋白上的GAGs組成，在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，參與調(diào)控許多生理和病理過程。根據(jù)位置，蛋白聚糖分為細胞內(nèi)，細胞表面和細胞外蛋白聚糖。

2.3.1 細胞內(nèi)蛋白聚糖 Serglycin是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種真正的細胞內(nèi)蛋白聚糖[25]，此外，研究發(fā)現(xiàn)serglycin也可以作為一種細胞外蛋白多糖。細胞內(nèi)serglycin可以介導(dǎo)白細胞生成并參與細胞因子和趨化因子的保留和分泌。 細胞外serglycin在細胞間相互作用中起著重要作用，并有助于轉(zhuǎn)移性細胞的外滲，定植和生長[26]。

2.3.2 細胞表面蛋白聚糖 細胞表面蛋白聚糖的兩個主要家族是多配體聚糖(syndecans)和磷脂酰肌醇聚糖(glypican)。Syndecan (SDC)家族由4個成員組成(SDC1、SDC2、SDC3、SDC4)，主要由HS鏈修飾，屬于硫酸肝素蛋白聚糖(heparan sulfate proteoglycan，HSPG)。人肝癌細胞中，SDC1表達缺失的癌細胞具有更高的轉(zhuǎn)移潛能[27]。此外，SDC1表達水平與結(jié)直腸癌的發(fā)生、分化和臨床分期有關(guān)[28]。研究表明，SDC2的上調(diào)與結(jié)直腸癌的發(fā)展相關(guān)，并促進肺癌和結(jié)直腸癌細胞的侵襲[29-30]。相反，SDC2表達水平的降低會誘導(dǎo)癌細胞凋亡，并抑制乳腺癌細胞的生長和轉(zhuǎn)移[31]。SDC3常在胰腺癌中高表達，與患者預(yù)后不良相關(guān)[32]。腎細胞癌與骨肉瘤中，SDC4過表達促進了癌細胞的發(fā)展和轉(zhuǎn)移[33-34]。

Glypican(GPC)家族由6種通過GPI(糖基磷脂酰肌醇)錨定到細胞膜外表面的HSPG組成[35]。GPC2和GPC3分別與神經(jīng)母細胞瘤和肝細胞癌的不良預(yù)后相關(guān)[36-37]，而GPC5已被報道在前列腺癌，肺癌和乳腺癌中具有抑癌作用[38-40]。

2.3.3 細胞外蛋白聚糖 細胞外蛋白聚糖，例如versican和perlecan是ECM的重要組成部分。Versican是一種較大的硫酸軟骨素蛋白聚糖，可以調(diào)節(jié)不同癌癥(包括乳腺癌、胃癌、腎癌、卵巢透明細胞癌和骨肉瘤)中腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[41-45]。小鼠的原發(fā)性乳腺癌模型中，癌細胞肺轉(zhuǎn)移前微環(huán)境中的髓樣祖細胞表達versican，而在骨髓中敲低versican減弱了癌細胞的肺轉(zhuǎn)移[46]。

Perlecan是一種存在于組織邊界處的硫酸肝素蛋白聚糖，與上皮細胞的異常增生有關(guān)。Perlecan在細胞和細胞間隙中結(jié)合各種生長因子，可促進前列腺癌、咽喉癌和口腔鱗狀細胞癌的腫瘤血管生成和轉(zhuǎn)移[47-50]。

ECM中聚糖含量或組成的改變會導(dǎo)致癌細胞表型的變化，有利于腫瘤的發(fā)展。鼠源乳腺癌細胞中過表達的透明質(zhì)酸會導(dǎo)致癌癥干細胞的擴增，并促進癌細胞的侵襲[51]。另一方面，透明質(zhì)酸酶1(haase1)在人前列腺癌細胞中的過表達加速了ECM的降解，增強了癌細胞的運動性和增殖能力，同時還加快了腫瘤對對轉(zhuǎn)移部位ECM的清除和侵襲。

3 糖基化和抗腫瘤免疫

3.1 凝集素和腫瘤免疫 凝集素(lectin)是一種聚糖結(jié)合蛋白，主要與細胞的識別和黏附有關(guān)[3]。腫瘤細胞的聚糖具有特異的表位，能夠通過凝集素等糖結(jié)合受體使細胞與微環(huán)境結(jié)合并相互作用。凝集素與聚糖識別后與免疫細胞受體結(jié)合能夠調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。

3.1.1 免疫球蛋白樣凝集素(siglecs) 大多數(shù)siglecs以順式或反式的形式結(jié)合唾液酸配體，同時N-糖基化糖蛋白也是siglecs的高親和力配體。研究表明，siglec-1可以與腫瘤抗原MUC1粘蛋白結(jié)合[52]，MUC1粘蛋白在多種腫瘤中異常高表達，且與不良預(yù)后相關(guān)[53]。此外，存在于免疫細胞上的siglec-9也能與MUC1顯著結(jié)合[54]。單核細胞和巨噬細胞上siglec-9與MUC1-唾液酸化Tn的依賴性結(jié)合可以促進與腫瘤進展相關(guān)因子的分泌[55]。Siglec-9也是MUC16粘蛋白的受體，其作為黏附分子可能介導(dǎo)抗腫瘤免疫反應(yīng)的抑制，促進卵巢腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移[56]。Siglec-7和siglec-9配體的水平在多種人類癌細胞上表達量大大提高，降低了癌細胞對自然殺傷(NK)細胞的敏感性[57-58]。此外，研究表明siglec-7以α2,6-連接的方式結(jié)合神經(jīng)節(jié)苷脂下調(diào)了NK細胞的細胞毒性，為腎癌細胞的存活和轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了有利的條件[59]。

Siglecs在免疫細胞中的保守特異性促使它們成為免疫療法的新目標。Siglec-2具有最高的保守特異性，主要結(jié)合以α 2,6-連接的唾液酸化配體[60]。在肺癌的轉(zhuǎn)移模型中，抗siglec-2的抗體減弱了癌細胞肺轉(zhuǎn)移并提高了小鼠的生存率[61]。

3.1.2 半乳糖凝集素(galectin) 半乳糖凝素是一種可溶性的蛋白質(zhì)，通過其糖類識別結(jié)構(gòu)域(carbohydrate reco-gnition domains，CRDs)與眾多糖基化受體相互作用，在細胞內(nèi)通過蛋白質(zhì)-聚糖或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用控制信號傳導(dǎo)來識別細胞外環(huán)境中的β-半乳糖苷。癌變過程中人β半乳糖苷α2,6-唾液酸轉(zhuǎn)移酶1(ST6GAL1)表達增加，導(dǎo)致半乳糖凝素與β1,6-支鏈聚糖的結(jié)合力增強[62]，這可能會遏制半乳糖凝素介導(dǎo)的細胞凋亡并促進腫瘤細胞存活。Galectin-3-N-聚糖復(fù)合物能夠抑制腫瘤特異性細胞毒性T細胞的活力[63]，galectin-3和CTLA-4上的復(fù)合N-聚糖相互作用可能會延遲該免疫檢查點受體的內(nèi)吞時間并延長T細胞活化后捕獲信號的傳遞時長[11]。Galectin-4與前列腺癌的進展及其晚期轉(zhuǎn)移有關(guān)[64]，同時也可能與肺腺癌的轉(zhuǎn)移有關(guān)[65]。Galectin-9與T 淋巴細胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin domain and mucin domain-3，TIM-3)的相互作用促進了髓樣抑制細胞的分化[66]。另外，galectin-9能夠以TIM-3依賴性的方式促進NK細胞的IFN-γ分泌[67]，相反地，可以通過不依賴TIM-3的途徑損害NK細胞的功能[68]。

3.2 糖基化與腫瘤免疫逃逸 臨床前研究表明，糖基化在腫瘤細胞逃避機體免疫監(jiān)視的功能中起重要作用。異常的聚糖結(jié)構(gòu)、截短的糖基化前體及其最終結(jié)構(gòu)會阻止有效的免疫反應(yīng)。 此外，腫瘤相關(guān)糖類抗原(tumor-associated carbohydrate antigens，TACA)不會引起強烈的適應(yīng)性免疫反應(yīng)，且其中許多具有免疫抑制特性[69]。在乳腺癌抗腫瘤免疫反應(yīng)中，β1,6-GlcNAc支鏈化N-聚糖的增加導(dǎo)致了CD4+T細胞和巨噬細胞的失活[70]。研究表明，O-聚糖中GalNAc的異常突變可以影響抗腫瘤免疫反應(yīng)，GalNAc糖基化的腫瘤抗原MUC1粘蛋白顯示對主要組織相容性復(fù)合物Ⅰ(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC Ⅰ)的抑制作用，并完全抑制了MUC1特異性的CD8+T細胞反應(yīng)。因此，O-聚糖的異常突變可能與CD8+T細胞的抗原呈遞受阻有關(guān)[71]。

隨著免疫檢查點抑制劑的出現(xiàn)以及免疫腫瘤學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們越來越多地開始研究糖基化對某些關(guān)鍵受體的作用。研究發(fā)現(xiàn)，PD-L1的免疫抑制活性受到N-糖基化的高度調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，通過糖原合酶激酶GSK3b介導(dǎo)的非糖基化PD-L1降解可減少細胞膜上PD-L1的表達，從而增強抗腫瘤免疫力，提示PD-L1免疫抑制可能主要取決于糖基化[72]。

4 基于聚糖和糖基化的癌癥治療

目前，基于聚糖的癌癥治療療法層出不窮，例如糖轉(zhuǎn)移酶抑制劑、聚糖靶向治療、糖基/糖肽疫苗和基于抗體的免疫療法。其中，糖轉(zhuǎn)移酶抑制劑是其中非常有潛力的領(lǐng)域。

研究發(fā)現(xiàn)，巖藻糖和唾液酸的類似物可用于抑制唾液酸轉(zhuǎn)移酶(sialyltransferases，STs)和巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶，降低髓樣細胞中巖藻糖和唾液酸的表達，使兩者與選擇素的結(jié)合能力降低[73]。大豆皂苷-1和AL10作為糖轉(zhuǎn)移酶抑制劑，可用于治療轉(zhuǎn)移性乳腺癌和肺癌。大豆皂苷-1可選擇性抑制α2,3-ST，從而抑制乳腺癌細胞系(MDA-MB-231)的遷移和轉(zhuǎn)移[74]。AL10具有細胞滲透性，作為唾液酸轉(zhuǎn)移酶抑制劑，能夠降低A549和CL1.5腫瘤細胞的遷移與黏附能力，且該藥無明顯細胞毒性[75]。因此糖基化藥物可用于無法耐受放射療法，化學(xué)療法和免疫療法導(dǎo)致的多種毒性的患者。

耶魯大學(xué)癌癥中心的Contessa實驗室小組發(fā)現(xiàn)一種有顯著療效的糖轉(zhuǎn)移酶抑制劑NGI-1。該抑制劑可選擇性靶向寡糖轉(zhuǎn)移酶(OST)復(fù)合物的亞基，該復(fù)合物在N-糖基化組成途徑中起著重要作用。但NGI-1僅能夠選擇性抑制那些具有EGFR依賴性細胞的增殖，因此該藥物可能會被用于RTKs依賴性的癌癥患者[76]。最新研究發(fā)現(xiàn)，免疫檢查點分子B7-H4在冷腫瘤三陰性乳腺癌中普遍表達，利用NGI-1抑制B7-H4糖基化導(dǎo)致其泛素化與降解，改善了用阿霉素處理的癌細胞的免疫原性，增強了樹突狀細胞的吞噬作用并發(fā)生了CD8+T細胞免疫應(yīng)答[77]。

此外，半乳糖凝集素結(jié)合/抑制糖蛋白也正在開發(fā)中，可能在癌癥治療中被應(yīng)用。最新研究顯示，嵌合信號肽-半乳糖凝集素-3偶聯(lián)物(sGal-3)可以優(yōu)先與腫瘤細胞表面的β1整聯(lián)蛋白結(jié)合，通過觸發(fā)癌聚糖-β1/鈣蛋白酶/caspase-9促凋亡信號級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)潛在的特異性癌細胞死亡[78]。

5 總結(jié)和展望

綜上所述，癌癥中糖基化異常與聚糖的改變在腫瘤發(fā)展、免疫調(diào)節(jié)及癌癥治療中扮演重要角色。因此了解異常糖基化背后的潛在機制可以更好地幫助我們診斷和治療癌癥，其中靶向腫瘤相關(guān)聚糖或糖肽的免疫療法，具有治療癌癥的極大潛力。腫瘤細胞相關(guān)糖基化與糖蛋白的研究對癌癥生物學(xué)的進展起著關(guān)鍵作用，隨著我們對糖基化及其對抗腫瘤免疫作用的進一步研究，我們對免疫生物學(xué)將有更深入的了解，并將會為新型癌癥治療策略奠定堅實的基礎(chǔ)。