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凝集素的研究历史及其生物功能

　Vol.14,No.8精细与专用化学品第14卷第8期

FineandSpecialtyChemicals2006年4月21日

技术进展

凝集素的研究历史及其生物功能

熊川男

3

　李　伟　白雪芳　杜昱光

（中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023）

摘　要:

介绍凝集素的发现和发展历史,在近20年中,从植物、动物和微生物中提取了多种凝集素,并且结构

已经被确定。

同时,对凝集素的结构和生物功能进行了概述,如凝集素的保护和共生作用,凝集素在复杂生物系统

中具有识别分子的作用,在细胞与分子间、细胞与细胞间的信号识别起重要作用。

关键词:

凝集素;葡聚糖;甘露糖;生物功能

ResearchHistoryofLectinandItsBio2functions

XIONGChuan2nan,LIWei,BAIXue2fang,DUYu2guang

（DalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Dalian116023,China）

Abstract:

Thehistoryondiscoveryanddevelopmentoflectinareintroduced.Inrecenttwentyyears,manylectins

werediscoveredextractingfromtheplants,animalsandmicrobesandthestructureofthemaredetermined.Meanwhile,the

structureandbio2functionsoflectinsarenarrated,suchastheprotectiveactionandsymbioticactionoflectins,indentifying

molecularactionsinthecomplexorganism,theimportantactionsofrecognitionbetweencellandmolecularandintracellular

signalindentificationandsoon.

Keywords:

lectin;glucan;mannitose;bio2function

　　凝集素作为一种非酶和非免疫起源的蛋白质或

糖蛋白,广泛存在于动物、植物和微生物中。

经过数

十年,人们已经从动物、植物和微生物中分离筛选出

多种新的具有生物活性的凝集素。

下面针对凝集素

的研究历史及其生物功能进行一下总结。

1　凝集素的糖与血型特异性

1919年Sumner从豌豆Canavaliaensiformis中

分离出结晶蛋白,命名为ConA,并用此方法第一次

获得了纯的凝集素。

1936年Sumner和However〔1〕

报道了ConA可以凝集血细胞和酵母细胞,也可以

在溶液中沉淀糖原。

进一步研究显示,ConA的凝

集作用被蔗糖抑制,这是第一次揭示了凝集素的糖

特异性。

Sumner和However大胆推测了ConA的

凝集作用是由于植物蛋白与血细胞表面的糖链发生

了一系列反应所引起的。

在此之前,Stillmark已经

发现由蓖麻毒素引起的对不同动物的血细胞的凝集

作用有选择性。

这个发现被KarlLandsteiner证实,

他在1900年发现了人类A、B、O血型。

近10年后

Landsteine报道了不同种子提取物的凝血活性因不

同动物血细胞而不同〔2〕。

根据这些特性,Landsteine

总结了植物凝集素的作用“本质是类似抗体的反

应”。

20世纪40年代,Boyd和Renkonen确定了不

同凝集素对人类各种血细胞的独立特异性〔3〕。

他们

发现利马豆Phaseoluslimensis和野豌豆Viciacracca

的粗提物可以凝集A型血却不能凝集B型和O型

血,但是芦笋豆Lotustetragonolobus却能凝集O型

血。

OlaviM¾kel¾在1954～1956年的3年时间里测

试了豆类植物743个种165个属的种子粗提物,其

中1/3具有血凝活性,接近1/10的凝集素显示了对

血型的特异性〔4〕。

这些豆类凝集素或者是凝集A

·12·

3收稿日期:

2005212225

　作者简介:

熊川男（19812）,男,在读博士研究生,主要研究方向为糖结合蛋白的分离、鉴定以及对其生物活性的研究。

　2006年4月21日熊川男,等:

凝集素的研究历史及其生物功能

型血细胞,或者是凝集O型血细胞,或者是同时凝

集A、B型血细胞;从Dolichosbiflorus中提取出的蛋

白质对A1型血细胞凝集作用明显好于A2型血细

胞,只有从Griffcifoniasimplicifolia中提取的蛋白质

对B型血细胞完全不凝集。

自此以后,陆续又发现

只凝集A型和O型血细胞（不凝集B型血细胞）和

只凝集一种其他血型的凝集素,诸如:

N（Viciagra2

minea凝集素）,T（豌豆凝集素,PNA）和Tn（Vicia

villosa和Molucellalaevis凝集素）。

在早期的对抗原特异性结构的研究中,以ABO

血型系统为基础的血型特异性凝集素起了至关重要

的作用。

20世纪50年代,Morgan和Watkins发现

能凝集A型血细胞的利马豆凝集素能够很好的被

α2GalNAc抑制,能凝集O型血细胞的Ltetragonolo2

bus凝集素能够很好的被α2岩藻糖抑制〔5〕。

因此得

出结论:

α2GalNAc和α2岩藻糖分别是A型血和O

型血的决定性糖。

Morgan和Watkins的先驱性工作

最早揭示了细胞表面的糖结构。

在细胞表面糖链供

体被发现以前,人们发现了能识别这些糖链的内源

凝集素,随后研究了第一个哺乳动物肝脏去唾液酸

蛋白质受体。

2　凝集素对淋巴细胞的促有丝分裂作用

和对癌细胞凝集

　　20世纪60年代早期的两项重要发现使得凝集

素成为关注的焦点。

第一项是Nowell发现了红肾

豆（Phaseolusvulgaris）凝集素（PHA）具有促有丝分

裂作用〔6〕,也就是具有刺激淋巴细胞有丝分裂的能

力。

在随后很短的时间内,又陆续发现了其他有促

有丝分裂作用的凝集素。

更重要的是发现了ConA

可以作为有丝分裂原,且其促有丝分裂活性可以被

低浓度的单糖抑制,比如甘露糖。

这些发现证明了

促有丝分裂作用是凝集素与淋巴细胞表面糖链结合

的结果,也证明了早期认为凝集素在细胞表面的生

物作用。

这些凝集素很快被用来研究细胞信号传

导,其分析体外淋巴细胞增殖过程中的生物化学事

件。

其中最有价值的成果就是Gallo的研究小组通

过在有条件的培养基中用PHA刺激正常人淋巴细

胞而发现了T细胞生长因子〔7〕。

第二项是Aub发现了小麦胚凝集素（WGA）能

够选择性地凝集恶性细胞〔8〕。

随后Burger、LeoSa2

chs和MichaelInbar报道了ConA也具有同样的作

用。

NathanSharon、Sachs和BenamiSela发现大豆

凝集素（SBA）也有同样的作用。

这些发现为癌症发

展过程中癌细胞表面糖链变化提供了早期的证据,

同时可以进一步假设凝集素可以凝集所有的恶性细

胞。

3　大量凝集素的发现

到20世纪70年代早期,人们在很多有机体中

都发现了凝集素,这些凝集素主要存在于植物体中,

如大豆、绿豆、Dolichosbiflorus种子、小麦胚和蘑菇

（Agaricuscampestris）;也有在动物中提取的凝集

素:

鳗鱼〔9〕,蛇〔10〕和马蹄蟹〔11〕。

Goldstein和Agraw2

al发明了用亲和层析的方法分离凝集素,他们最初

用固定化葡聚糖（Sephadex）〔12〕分离纯化了ConA。

随后分离纯化凝集素的步伐大幅加快,人们获得了

大量的凝集素,到现在大概有500多种。

人们发现

凝集素对于在检测生理病理过程中可以作为十分重

要的工具后,研究兴趣大大地被激发起来。

凝集素的主要应用如表1所示。

表1　凝集素的主要应用a

细胞的鉴定和分离

糖蛋白的检测、分离和结构研究

细胞表面及亚细胞细胞器的糖链的研究:

　组织生物化学和细胞生物化学

绘制神经元途径

对淋巴细胞的促有丝分裂作用b

净化移植骨髓b

选择抗凝集素突变体

研究糖蛋白的生物合成

　　注:

a植物凝集素为主,b临床应用。

人们提出动物凝集素的概念相当早,并且提出

在大多数无脊椎动物和低等脊椎动物中都存在凝集

素。

但是到20世纪70年代中期,只提及3种凝集

素:

一种是从鳗鱼中提取出来的对一种糖特异性

（后来研究为L2fucose）凝集素〔5〕;1974年Ashwell

和Morell共同发现了第一个哺乳动物凝集素———

Gal特异性肝去唾液酸糖蛋白受体〔13～14〕;与此同

时,Teichberg报道了从电鳗中分离出的第一个Gal

特异性凝集素家族的成员〔15〕,包括了12个成员的

这个凝集素家族在1994年被命名为galectins。

从

20世纪80年代以后,在重组技术的支持下,人们得

到了越来越多的动物凝集素。

·13·

精细与专用化学品第14卷第8期

4　从凝集素的一级结构到三级结构

20世纪70年代人们加强了在分子特征上鉴别

特定的凝集素,这些成为随后在分子水平上更深入

研究凝集素活性的先决条件。

这些研究包括从确定

凝集素主要的物理化学参数到确定其氨基酸序列和

揭示其三级结构。

在重组技术兴起以前,确定凝集

素一级结构的步伐相当的慢,到70年代末,只有6

种已知的植物凝集素完成了全序列的测定,ConA

成为第一个测定全序列的凝集素。

同时,Edelman小

组和Hardman与Ainsworth分别用高分辨率X晶体

衍射的方法分析了ConA的三级结构,ConA同样

是第一个测得三级结构的凝集素。

甚至在完成

WGA全序列工作以前,这项技术很快被应用到研究

WGA的结构上。

1973年,Sharon和Lis确定了Con

A和WGA在结构上的不同很大程度上是由于组成

的不同〔17〕。

获得了很多凝集素的一级结构以后,就可以从

不同相关分类中的凝集素确定凝集素氨基酸序列的

同源性。

Sharon和Strosberg最先共同研究了豆类凝

集素的同源性。

在80年代,人们又发现了其他的凝

集素家族,如Galectin和C型凝集素。

在过去的几年,有接近200个凝集素的三级结

构被鉴定出来,并且很多凝集素的糖复合结构也被

鉴定出来。

令人惊奇的是,很多不同种类起源的凝

集素它们的一级结构没有任何同源性,而四级结构

却极其相似。

20世纪80年代末期,X晶体衍射和定点突变

技术为研究凝集素和糖链上的化学基团相互作用提

供了很重要的基础。

因此,凝集素以不同的方式识

别糖链就像其他蛋白质识别它们的配体一样。

5　凝集素的糖识别域

通过分析已知氨基酸序列的动物凝集素,Co2

lumbia大学的KurtDrickamer提出大多数凝集素的

糖结合活性决定于有限的肽片断,他自己命名为糖

识别域———CRD〔18〕。

他将Galectin中的糖识别域命

名为S2CRD,将C型凝集素中的糖识别域命名为C2

CRD。

到现在已经辨别出包括上述提到的几种

CRD在内的多个CRD,每种CRD都共有一种不变

的形式,并且在特征空间都共有高度保守的氨基酸

序列。

以此为基础,可以将动物凝集素按照结构相

关性分成主要家族和超家族,最大的家族是C型凝

集素。

其他家族中P型凝集素和I型凝集素是比较

特殊的。

多数C型凝集素是大型的、不对称的跨膜糖蛋

白,它们的CRD是很多不同功能和结构的多肽域组

成。

与此相反,Galectin一般都是很小的、可溶、没有

糖基化的蛋白质并且不像C型凝集素,Galectin的

活性不需要Ca2+的存在。

C型凝集素又分成3个

凝集素家族———selectin,collectin和endocytic。

1987年,Harvard医学院的Bevilacqua及其同事

又发现了两个可以确定细胞表面抗原的单克隆抗

体,其中一个命名为ELAM21（内皮白细胞黏附分

子）,ELAM21只在刺激的人类内皮细胞中表达,对

于没有刺激的人类内皮细胞没有表达〔19〕。

另一个

静脉细胞黏附分子最初由RodgerMcEver和Tufts大

学的Bruce与Furie各自分别从活化的血小板中分

离出来,并各自命名为GPM2140和PADGGEM。

这3个细胞黏附分子曾经被共同命名为LEC2

CAMS,但是在1989年,几乎是同时发表的几篇文章

都报道了它们的一级结构,这些研究结果产生了它

们现在各自的名字———L2selectin,E2selectin,P2se2

lectin。

它们都含有一个类似的结构域———胞外部

分是由一个氨基酸末端组成的CRD、一个类似表皮

生长因子的结构域和几个与补体结合蛋白相关的短

重复序列单元。

它们对三糖都能特异性结合,并且

都在岩藻糖和唾液酸位置结合。

selectin只在糖配

体出现在特定的糖蛋白上时才会识别糖配体,就像

细胞表面的粘蛋白在凝集素与糖相互作用中起到转

运分子的作用;对这样的转运体研究最好的一个是

P2selectin糖蛋白配体。

6　凝集素的保护和共生作用

在研究凝集素的开始阶段,人们就对凝集素可

能具有的生理作用具有了很大的兴趣。

人们在20

世纪70年代提出了两个假设:

一个是凝集素能够保

护植物抵抗植物病原微生物,也能保护昆虫抵抗食

肉动物;另一个假设就是凝集素参与到豆类植物与

它们共生的固氮菌之间的互相作用。

最早关于凝集素具有杀虫作用可能是在1976

年Minnesota大学的IrvinE.Liener实验室报道,他

们用含有黑豆凝集素的食料饲养一种甲虫,最后导

致了甲虫幼虫的死亡〔20〕。

可见,豆类凝集素的主要

·14·

　2006年4月21日熊川男,等:

凝集素的研究历史及其生物功能

作用是保护它们的种子免受昆虫的侵害。

在后来人

们又发现了其他一些凝集素也具有杀虫剂的作用,

比如WGA、Galanthusnivalis凝集素和jacalin。

早在30多年以前,人们就提出凝集素是为植物

提供必要的氮源的固氮根瘤菌与豆类植物之间特异

联系的桥梁这个想法。

是因为人们发现由一个特定

的豆类凝集素与该豆类共生的根瘤菌表面上的多糖

或脂多糖以糖特异性方式结合,却不能于其他豆类

上的共生菌相结合。

比如:

SBA可以凝集使大豆产

生根瘤的大多数Bradyrhizobiumjaponicum菌株,却

不能凝集没有该作用的菌株。

因此可以判断,根瘤

菌与植物根部结合的原因是由于豆类植物根部产生

的凝集素与细菌表面糖链相互作用的结果。

这些判

断使凝集素成为了当时人们所公认的识别分子,但

是由于一些矛盾和缺少明确的证据,这个假设一直

是人们争论的话题。

然而对于所研究的大多数共生

系统来说,没有证据显示凝集素和它们的配体在特

定的时间和特定的地点各自出现在植物的根部和细

菌上。

并且宿主凝集素与它所能识别的能产生根瘤

的细菌之间的相互关系并不是很严格。

几种在种子

和生长组织没有检测到凝集素存在的大豆同样在相

对应的共生根瘤菌作用下产生根瘤。

最近,人们又提出另一种假设,根瘤菌之所以能

够与宿主特异性结合,是由于细菌产生的特定的脂,

即几丁质寡糖与一种只在不同豆类植物中发现的新

型植物根部凝集素相互作用产生的结果〔21〕。

7　凝集素作为识别分子

尽管在70年代以前就报道称凝集素具有识别

分子的作用,但是在当时并没有引起人们的关注。

在50年代,澳大利亚WalterandElisaHall研究所的

AlfredGottschalk报道了能够凝集流感病毒的凝集

素是流感病毒与宿主细胞相互接触,并导致感染的

先决条件。

然而直到1974年人们分离出了唾液酸

糖蛋白受体———一个肝脏凝集素,并且发现它有意

想不到的识别和结合血清糖蛋白N末端半乳糖残

基后〔22〕,凝集素的生物识别功能才引起人们的关

注。

随后,St.Louis大学的WilliamS.Sly鉴定出了

能够参与溶酶体酶在胞间穿梭的Man262P受体〔23〕,

给这个假设提供了支持。

肝脏凝集素在没有调理素

（抗体和补体）存在的条件下也能参与将细菌从血

液中清除掉,这个现象也是凝集素参与非免疫防御

或先天免疫的一个早期的证据。

另外一个重要的发现是在1979年,Sharon等人

证明甲基化的α2D2甘露糖能够预防由甘露糖特异

性Escherichiacoli菌引起的小鼠尿道感染〔24〕。

这

是发现在感染初期参与感染的细菌凝集素的第一个

直接证据,也是当前用于学术研究和将糖用于抗黏

附疗法治疗此类疾病的基础。

与此同时,Sharon和Ofek等人又发现细菌表面

甘露糖特异性凝集素在没有调理素存在的条件下也

参与细菌与噬菌细胞间的互相接触,导致吞噬和杀

死细菌〔25〕。

这个过程是先天免疫的另一个例子,我

们称之为凝集素吞嗜作用。

凝集素的生物功能如表2所示。

表2　凝集素的生物功能

凝　集　素生物功能

微生物中

　阿米巴虫感染

　细菌感染

　流感病毒感染

植物中

　多数凝集素防御功能

　豆类凝集素与固氮菌的共生作用

动物中

　Calnexin,控制糖蛋白的生物合成

　calreticulin控制糖蛋白的生物合成

　ERGIC253控制糖蛋白的生物合成

　Collectins先天免疫作用

　Dectin21先天免疫作用

　Galectins调节细胞生长和凋亡

调节细胞周期

调节胞间和细胞与基质间相互作用

　Macrophagemannosereceptor先天免疫作用

清除硫化的糖蛋白激素

　Man262Preceptors胞内溶酶体酶靶点

　L2selectins淋巴归巢

　E2andP2selectins白血球穿梭至炎症部位

　Siglecs免疫和神经系统中细胞间的相互作用

　Spermadhesin精子卵子相互作用

人们发现并证明,selectin在淋巴归巢和白血球

穿梭至炎症部位过程中起到非常重要的作用,这是

在凝集素研究过程中的里程碑。

实际上,selectin是

生物识别作用中糖———凝集素相互作用的典范。

它

们参与了白血球与内皮细胞的结合,形成了一个旋

转区,凝集素在其中与聚糖配体发生短暂地相互作

用,最终导致了它们的外渗。

另一种抗黏附疗法的

应用,即通过抑制白血球与内皮细胞间的相互作用

·15·

精细与专用化学品第14卷第8期

来阻止有害的炎症反应,已经成为生物医药和制药

业的主要目标。

也有研究显示selectin可能对癌细

胞的扩散具有一定影响,因此可以通过阻断它们的

结合位点,进而可能阻止癌症的转移。

从80年代末期,越来越多的证据显示,不同种

类的多种凝集素作为分子伴侣和分泌途径中的分选

受体,直接参与了胞内跨膜糖蛋白的运输。

Calnexin

是一个内质网膜结合蛋白,功能与可溶性的相似体

calreticulin相似,它的作用类似于质量控制系统,保

证糖蛋白按照细胞表面指定的方式折叠。

Galectin被认为是细胞与底物间相互作用的调

控者,也是所有多细胞动物正常分化和成长所必须

的。

它们可以诱导细胞增殖、细胞释放和细胞凋亡,

并且参与器官形成、癌细胞转移、白细胞转运、免疫

反应和炎症反应等。

开发新型的具有识别能力的新的凝集素,无疑

是当今研究开发领域的热点,也会使得科学家可以

更为直接和有效地探索生命现象的无穷奥秘。

□

参考文献

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