糖基化与免疫医学

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M an G lcN A c2-P ro tein U D P -G lcN A c U D P-G al C M P -N euN A c
N euN A c G al G lcN A c M an N euN A c G al G lcN A c M an
M an G lcN A c2-P rotein
N-糖基化对IL-24抗伤寒沙门菌感染功能是必需的
IL-24N-糖基化突变体保护 小鼠抵抗感染功能下降
S u r v iv a l r a te (% )
* p < 0 .0 5
C ontrol
A 3 .1 -IL 2 4
120
p cD N A 3 .1 -IL 2 4 -m u t
体液免疫中：Ig、补体均是糖蛋白, 均被糖基化
1. IgG糖蛋白结合补体, MBL(MBL:甘露糖结合凝集素)，直接识别 多种病原微生物表面的N-氨基半乳糖或甘露糖，活化MBL补体活化途 径中.
在类风湿性关节炎中病人的组织，以及血液中富含有Ig Go和IgG， 其活化水平与风湿性关节炎的病程进展呈正相关性。
C om p lex S tructure
糖蛋白的N-聚糖的加工
Biosynthesis and processing of all N-linked glycoproteins
三、蛋白质糖基化与免疫相关性
1、糖基化影响免疫分子的成熟、定位和抗原提呈
利用合成的糖基化II型胶原蛋白多肽和未修饰的多肽, 发现在严重类风湿关节炎 (RA)病人中T细胞仅识别糖基化的II型胶原蛋白多肽, 表明糖基化也影响T细胞抗原 表位。
H ig h-M an n ose S tructures
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M an G lcN A c2-P rotein
G lcN A c M an
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糖免疫学前沿研究概况
提纲
一、国内外研究概况 二、蛋白质糖基化种类 三、蛋白质糖基化与免疫的相关性 四、异常糖基化与免疫相关疾病 五、糖基化在免疫相关疾病诊断与
防治中的应用
一、糖生物学国内外研究概况
2001, March 23, Science专题 ：“Glycosylation and the Immune System”
寡糖
Asn-X-Ser/Thr
2. O--糖基:
GalNAc
Ser/Thr
3. GPI: 糖基磷脂酰肌醇
4. 酵母O-mannosylation
ManMann O
Ser
H y b rid S tru ctu re
G lc3M an9G lcN A c2-A sn -P rotein G lc
M an9G lcN A c2-P ro tein
100
80
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14
D ays p ost-in fection
B A L B /c
IL-24N-糖基化突变体刺激IFN-g能力下降
Zhang XL*, et al, Eur J Immunol 2009
改变细胞因子糖基化影响其介导的免疫功能
N-糖基化对IL-24抗TB感染功能是必需的
TCRαβ-CD3复合物中，CD3δ链中两个N-糖链中的一个为高甘露 糖型，另一个为复杂型；而在TcRγδ-CD3复合物中，CD3δ链中的两 个N-糖链则均为复杂型, 这些差异可能导致在TCR对抗原识别中、 TCRαβ与TcRγδ的信号转导不同。
N-糖基化也影响B细胞与T细胞间相互作用，如B细胞的HLA-DRα ，链第96位aa从Pro→Ser ，从而第94位的天冬氨酸产生了一个新的N 糖基化位点，会使B细胞的抗原递呈功能消失。
1998年
中科院北微所 张树政院士
金城研究员
90年代在国内香山会议大力倡导糖 生物学和糖工程前沿计划
1993年：美国召开的首届“糖生物工程”会议，会上著名糖生物学家Hart提出 “生物化学中最后一个前沿—糖生物学的时代正在加速来临”
1986年：美国能源部资助创建CCRC-复合物糖研究中心，成立“糖库计划” 1989年：日本政府科技厅等实施“糖生物工程前沿计划”投资数百亿日元 1991年：英国创刊“Glycobiology”糖生物学杂志 2001年：由NIH/NIGM 资助，美国成立“CFG功能糖组学”研究项目
✓ IgG的Fc 片段与Fcr受体结合时，若去糖基化或去寡糖链中的半乳 糖，则使IgG与Fcr受体结合的能力消失。
5、 糖基化影响免疫应答的强弱
糖基化的缺失，如N-糖基化的位点的突变，可增强或降 低细胞免疫（如γ-IFN的产生）以及体液免疫（如IL-4的产 生）
例1：HCV E1糖蛋白中N4突变可显著增强HCV E1糖蛋 白对BalB/c小鼠的抗体水平。
丙型肝炎病毒(HCV)包膜蛋白N-糖基化与免疫应答 改变HCVE2糖基化能增强细胞免疫
缺失病毒E2的某些N-糖苷后使病毒的免疫原性提高,可作为增强免疫原的新 型HCV疫苗!
Zhang XL*, et al, Vaccine, 2007, 15: 1544-1551
丙型肝炎病毒(HCV)包膜蛋白N-糖基化与免疫应答 HCVE1-M4糖基化突变体能增强体液免疫, E1-M2糖基化突变体能增强细胞免疫
例2：HIV改变gp140可增强体液免疫, 不影响细胞免疫。 例3：IL-12上的N-糖基化位点的突变，可增强CTL（细 胞毒性T淋巴细胞反应）。 IL-12（P40+P35=P70），若突变p40上N222糖基的位点 ，减少P40分泌，改变P70/P40的比例，与HCV E2同时免疫 时，可显著增强E2 特异的CD8+T反应，增强长效细胞免疫 功能。
糖链是生命的第三条链
生命之网是由统一性为经多样性为纬编织而成 核酸链和蛋白链构造了生命的统一性
糖链构造了生命的多样性 统一性
糖链结构的多样性：
4个核苷酸组成的寡核苷酸 可能的系列24种 4个己糖组成的寡糖链 可能的系列大于3万种！
普遍性 同源性 简单性
多样性
多态性 可变性 独特性 个体性
糖链是继续核酸链，和蛋白质链之后，与生命活动息息相关的第三链
肿瘤细胞表面复杂型N-糖链结构抑制CD4+T细胞功能 通过Mgat5基因沉默改变乳腺癌细胞表面的复杂型N-糖链结构,能抑制乳 腺癌细胞生长、活化CD4+T细胞。
Zhang XL*, et al, J Immunol 2008
CD4分子有4个N-糖基化位点，只有它们全部糖基化了，CD4分子 才能正确折叠，表达于胞膜。
2010年发表在Cell上的 “Glycomics hits the big time
2011年3月6—11日专门在加 拿大Lake Louise召开了首届 糖免疫学的国际讨论会
2011年 “生命科学” 23 期 ：糖生物学专刊
糖免疫研究属于国际前沿
2011年3月6—11日专门在加拿大Lake Louise 召开了糖免疫学的国际讨论会
发展历程
2013年7月目标
我国糖生物学协同创新战略研讨 会建成糖生物学创新研究中心
2011年
20世纪末21世纪初
武汉大学 张俐娜 食品中草药多糖生物活性
院士 纤维素与可再生资源材料获安塞姆·佩恩奖
复旦大学 陈惠黎教授 顾建新教授
中国生化学会糖合物专业委员会 中国生物工程学会糖生物工程专业委员会 共同举办全国糖生物学会
✓ 糖基化在维系mIg立体构象中起重要作用。糖基化程度低下，会使 mIg肽链缺乏刚性。
✓ 糖基化过度，会遮住mIg的抗原结合位点，影响与Ag的结合。
✓ 借助X线衍射研究，对Ig的三维结构研究，发现人IgG Fc的空间构 象并非靠两条重链CH2功能基团间蛋白质——蛋白质相联而维系，而是 靠连接于第297位天冬氨酸上的寡糖链，靠寡糖链—寡糖链间的相互作 用来维系的。
HCVE1的免疫原很弱,其糖链使病毒逃逸机体的免疫攻击,降低细胞免疫应答, 缺失病毒E1的某些N-糖苷后使病毒的免疫原性提高,可作为增强免疫原的新 型HCV疫苗!
Zhang XL* et al, vaccine, 2007, 15: 6572-6580
改变N-糖基化可影响细胞因子IL-24的免疫功能
3、 糖基化作用对T细胞功能的影响
糖基化可生成新的T细胞表位,或相反,废除识别, 以及影响信号传导; 有的糖基可帮助Th细胞对抗原肽识别的精确化学定位。 MHC-I分子上的一些糖基化结构可干扰T细胞的识别, 并限制CD8T 细胞应答。 TC表面若缺乏b1,6-GlcNAc的N-糖苷, TCR则更有效地聚集一起, 导 致更敏感的受体信号产生 , 因而负责b1,6-GlcNAc分支糖合成的酶: GlcNAc-Transferase V （Mgat5), 可调节T细胞的功能。
利用合成的GalNAc修饰MUC1糖肽, 研究发现此糖肽与MHC-I结合, 比起未用 糖修饰的多肽与MHC-I结合力大100多倍, 其中GalNAc起着重要作用。
2、 糖与免疫分子的稳定，以及降解
蛋白糖基化后, 免疫分子生物学性质发生变化:
亲水性增加; 对蛋白酶耐受能力(酶稳定性)增强; 蛋白二级和三级结构变化; 影响细胞与细胞及细胞与底物交互作用, 从而影响淋巴细胞移动,免疫细胞
糖基化结构在改变蛋白质或肽的三维结构的同时，还可通过改变肽表位与 MHC-I类分子的结合及与TCR交互作用影响细胞免疫。
B细胞的HLA-DR 链上第96位氨基酸从脯氨酸突变为丝氨酸 （Pro96→Ser96），从而使第94位的天冬氨酸（Asp）产生了一个新的N-糖基化位 点，会使B细胞的抗原提呈功能消失，可影响B细胞与T细胞的相互作用。
IL-2受体，GCSF等均是0-糖基化。0-糖基化的缺少，可导致重组 IL-2受体在高尔基中错误分配，以及错误从高尔基传输至细胞表面, 影响IL-2受体等的识别功能。
抑制Core1O-聚糖的表达抑制CD8+T细胞
Zhang XL et al*. J Clin Immunol 2012
4、 糖基化影响抗体Ig的功能; 影响抗原与抗体以及补 体的识别
Zhang XL*, et al. Microbes & Infection 2011
药物靶点
病毒和细菌等识别细胞的桥梁: 糖苷和凝集素
➢ 蛋白质糖基化与病原微生物感染及免疫相关
➢ 蛋白质糖链结构异常与肿瘤和遗传性疾病相关
二、蛋白质糖基化种类
Asn-X-Ser/Thr
GalNAc-Ser/Thr
蛋白质糖基化的种类: N-糖基, O--糖基, GPI(phosphatidyl inositol glycan) 和 yeast O-mannosylation 1. N-糖基: (高甘露糖型, 杂交型和复杂型)
糖基化：
一种重要的蛋白质翻译后修饰方式
蛋白的糖基化与免疫
机体对抗原刺激的免疫应答最 终均由免疫分子所介导
几乎所有参与固 有免疫和获得性 免疫免疫分子均 为糖蛋白，与免 疫分子合成相关 的转录分子也为 糖蛋白。
糖生物学与免疫
病毒糖苷
细菌 纤毛
凝集素: 能结合 糖的蛋白
免疫分子 糖蛋白
糖基化、糖苷和凝集素
激活,胚胎发生及肿瘤转移等
发现某些N-糖苷化作用可抑制蛋白酶对糖蛋白的降解, 延长免疫分子的寿命, 如N-糖 苷化作用可抑制asparagines-specific cysteine endopeptidase 对糖蛋白分子的降解, 从而保护糖蛋白分子或免疫分子。
在内质网中, 糖基化酶, Mannosidase I, Glucosyl Transferase 帮助未折叠好的糖蛋白进 一步折叠, 而错误折叠 或未包装好的糖蛋白将在内质网中降解。
2. 糖基化作用与补体介导细胞裂解 经典补体途径与旁路补体途径和MBL途径, 最后均形成膜攻击复合 物MAC，攻击细菌等病原体表面, 宿主细胞表面，通常具备补体途径 的抑制物，通过GPI一定位的糖蛋白（CD55，DAF:decay accelerating factor）结合C8/C9以阻止膜攻击复合体MAC形成, 如果补体过量的刺 激，如在RA病人，病人组织液可饱和CD55/DAF抑制物，导致了不适 当的细胞裂解和发炎症状。