蛋白質(zhì)糖基化與疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

李佳麗綜述 宋澤慶，2，劉剛審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000；

2.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬深圳市龍華區(qū)中心醫(yī)院，廣東 深圳 518110；

3.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究中心，廣東 湛江 524000

蛋白質(zhì)糖基化是一種常見且重要的翻譯后修飾，其特征是通過酶促反應(yīng)在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下以糖苷鍵的形式與蛋白質(zhì)特定氨基酸殘基共價(jià)結(jié)合的過程[1]，涉及數(shù)百種糖基轉(zhuǎn)移酶和糖水解酶，主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的特定位置，以各種方式參與基本生物學(xué)過程。糖基化在蛋白質(zhì)折疊、靶向轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞定位、細(xì)胞間信號(hào)傳遞、細(xì)胞遷移、增殖及分化中具有重要作用[2]，促進(jìn)生物體蛋白質(zhì)組擴(kuò)展、超出基因組編碼范圍[3]，同時(shí)參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展[4]，現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)糖基化與自身免疫性疾病、腫瘤及炎癥性疾病關(guān)系的研究進(jìn)行綜述。

1 糖基化修飾分類

根據(jù)糖基化位點(diǎn)不同可分為N-糖基化(N-glycan)、O-糖基化(O-glycan)、C-甘露糖化和糖基磷脂酰肌醇錨定連接，其中以N-糖基化和O-糖基化最為常見[5]。N-糖基化是指在糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下，聚糖與天冬酰胺殘基形成糖苷鍵的過程。N-糖基化始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、完成于高爾基體、定位于細(xì)胞表面[6]，包括三個(gè)主要亞型：雜交型、復(fù)合型和高甘露糖型，三個(gè)亞型有一個(gè)共同的五糖核心：Man3-GlcNAc2-Asn[7]。O-糖基化是指通過糖基轉(zhuǎn)移酶或糖苷酶將寡糖中的N-乙酰半乳糖與絲氨酸或蘇氨酸羥基形成共價(jià)結(jié)合的過程[8]，主要發(fā)生在高爾基體中。O-糖基化主要包括O-乙酰氨基葡萄糖、O-N-乙酰半乳糖胺、O-葡萄糖、O-甘露糖、O-巖藻糖等[9]。與N-糖基化相比，O-糖基化生物合成過程更直接，它不需要共有序列或多利醇前體進(jìn)行合成[10]。

2 糖基化主要生物學(xué)功能

蛋白質(zhì)糖基化涉及多種基本生物學(xué)過程，在蛋白質(zhì)折疊、靶向轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞定位、細(xì)胞間信號(hào)傳遞、細(xì)胞遷移、增殖及分化中具有重要作用[11]。N-糖基化通過糖苷酶和糖基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的聚糖加工和結(jié)合反應(yīng)的相互作用，在蛋白質(zhì)折疊、質(zhì)控及維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)中具有重要意義[12]。研究發(fā)現(xiàn)，N-糖基化由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的寡糖基轉(zhuǎn)移酶(oligosaccharyltransferase，OST)復(fù)合物催化，OST復(fù)合體包含幾個(gè)亞單位(核糖磷蛋白、MagT1、DAD1和STT3A等)[13]。STT3A主要參與新生多肽的共翻譯修飾，抑制OST復(fù)合體中的STT3A會(huì)影響蛋白質(zhì)糖基化，從而干擾細(xì)胞中正確的蛋白質(zhì)折疊，導(dǎo)致免疫、癌癥等病理并發(fā)癥發(fā)生[14]。O-糖基化具有多種生物學(xué)功能，參與造血、炎癥反應(yīng)和血型抗原合成等，涉及包括細(xì)胞凋亡、信號(hào)傳導(dǎo)及腫瘤發(fā)生發(fā)展在內(nèi)的多種細(xì)胞過程[15-16]。一般來(lái)說(shuō)，O-糖基化黏蛋白主要在多種腫瘤細(xì)胞中表達(dá)，通過誘導(dǎo)各種致癌信號(hào)分子，促進(jìn)細(xì)胞間相互作用、細(xì)胞-基質(zhì)間相互作用，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移[17]。研究表明，促炎細(xì)胞因子可通過調(diào)節(jié)糖基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)水平，從而調(diào)控細(xì)胞表面蛋白糖基化來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞表面特異性抗原的表達(dá)，這些抗原可被不同類型的凝集素或細(xì)菌黏附素識(shí)別，有助于炎癥發(fā)展[18]。此外，糖基化還參與遺傳代謝過程。胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)在生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳代謝中發(fā)揮核心作用。IGF-1R成熟分泌需要IGF-1R前體發(fā)生N-糖基化，N-糖基化突變可影響IGF-1信號(hào)傳導(dǎo)，損傷IGF-1系統(tǒng)，從而引發(fā)機(jī)體出現(xiàn)一系列臨床癥狀，包括生長(zhǎng)遲緩、大腦發(fā)育不全、肌肉無(wú)力、內(nèi)分泌和肝功能異常[19]。

3 糖基化與疾病

大量研究表明，糖基化參與多種生物學(xué)過程，具有重要生物學(xué)功能及意義。異常糖基化與許多疾病有關(guān)，包括自身免疫性疾病、腫瘤、炎癥性疾病等。

3.1 自身免疫性疾病在真核細(xì)胞中，糖基化在信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞分化、免疫應(yīng)答中具有重要作用，參與自身免疫性疾病的發(fā)生和發(fā)展[20]。自身免疫性疾病是由于免疫失調(diào)導(dǎo)致炎癥和多器官受累的一類疾病[21]。幾乎參與自身免疫系統(tǒng)中的免疫分子都屬于糖蛋白，人類免疫球蛋白G(IgG)是一組與自身免疫有關(guān)的糖蛋白。IgG抗體糖基化通過激活Ⅰ型和Ⅱ型Fc受體以及補(bǔ)體經(jīng)典、旁路、MBL途徑調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[22]，從而導(dǎo)致細(xì)胞病理改變，在多種自身免疫性疾病診斷和治療中有重要意義[23]?？贵w糖基化主要有半乳糖基化、唾液酸糖基化、巖藻糖基化等[24]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)患者IgG半乳糖基化水平顯著降低，表明IgG半乳糖基化降低與RA全身炎癥和關(guān)節(jié)破壞相關(guān)[25]。學(xué)者們?cè)谙到y(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)患者血清IgG中觀察到半乳糖基化、唾液酸化、核心巖藻糖基化降低和對(duì)分N-乙酰氨基葡萄糖增加，并發(fā)現(xiàn)SLE患者lgG糖組分改變程度與疾病進(jìn)展有關(guān)，表明異常IgG糖基化改變可能是SLE重要的發(fā)病分子機(jī)制之一[26]。此外，在狼瘡小鼠模型中也發(fā)現(xiàn)了低IgG半乳糖基化水平[27]。相反，也有學(xué)者報(bào)道，IgG半乳糖基化水平低的人患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)更高[28]。研究表明，抗體糖基化還可能介導(dǎo)其促炎或抗炎活性參與疾病發(fā)展。唾液酸化IgG抗體具有抗炎功能，可將炎癥性抗體轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡仔钥贵w，從而減輕關(guān)節(jié)炎和狼瘡腎炎小鼠模型中器官炎癥損傷[29]。綜上所述，異?？贵w糖基化改變不僅可能是診斷免疫性疾病的潛在生物標(biāo)志物，還可能作為治療自身免疫性疾病的潛在靶點(diǎn)，但其具體作用機(jī)制尚未完全明確，需要進(jìn)一步探究。

3.2 腫瘤已有大量研究證實(shí)，蛋白質(zhì)糖基化改變與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[30]。O-糖基化黏蛋白主要在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)，可誘導(dǎo)致癌信號(hào)分子，增強(qiáng)細(xì)胞間、細(xì)胞-基質(zhì)間相互作用，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展[31]。如核心1β1,3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶通過調(diào)節(jié)黏蛋白1的O-糖基化促進(jìn)MUC1-C/β-連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)，有助于乳腺癌惡性進(jìn)展[32]。細(xì)胞表面糖蛋白CD44在腫瘤細(xì)胞中經(jīng)常發(fā)生O-糖基化改變，在結(jié)腸癌細(xì)胞中，CD44 O-糖基化可與內(nèi)皮E-選擇素結(jié)合，從而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[33]。研究表明，由FUCA1介導(dǎo)的蛋白質(zhì)去巖藻糖基化與腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移有關(guān)，可作為一個(gè)良好預(yù)后指標(biāo)[34]。此外，糖基化還可能影響鈣黏蛋白細(xì)胞間黏附性和穩(wěn)定性，通過調(diào)節(jié)β1,6-GlcNAc分支的GnT-V表達(dá)上調(diào)，改變N-鈣黏蛋白功能，從而導(dǎo)致人類纖維肉瘤細(xì)胞黏附喪失和腫瘤細(xì)胞侵襲[35]。相反，據(jù)報(bào)道，從E-鈣黏蛋白中去除特定的N-糖基化可增強(qiáng)鈣黏蛋白-連環(huán)蛋白復(fù)合物相互作用，從而穩(wěn)定細(xì)胞間黏附性[36]。已有證據(jù)表明，異常糖基化可改變錨定蛋白和細(xì)胞外基膜蛋白功能從而影響細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用，導(dǎo)致各種病理狀況，包括肌營(yíng)養(yǎng)不良、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等[37-38]。如Wnt信號(hào)成分糖基化類型改變，可使β-連環(huán)蛋白表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)EGFR及AKT磷酸化，從而誘導(dǎo)口腔癌細(xì)胞遷移和侵襲。相反，EGFR糖基化缺失則顯著減少了癌細(xì)胞遷移[39]。因此，異常糖基化介導(dǎo)的致癌EGFR信號(hào)及其下游通道在腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移中起重要作用。總之，腫瘤細(xì)胞異常糖基化修飾參與腫瘤增殖凋亡、血管新生和轉(zhuǎn)移侵襲等過程，未來(lái)可通過調(diào)節(jié)糖基化從而調(diào)控致癌信號(hào)通道來(lái)影響腫瘤進(jìn)展，可能為腫瘤診斷、預(yù)后和治療策略提供新的靶點(diǎn)。

3.3 炎癥性疾病促炎細(xì)胞因子通過調(diào)節(jié)糖苷酶和糖基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，誘導(dǎo)黏蛋白糖基化改變，從而調(diào)控多種炎癥信號(hào)通路，如NF-κB、MAPK等，參與炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展[40-41]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，囊性肺纖維化(cystic lung fibrosis，CPF)患者呼吸道中的促炎介質(zhì)可以調(diào)節(jié)支氣管黏蛋白表達(dá)。腫瘤壞死因子(TNF)屬于促炎介質(zhì)之一，TNF可誘導(dǎo)支氣管黏膜糖基轉(zhuǎn)移酶基因上調(diào)，使CPF氣道sLex過表達(dá)，從而促進(jìn)炎癥發(fā)生[42]。研究發(fā)現(xiàn)，肥胖癥患者體內(nèi)代謝產(chǎn)物谷氨酰胺明顯下調(diào)，谷氨酰胺能降低尿苷二磷酸N-乙酰氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc)表達(dá)水平，UDP-GlcNAc在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下，發(fā)生O-糖基化從而影響轉(zhuǎn)錄因子特化蛋白-1的穩(wěn)定性、核易位和轉(zhuǎn)錄活性，使白色脂肪組織促炎基因表達(dá)增多，巨噬細(xì)胞向脂肪組織滲透，引發(fā)炎癥反應(yīng)[43]。炎癥性腸病是一種非特異性慢性腸道炎性疾病，主要包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎[44]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，促炎細(xì)胞因子以及細(xì)菌成分可影響動(dòng)物模型中腸細(xì)胞黏蛋白基因表達(dá)，誘導(dǎo)黏蛋白糖基化改變，因此其可能是炎癥性腸病發(fā)病機(jī)制中的重要因素[45]。相反，已有研究證實(shí)O-糖基化修飾上調(diào)能抑制大鼠的血管炎癥[46]。Yao等[47]實(shí)驗(yàn)證實(shí)了O-糖基化修飾可保護(hù)血管平滑肌細(xì)胞避免炎癥損傷。另有研究表明，糖基化在神經(jīng)炎癥疾病中發(fā)揮重要作用[48]。由此可見，目前對(duì)于糖生物學(xué)和炎性疾病相關(guān)性研究，有助于探索疾病發(fā)病機(jī)制，為未來(lái)治療提供新視野。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代研究表明，糖基化在蛋白質(zhì)折疊、靶向轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞定位、細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞遷移、增殖及分化等生物學(xué)過程中具有重要作用，糖基化類型改變，糖基化缺失、突變，糖基化表達(dá)上調(diào)、下調(diào)等參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展。目前關(guān)于蛋白質(zhì)糖基化及其相關(guān)疾病研究雖然有限，但近年來(lái)糖組學(xué)技術(shù)的發(fā)展使蛋白質(zhì)糖基化在生理及疾病狀態(tài)下的生物學(xué)意義有了更全面認(rèn)知，為疾病的診斷、預(yù)后和治療策略提供了新的靶點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)蛋白質(zhì)糖基化與機(jī)體炎癥反應(yīng)、自身免疫反應(yīng)及腫瘤發(fā)生機(jī)制尚未完全明確，仍在探索階段，因此，靶向糖基化修飾防治相關(guān)疾病還需更多基礎(chǔ)研究和臨床證據(jù)支持。