糖蛋白与生物识别

糖蛋白
• 当前,糖生物学研究得最多的仍然是糖蛋白。 • 在生物体内种类繁多,分布广泛，具有多种重要功能。 • 估计糖蛋白占所有各种天然蛋白质总数的1/2以上。 • 人血清的各类蛋白质中，50％是糖蛋白 • 鸡蛋蛋清的各类蛋白质中，95％以上是糖蛋白 • 各类细胞表面上，大多存在着糖蛋白 • 动、植物的分泌物和体液中有较多的糖蛋白
糖蛋白在动物受精过程中识别的作用
• 在动物的受精作用过程中，精子与卵子的识别与结 合是全部受精过程能够发生的前提条件，其实质是 性细胞表面糖蛋白及其受体相互作用的结果，这一 过程包含专一的细胞间的识别、黏着和最终细胞融 合。糖蛋白在此识别中担当重要的角色。
• 透明带（zona pellucida，zp）抗原，它是哺 乳动物卵母细胞分泌并被覆于卵细胞外的一层基质， 属糖蛋白。
• ③结构糖蛋白 为细胞外基质中的不溶性大分子糖蛋白，如胶 原及各种非胶原糖蛋白。它们的功能不仅仅是作为细胞外基 质的结构成分起支持、连接及缓冲作用，更重要的是参与细 胞的识别、粘着及迁移，并调控细胞的增殖及分化。
糖蛋白的结构
• 糖蛋白分子由多肽链和糖两部分组成，糖和多肽链之间通过糖 苷键相连接。糖蛋白多肽链的合成与非糖基化蛋白质基本相同, 只是多肽链在合成的同时或之后,伴有肽链的糖基化作用。
• sp56蛋白与ZP3专一识别和结合后，导致顶体反应， 精子才能穿过透明带，接触卵子质膜并与之融合， 完成受精过程。
猪
• 猪卵细胞透明带糖蛋白由4种糖蛋白ZP1，ZP2，ZP3 和ZP4组成。
• 从猪精子分离到一组与ZP3结合的组分SP1，SP1中 有68ku的蛋白质与ZP3结合，表明68ku蛋白质在精 卵结合中起主要作用。
• 肝炎C 病毒编码2个包膜糖蛋白E1和E2, 其中E2有11个糖基化位 点, 通过将第2、4个位点突变, 病毒失去侵入细胞活性, 表明该 位点的糖基化作用对病毒入侵细胞必不可少。
• 人类免疫缺陷病毒(HIV)外壳蛋白与宿主类似, 可通过“糖生物 学逃循作用”逃避机体的防御体系, 感染宿主细胞。HIV 能合成 一种特殊的糖链, 具有很强的免疫抑制力, 抑制人体杀伤细胞对
第二部分 糖蛋白与生物识别
• 糖蛋白在动植物受精过程中的作用 • 糖蛋白在胚胎发育及组织、器官形成中的作用 • 糖蛋白在细胞归巢中的作用 • 糖蛋白与肿瘤之间的关系 • 糖蛋白充当了细胞和微生物间防御和入侵作用的桥梁 • 细胞黏附中的糖识别
糖蛋白在植物受精过程中的作用
• 低等植物——藻类及真菌
• 两类配子通过它们的鞭毛互相粘着，导致细胞融合， 完成有性生殖。
糖蛋白与肿瘤之间的关系
• O－连接型和N－连接型这两种糖链的改变都与肿瘤的发生 发展与转移有关系。肿瘤细胞的一些糖蛋白糖基化作用都有 所变化，所以糖链的结构变化在临床上通常用做肿瘤标志物。
• Meichenin等发现由于O－聚糖的改变产生一种新型肠肿瘤相 关抗原——多聚凝集素抗原Tk，他应用针对Tk红细胞的单克 隆抗体LM389通过免疫组化方法检测结果显示，LM389与48%人 肠癌上皮细胞有强反应性。
• ① 钙黏附素家族（CF） • ② 选择素家族（IF） • ③ 免疫球蛋白超家族（IgSF） • ④ 整合素家族（IF） • ⑤ CD44家族等。
• 由于CAMs有着复杂的结构与性质，因此它们不仅是一类参与 介导细胞间、细胞与细胞外基质粘结的黏附物质，更是一类 参与多细胞生物体包括生长、发育、成形等各种生命活动的 重要生物分子。并在机体防御机制等自身稳定 以及多种疾病 病理生理过程中发挥重要作用。
小鼠
• Wassarman指出透明带中有ZP1，ZP2，ZP3三种糖蛋 白，研究证明ZP3是第一精子受体，能与顶体完整 的精子结合，并诱发顶体反应。ZP3有O-连接和N连接的寡糖链，其中O-连接的寡糖链是被精子识别 的部位。
• 人们用交叉连接和亲和层析分离到蛋白质sp56，它 表现出是一种外周膜蛋白，定位在精子顶体上端的 质膜上，与ZP3的O-连接寡糖链特异性结合。
糖蛋白在胚胎发育及组织、器官形成中的作用
• 细胞表面糖蛋白还参与早期胚胎发育过程中及随后组织、器 官形成过程中同类细胞在识别基础上所发生的聚集。
• 胚胎发育需全能细胞进行分化。通过细胞迁移及生物识别， 相同的细胞在一定部位聚集成团，最后发展为特定的器官。 这些过程依赖于特异性的细胞识别及选择性的细胞粘合。
• 万谦等在总结海胆精卵结合机制中指出， 海胆精子头部顶体中顶体囊泡的内容物中 有一种分子量为30ku的特异性蛋白，称 为结合素（bindin），它聚集在顶体突起 表面，能识别上述糖蛋白特异结构的糖链 并与之相结合，从而使精子与卵子相粘附。
糖蛋白在人体受精过程中识别的作用
• 通过相关的研究，在人体精卵识别过程中，卵表面糖基末端 的未还原性甘露糖残基扮演了起始信号角色。而一种从人获 能精子膜中分离出的甘露糖结合蛋白是未还原性甘露糖残基 的受体。
• 在精子获能过程中精子膜上的甘露糖结合蛋白在精子头部的 表达显著性增强。当精子在获能条件下，精子膜的胆固醇成 分外流可导致质膜的脂质双分子层流动性增强，与此同时并 伴随着D-甘露糖结合位点发生外向转位即从质膜下层转移且 暴露于精子膜表面，进而发挥其生物学功能。
• 1987年由Naz领导的研究小组首先发现受精抗原21（FA21）。 纯化的FA21以单体或二聚体形式存在，它是组织特异性糖蛋 白，在不同动物中具有很强的保守性。从功能上看，FA21具 有很强的免疫原性，它可能是精子上的ZP受体，并完全抑制 精子穿卵反应。
• 1993年5月,在首届国际“糖工程”年会上,著名的糖生物学家、会议主 席 Hart宣称：生物化学中最后1个“巨大前沿”糖生物学的年代正在 加速到来。
• 这些事件标志生命科学中又一门新的前沿分支学科——糖生物学的兴 起。
• 目前，糖生物学及糖工程研究已经成为继基因工程、蛋白质工程之后 的第三大生物工程，是当今最前沿的生物学科之一。
• 如： • 由于缺乏β 2 整合素（CD18）导致的白细胞与内皮细胞黏附
障碍，而引发患者反复感染的内皮细胞粘附缺陷症； • 因白细胞表面的sLex( 选择素配基)缺失致使P、E-选择素结
合障碍，导致的患者白细胞在血管内皮滚动的受抑； • 由于E-钙粘素表达或功能障碍，则是造成某些恶性肿瘤转移
• 在胚胎发育的不同阶段及细胞增殖的不同时期细胞表面糖蛋 白不断发生改变。某些细胞表面糖蛋白可以作为不同发育阶 段或不同生活状态的标志。
• 例：神经细胞粘合分子(N-CAM),是一种存在于细胞表面的质 膜糖蛋白,其糖链含有多个唾液酸基。多唾液酸链随发育而缩 短，至成年时期消失。糖链中唾液酸的这些变化对不同时期 细胞间的相互作用有一定调节意义。
• 后又发现肠癌及肠癌细胞系的抗原决定簇表现为O－聚糖，所 以认为Tk多聚凝集素的产生可能是由于O－聚糖的生物合成改 变所致，O－聚糖结构的明确可用于单抗的制备及其他药物设 计，针对Tk以进行免疫治疗。
糖蛋白充当了细胞和微生物间防御和入侵作用的桥梁
• 致病微生物感染寄主细胞必须首先粘附于靶细胞，已有不少证据 表明微生物与靶细胞间的特异性粘合作用是由糖蛋白糖链介导的。
• 糖肽键是糖链和肽链的连接键,是指糖基异头碳原子上的羟基与 肽链氨基酸残基上的酰胺基或羟基脱水形成的糖苷键。
• 连接方式主要分为N-糖苷键和O-糖苷键 • N-型糖苷键为糖链与肽链上天冬酰氨的酰氨基连接,同时对天冬
酰氨要求有一特殊的三肽序列Asn-X-Ser/Thr,其中X可以是任一 氨基酸。N-型连接的糖链上一般富含甘露糖,并具有一个五糖核 心结构。 • O-型糖苷键是糖链与肽链上的Ser、Thr的自由羟基连接,糖链多 分枝,呈簇状分布,一般不含甘露糖。在一些糖蛋白中稳定性较 高,而在另一些糖蛋白中则表现出较强的流动性,肽链上既可以 糖基化又可以去糖基化,与蛋白质磷酸化方式十分相似。
• Clarke等从唐菖蒲花粉壁和柱头表面分别提取到5%和23%的糖蛋白。进一步的 分析发现，花粉壁含5种糖蛋白，单糖成分有甘露糖、半乳糖，阿拉伯糖和鼠 李糖，柱头含7种糖蛋白，其中含有阿拉伯半乳聚糖蛋白。研究表明柱头表面 的阿拉伯半乳聚糖可能是柱头与花粉粘连的分子基础。
• 张英华等还从萝卜柱头表面浸出液中提取到两种糖蛋白，气相色谱分析表明， 这些糖蛋白的单糖成分为半乳糖、甘露糖、鼠李糖、岩藻糖、阿拉伯糖及木 糖。而且，其中的阿拉伯糖及半乳糖等含量较高，认为其与柱头粘附花粉有 关。
糖蛋白与生物识别
第一部ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 前言
• 糖生物学的兴起 • 糖蛋白简介
糖生物学的兴起
• 1988年,牛津大学生化系 Raymond Dwek 教授发表Glycobiology 一文， 提出了糖生物学这一名称,标志着一门新的分支学科的诞生。
• 1990年11月,有3家实验室同时发现了血管内皮细胞-白细胞黏附分子1 (ELAM-1), 并首次阐明了炎症的过程有糖类和相关的糖结合蛋白参 与。这一重大事件将糖生物学推向了生命科学的前沿。
糖蛋白的分类
• 可按存在方式分为三类： • ①可溶性糖蛋白 存在于细胞内液、各种体液及腔道腺体分泌
的粘液中。包括酶、肽类激素、抗体、补体、以及某些生长 因子、干扰素、抑素、凝集素及毒素等。
• ②膜结合糖蛋白 其肽链由疏水肽段及亲水肽段组成。疏水肽 段嵌入膜脂双层中，亲水肽段暴露于膜外。包括酶、受体、 凝集素及运载蛋白等。此类糖蛋白常参与细胞识别，并可作 为特定细胞或细胞在特定阶段的表面标志或表面抗原。
病毒的免疫应答, 引起人体自身免疫缺陷。
HIV
细胞黏附中的糖识别
• 细胞黏附是多细胞生物体最基本的生物学现象，也是生理病 理过程的生物学基础。作为重要的膜糖蛋白，细胞黏附分子 （CAMs）除发挥介导细胞黏附等正常生理功能外，还与人体 多种疾病发生发展密切相关。
• CAMs是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间相互接触 和作用的膜表面蛋白分子的统称。一般分成5类：
• 当组织受到感染时, 细胞膜上的糖蛋白会立即发出信号, 通过层 层的分子信息接力, 基因程序启动, 合成有关细胞素, 最终引发 炎症反应。
• 如：
• 大肠杆菌外源性凝集素识别宿主细胞富含甘露糖的膜糖蛋白。
• 霍乱毒素能特异性识别宿主细胞膜上GM1 神经节苷酯分子。
• 流感病毒的血凝素可专一性识别人体细胞表面唾液酸化的寡糖链,
糖蛋白在细胞归巢中的作用
• 细胞归巢：广泛迁移和特异定向的特性。在造血及淋巴细 胞再循环中必不可缺。
• 血液循环中的造血干细胞需到骨髓中进行增殖、分化；淋 巴细胞在血流及淋巴样器官（脾、淋巴结及扁桃体）间保 持再循环。
• 血液循环中造血干细胞及淋巴细胞的归巢都是通过细胞表 面的受体（属于凝集素）来认别靶组织中糖链上的糖基而 进行。
• 鞭毛的粘着由鞭毛表面的受体介导。
• 研究发现，该受体是一种富含羟脯氨酸的糖蛋白，呈 杆状，一端有一个球状区，另一端为钩状结构，与质 膜相连，50%为含硫的寡聚糖，均为O-连接的糖链。
糖蛋白在植物受精过程中的作用
• 被子植物
融合前期--花粉在柱头上萌发，花粉管延伸至胚囊 • 受精过程
融合期--被送至胚囊的两个精细胞分别与卵细胞和中央细胞结合
• 赵明等报道，猪精子和精浆中有一种凝集素，被称 为猪精子凝集素（BSL）。通过该凝集素的“桥梁” 作用，实现了精子蛋白与透明带中ZP3相互结合。
海胆
• Foltz与Lennarz等对海胆的研究表明，其卵细胞表面 分布着一种350ku的糖蛋白，被认为是完整的精子 受体，其糖链部分与精子结合，其多肽部分决定了 结合的特异性，即多肽部分与糖链部分都参与了结 合过程。
• 糖蛋白的糖链可以是直接或支链，不同的糖蛋白分 子中其糖链数目不等,多肽链上糖链的分布不均,如 膜糖蛋白的糖链全部分布在暴露于膜外侧的肽链上, 而不存在于膜的内部。
• 虽然糖链有无数种结构形式,但实际存在的糖链类 型却是有限的,主要是受生物体内某因素影响。
• 糖链起到维持蛋白质结构稳定，抵抗蛋白酶水解， 防止抗体识别及参与多肽链在内质网的折叠启动等 的作用 糖链