糖蛋白质相互作用

第２０卷第６期２００８年６月

化学进展

ＰＲＯＧＲＥＳＳＩＮＣＨＥＭＩＳＴＲＹ

Ｖ０１．２０Ｎｏ．６

Ｊｕｎｅ，２００８糖．蛋白质相互作用＊

黄毅黄金花谢青季一姚守拙一

（湖南师范大学化学化工学院化学生物学及中药分析教育部重点实验室长沙４１００８１）

摘要糖生物学被认为是生物化学领域“最后的前沿”。糖．蛋白质相互作用是信号传导、细胞黏附、病菌感染、受精、增殖、分化和免疫应答等很多细胞识别过程的基础，在生命科学中意义重大。本文综述了糖一凝集素特异性结合、细胞／细菌相关的糖一蛋白质相互作用、基因表达的相关调节和基于凝集素媒介的药物导向治疗，以及糖．蛋白质相互作用研究的电化学、压电传感、光谱学、纳米技术、微阵列技术和生物传感器等方法和器件与相关的生物医学应用进展。

关键词糖一蛋白质相互作用生物医学应用糖化学

中图分类号：０６２９．１；０６２９．７；０６５７文献标识码：Ａ文章编号：１００５．２８１Ｘ（２００８）０６—０９４２．０９

Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ－ＰｒｏｔｅｉｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ

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２０世纪上半叶，大部分科学家认为糖类是一类惰性化合物，它们只是充当结构保护材料（如植物体上的纤维素、昆虫的外壳）和作为能量来源（如动物体内的糖原），而缺乏生物特异性。近２０年来，随着分子生物学的发展，越来越多的证据表明，糖类物质是很多生理和病理过程分子识别的决定因素，糖的生物学功能可通过与蛋白质的识别作用来实现。糖．蛋白质相互作用研究对了解糖的生物功能显然具有重要意义。近年来该领域的分析表征方法学和生物医学应用研究均取得了令人振奋的进展，本文就此进行了综述和展望。

ｌ糖．蛋白质相互作用

１．１概述

分子间的特异性识别是生命过程的核心。糖．蛋白质相互作用被认为是很多细胞识别过程的基础。细胞表面的糖基和蛋白质是细胞识别外来分子的主要途径，这种相互作用在很多生理和病理过程

收稿：２００７年６月，收修改稿：２００７年９月

＊国家自然科学基金项目（Ｎｏ．２０６７５０２９，２０３３５０２０）、教育部基金（教人司［２０００］２６，教技司［２０００１６５）及湖南省教育厅项目（Ｎｏ．０４Ｃ３８３，０５Ａ０３６）资助

＊＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｑｊ＠ｈｕｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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第６期黄毅等糖．蛋白质相互作用・９４３・

中扮演重要角色，比如细胞黏附、病原体感染、植物与病原菌相互作用、豆科植物与根瘤菌共生过程、细胞凋亡、受精过程、癌细胞异常增生及转移和免疫反应等‘１－引。

糖类物质与蛋白质之间的相互作用涉及到种类繁多的、可特异性识别糖链的蛋白质，主要包括单克隆抗糖抗体、酶、糖转运蛋白和凝集素等＂’８｜。其中凡能够与糖类特异性结合但不具备针对糖类的酶活性且不属于抗体的分子，均可称为凝集素（１ｅｃｔｉｎ）。作为糖类物质的探针分子，糖．凝集素作用研究越来越受到人们关注旧““。动植物体内均含有凝集素。植物凝集素在保护植物防止动物、真菌和细菌的掠食方面发挥着重要作用。一些植物凝集素还可通过非特异激活Ｔ．细胞而刺激免疫系统，如伴刀豆球蛋白Ａ（ｃｏｎｃａｎａｖａｌｉｎＡ，ＣｏｎＡ）可结合不同细胞膜受体而引发细胞增殖。新近报道的糖结合蛋白ｇａｌｅｃｔｉｎ．１可促进成年人大脑神经干细胞增殖，产生新的神经元［１２｜。因凝集素可导致细胞凝聚，故很早就用于检验血型。此外，凝集索还可用于鉴别不同的细胞¨３｜，或作为细胞标志物用于诊断。另外，糖一蛋白质相互作用在亲合色谱中也有重要应用，如凝集素可用于糖蛋白、糖磷脂、多糖和酶等的分离纯化¨引。

糖．凝集素特异性结合的分子机理引起了生物学和化学等领域学者的广泛兴趣¨５。。高分辨ＮＭＲ、ｘ射线结晶学和分子模拟技术可有效获取分子构象等信息，已用于研究分子间相互作用的机理¨引。凝集素与糖结合专一性是与凝集素的糖识别结构域（ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｄｏｍａｉｎｓ，ＣＲＤ）的构象相关的。１９９６年，Ｐｅｒ６ｚ等¨７１首次报道了与细胞黏附有关的组织．血型抗原ＬｅｗｉｓＸ（Ｌｅｘ）三糖的分子结构，查明ｋ１．ｋ１之间存在氢键。由于寡糖兼具亲／疏水特性，它与凝集素的结合会涉及多种作用力，如氢键、范德华力和疏水作用等。氢键是识别过程中重要作用力¨引，寡糖上的羟基与蛋白质上的极性氨基酸残基有很强的氢键作用。Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ等¨钊证实了水分子在糖．凝集素结合过程中的媒介作用，并为阐述糖．凝集素相互作用过程中熵／焓变行为提供了合理依据。糖一芳环相互作用（ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ．ａｒｏｍａｔｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ）也被认为是糖一蛋白质相互作用的重要作用力ⅢＪ，糖分子中的低／ｔＰ极性结构可与蛋白质分子中带芳环结构的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸残基发生作用。

１．２细胞／细菌相关的糖．蛋白质相互作用

细胞表面的糖基在很多基本的细胞过程中有着重要的作用。不同的细胞类型常常表现在其表面糖基表达的不同，细胞表面糖基的表达也会随其生长和分化过程不同而发生变化。肿瘤细胞能够躲避免疫系统的监控就与其表面糖基表达的改变有关，藉此发展了基于糖的抗癌疫苗【２“。对生命体内糖．蛋白质间相互作用的理解将极大地帮助人们阐明细胞间的信号转导途径，有助于发现新的疾病诊断途径和开发新的治疗试剂。Ｏｈｙａｍａ等忸１研究了前列腺癌和良性前列腺增生细胞所表达的前列腺特异性抗原（ｐｒｏｓｔａｔｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｎｔｉｇｅｎ，ＰＳＡ）上糖基的差异，采用凝集素Ｍａａｃｋｉａａｍｕｒｅｎｓｉｓｌｅｃｔｉｎｓ可准确地检测ＰＳＡ来诊断前列腺癌，从而有效地避免在常规血清分析中常出现的假阳性结果。Ｃｈｅｎ等∽引用糖包裹的纳米金作为探针实现了从混合液中同时富集和分离飞摩尔级的蛋白质，并进行了蛋白质的鉴别。Ｃｈｅｎ等㈨ｏ在碳纳米管上包裹一种模拟细胞表面黏液素糖蛋白的生物模拟聚合物，这种功能化的碳纳米管（Ｃ１８．口．ＭＭ．ＣＮＴｓ）可与细胞表面的糖受体发生特异性结合，为监测生物过程提供了新方法。Ｓｕｎ研究组∞１制备了半乳糖功能化的单壁碳纳米管（Ｇａｌ．ＳＷＮＴｓ），这种准一维纳米复合物可与大肠杆菌Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ细胞表面的半乳糖结合蛋白进行特异性结合，从而可用于在溶液中高效地捕捉致病菌。２００６年他们ｍｏ再次利用半乳糖／甘露糖功能化的碳纳米管使炭疽热孢子ａｎｔｈｒａｘ（Ｂａｃｉｌｌｕｓａｍｈｒａｃｉｓ）发生团聚。炭疽热孢子表面存在有大量Ｄ．半乳糖和Ⅳ．乙酰氨基葡萄糖，在加入Ｃａ２＋离子后，９７．７％的炭疽热孢子发生团聚，这对反生化武器研制具有重要意义。Ｃｈｕ等旧１的研究发现，流行性感冒病毒需要通过Ⅳ＿连接糖蛋白来感染宿主细胞，而同样作为细胞表面受体的唾液酸则在感染过程中没有发挥作用。凝集素也同样可以作为探针研究细胞表面糖蛋白的糖基类型。Ｚｈｅｎｇ等Ⅲｏ在３０ｎｎｌ厚的金薄膜上制作了６种凝集素ＣｏｎＡ、ＷＧＡ、ＲＣＡ、ＳＮＡ、ＵＥＡ、ＧＳＬ．ＩＩ的阵列，通过荧光检测细胞与凝集素的结合情况，得到了细胞表面所表达的糖基类型，如纤维原细胞ＢＨＫ．２１在其表面表达有甘露糖基、半乳糖基和乙酰葡萄糖胺基，腺癌细胞Ｃａｃｏ一２表面则表达有甘露糖基、半乳糖基、唾液酸和海藻糖基等。这项工作提出了一种通过简单的光谱观察确定细胞表面糖基类型的分析方法。

１．３基因表达的相关调节

生物体可通过控制蛋白质与ＤＮＡ的结合来调节特定基因的表达。如真核细胞，ＤＮＡ与组蛋白结

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