全 文 ：糖链及其蛋白质糖基化
侯温甫 杨文鸽
(宁波大学生命科学与生物工程学院,宁波 315211)
摘 要: 基因和蛋白质是生物统一性的重要标志, 而糖链则是生物多样性最重要的标志分子。糖基化作为
蛋白质翻译后重要的修饰方式,有其重要的生物学意义。本文综述了糖链的结构、功能及其蛋白质糖基化的类型、
影响因素、表达系统等相关问题。
关键词: 糖链 蛋白质糖基化 糖生物学
Sugar Chain and Proteins Glycosylation
Hou Wenfu Yang Wenge
( Facul ty of l i f e sci ence and B ioeng ine ering , N ingbo Univ ersi ty , N ing bo 315211)
Abstract: Gene and protein are impo rtant signs o f bio lo gical oneness, but sugar chain is t he best impor tant
sign o f biolo gica l variety. G ly co sylat ion, as the most common po st- translational modification of prot eins, has impo r-
tant bio log ical functions. T his paper has summar ized some cor relat ive questions of sugar chain and prot eins g ly co sy-
lation in str ucture funct ion and expression sy stem etc.
Key words: Sugar chain Proteins g lyco sy lat ion Glycobio lo gy
Grick于 1958年提出/ DNA yRNA y蛋白质0
作为基因信息传递的中心法则。事实上, 生物体内
的信息流并不终止于蛋白质, 不仅是蛋白质还可引
发一系列的生物效应, 而且作为蛋白质的酶还可以
催化合成许多各种类型的、具有生物活性的分子, 糖
类就是其中最重要的一类。结构多变、功能多样的
聚糖是由一组蛋白质协同作用而合成的, 这些蛋白
质主要是众多的糖基转移酶, 以及一些糖苷水解酶。
因此,可以认为, /蛋白质 y糖类0是基因信息传递的
延续。同时, 糖类本身也是一类重要的信息分子,
1988年牛津大学的生物化学家 Raymond Dwek 首
次提出糖生物学 ( Glycobiolog y)这个名称, 由此诞
生了一个新的研究领域。20世纪 90年代以后, 各
种糖研究的国际合作及国际信息网络的技术与产品
的交流更是蓬勃兴起 [ 1]。糖生物学及糖工程研究已
成为继基因工程和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。
目前,人类基因组学的发展已告一段落, 由遗传
信息产生出来的蛋白功能的解析成为生命科学研究
中的重要课题。然而, 50%的蛋白质都受糖链的修
饰,虽然不同糖蛋白中糖链的功能是不同的,但是由
于糖链能修饰并改变蛋白质的内在特性, 从而对糖
蛋白整体生物学功能的体现至关重要 [ 2] ,因此, 糖生
物学成为蛋白质组学的重要部分。专家认为,基因
和蛋白质是生物统一性的重要标志, 而糖链则是生
物多样性最重要的标志分子 [ 3]。糖基化作为细胞中
常见和复杂的翻译后修饰方式之一, 可影响蛋白质
三维空间结构或决定蛋白质在细胞内的转送方向
等,故有其重要的生物学意义。目前,已有许多重组
蛋白作为药物用于临床, 然而绝大多数此类药用蛋
白在天然状态下为糖蛋白,或为在体内发挥药效必
须被糖基化[ 4] 。
1 糖及糖链
1. 1 糖
糖是一类由多羟基醛或多羟基酮和它们的一些
衍生物组成的有机化合物。糖类在机体内有多种存
收稿日期: 2005-01-19
作者简介:侯温甫( 1979- ) ,女,河南洛阳人,在读硕士研究生,水产品加工与贮藏专业
13738483616, ( 0574) 87601129. Email: houw en fu@ tom. com
生物技术通报
# 综述与专论# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 3期
在形式,不同的形式发挥不同的生物学功能。根据
糖类分子的大小及组成可分为单糖、寡糖及多糖三
大类。单糖是构成寡糖及多糖的基本单位。根据糖
与不同生物大分子结合形式可分为糖脂、蛋白聚糖
和糖蛋白。糖脂由糖及脂质组成, 可分为鞘糖脂
( Glycosphingo lipids, GSL)及甘油糖脂。鞘糖脂由
鞘氨醇、脂肪酸及多糖组成。
1. 2 糖链的结构
糖链的结构具有惊人的多样性、复杂性和微观
不均一性。其一级结构的内容不仅包括各糖基的排
列顺序,还包括各糖基的环化形式、各糖基本身异头
体的构型、各糖基间的连接方式以及分支结构的位
点和分支糖链的结构。6 种单糖形成带分支的六糖
有 1 012种异构体。糖链结构的复杂性给糖链的研
究带来了很大的困难, 同时也使它能携带巨大的生
物信息。实际上,糖链的种间特异性、组织特异性以
及发育特异性都很强, 并且都来源于糖基转移酶不
同时间和不同空间的表达。因此, 糖基转移酶的研
究已成为了当前糖生物学的研究重点。
1. 3 糖链的功能
糖复合物中糖链的功能多种多样, 如从空间上
调节糖复合物的整体结构、保护多肽链不被蛋白酶
水解、防止与抗体识别等。糖链的存在对肽链的折
叠、糖蛋白质的进一步成熟、分拣、投送、以及最后的
定位都有重要影响。糖链的存在及其结构的不同,
对糖蛋白在体内的寿命, 以及糖蛋白将在哪些组织
中降解也起着关键作用。尤其是近年来发现, 糖蛋
白中的糖链参与细胞识别与分子识别, 因此称糖蛋
白中的糖链为信息分子[ 5]。近年来的研究表明: 糖
链作为信息分子涉及多细胞生命的全部空间和时间
过程,如精卵识别、组织器官形态形成、老化、癌变
等;在血液和淋巴循环中,起着动态的更为灵敏的信
号识别和调控作用, 涉及到多种严重疾病的发生过
程,如炎症和自身免疫病 [ 6, 7]等。糖链是继核酸链与
蛋白质链之后, 学者们深入研究的与生命活动息息
相关的第三链。
当前, 糖生物学研究得最多的仍然是糖蛋白。
在糖蛋白中,糖链对蛋白质的功能起修饰作用,它通
过影响蛋白质的整体构象从而影响由构象决定的所
有功能,如蛋白质的正确折叠、细胞内定位、抗原性、
细胞-细胞黏附和结合病原体等。在糖脂中人们已
经证明了血型的决定物质是糖链, 在神经组织及脑
中更是存在大量的糖脂, 但它们的生理意义至今仍
了解得不多。
1. 4 糖链的研究方法
关于糖链的生物学作用, 有一些规则, 如: 很难
预知某一特定的糖链的功能和对生物体的重要性、
同一寡糖序列在生物体的不同部位和不同的个体发
育阶段有不同的功能、较为专一的生物作用通常是
通过不寻常的序列或常见序列的不寻常表达或修饰
来介导的等。因此, 对糖链的生物学作用也只能逐
个地分别研究。
目前用于研究糖蛋白寡糖链功能的方法主要
有[ 8] : ( 1)比较不同组织或细胞来源和比较病理和正
常组织中分离到的同一种糖蛋白的活性和功能; ( 2)
用内切或外切糖苷酶切下糖链, 研究糖链中糖基的
生物学功能; ( 3)应用糖链合成或加工抑制剂, 在细
胞水平研究整个糖链的生物学功能; ( 4)用基因工程
技术将肽链的糖基化位点 A sn X Ser/ T hr 中的 Asn
或 Ser/ Thr 定点突变,使此点不能被糖基化, 再研究
相应蛋白质的功能; ( 5)利用缺失或过度表达某一糖
基化酶的细胞株进行研究; ( 6)用转基因技术或基因
敲除技术把某一糖基化酶基因转入细胞或动物, 或
抑制某一糖基化酶在细胞中的表达, 或从动物敲除
某一酶的基因, 以研究该基因的作用。后一种方法
是迄今最先进的技术。
2 蛋白质糖基化
蛋白质糖基化是蛋白质翻译后的一种重要的加
工过程,它是指蛋白质与葡萄糖(醛基糖)之间发生
的非酶反应而生成糖化蛋白的过程, 即指在肽链生
物合成的同时或合成后在酶的催化下糖链被接到肽
链上的特定糖基化位点的过程。
2. 1 糖基化的类型
在体内或体外, 醛糖都有与蛋白质发生结合的
倾向。体内蛋白质发生的糖基化反应分为两种类
型,一类是在细胞质的内质网中发生的,由酶催化进
行的缩合反应, 见于蛋白质翻译后的糖基化修饰。
另一类为非酶催化的糖基化反应, 是由葡萄糖、6-磷
酸葡萄糖、果糖等醛糖的醛基与蛋白质分子中氨基
酸(通常为赖氨酸)的 NH 2基缩合形成 Shif f s碱, 并
152005年第 3期 侯温甫等: 糖链及其蛋白质糖基化
进一步经分子重排形成更稳定的糖化产物。
上述两步反应均为可逆反应, 其达到反应平衡
分别需数小时和数周, 其生成产物称为早期糖基化
产物。这些糖化产物可继续逐渐缩合、交联, 形成不
溶性、抗酶解和不可逆性的/ 晚期糖化终末产物( ad-
vanced g lycat ion end products, AGEs) 0。AGEs 结
构至今尚未明确, 根据体外研究, 其具有棕褐色、荧
光性及抗酶解等性质, 已经从体外糖基化反应复合
物中分离出 FFI [ 2-呋喃甲酰-4( 5)-2-呋喃基)-1-氢-
咪唑 ]、pyr raline ( 5-羟甲基-1-烷基吡咯-2-羧醛)、
AFGP( 1-烷基-2-甲酰基-3, 4-双葡萄糖基吡咯)、羧
甲基赖氨酸等产物。生理条件下, 机体组织 AGEs
含量低,当蛋白质更新延迟, 如发生淀粉样变和机体
衰老以及醛糖水平升高(如糖尿病) ,则蛋白质非酶
糖基化增加[ 9]。AGEs 不仅可通过促进蛋白质发生
直接的化学交联作用影响组织的结构和功能,还可
通过氧化应激造成组织损伤。此外, AGEs 还可与
相应的受体结合而起作用。故而, AGEs 在动脉硬
化、衰老、糖尿病慢性并发症的发生发展中都具有重
要作用。
2. 2 影响糖基化的因素
细胞中的蛋白质即使经历相同的糖基化机制和
分泌途径,也并非所有的潜在位点均可被糖基化,据
估计有 10% ~ 30%的潜在糖基化位点不能糖基化。
实验进一步表明,不同类型 N-糖链的分布也存在着
糖基化位点的专一性。如鼠脑 T hy-1 蛋白, 其
Asn23仅能为高甘露糖型糖链, Asn74 可为杂合型
或复杂型糖链, 而 Asn98则能为任一种 N-糖链[ 10]。
因此, 生物体内的确存在某些因素控制着蛋白质的
糖基化,包括: ( 1)蛋白质的氨基酸序列决定着潜在
糖基化位点的分布和数目; ( 2)在糖蛋白的生物合成
过程中,糖蛋白的折叠方式, 即蛋白质的三维空间结
构,影响糖基转移酶与蛋白表面特定序列的接触,从
而引起糖链的延伸和添加糖基的不同; ( 3)合成糖蛋
白细胞中糖基转移酶及相关酶类的表达类型; ( 4)细
胞中不同糖链加工区域的排列, 以及糖链通过这些
区域的速率。前两点只影响糖基化的位点, 后两点
则可归结为表达系统中细胞的类型和培养条件等因
素影响,从而决定糖基化所形成的糖链结构。其中,
细胞的类型也是决定糖基化程度和形式的主要因
素。在细胞中, 多步酶促反应组成了糖蛋白上糖链
的加工过程,而每个酶反应进行的不完全, 又可能形
成糖链的各种糖形[ 11] 。
2. 3 糖基化的表达系统
糖基化的表达系统非常广泛。在细菌中最为常
用的是大肠杆菌和枯草杆菌( Bacillus subt ilis)。由
于其易操作, 获得量高, 且基因背景、表达特性人们
均很了解等因素, 使得细菌表达系统成为最受欢迎
的异源蛋白表达系统之一 [ 12]。丝壮真菌和酵母也可
以作为表达系统, 可用丝状真菌蛋白质糖基化生产
内源性蛋白,用酵母表达和分泌外源蛋白[ 12] 。在昆
虫细胞和哺乳动物细胞中[ 13] ,由于昆虫细胞很可能
在转染杆状病毒之后, 激活某些/ 沉寂0的糖基转移
酶,使之加入重组蛋白的糖基化过程,从而产生不常
见的糖链结构。因此, 得到恒定的复杂型糖链表达
株使之成为具有发展潜力的药用重组糖蛋白表达系
统,是目前主要的研究方向。而哺乳动物细胞株表
达的重组产物, 可带有复杂的糖链结构,和人源糖蛋
白的糖链结构较为相似, 故成为目前主要的异源糖
蛋白表达系统。不过, 哺乳动物细胞株在糖基化的
机制上,与人类组织仍然有显著的差异[ 13] 。
在转基因植物中,利用植物生产药用蛋白时,为
了能够达到实际应用目的,避免产生高免疫原性的
复杂型糖链结构,要采取一些措施, 如对植物中表达
的重组蛋白进行改造,使之带有滞留信号序列,能让
其留在内质网中, 避免进入高尔基体被植物系统糖
基化[ 14] 。在转基因动物中,通常能产生非常类似于
哺乳动物细胞系的糖链结构, 但是其糖链结构仍随
种属和器官的不同而变化,从而影响了糖基化的效
率和专一性。
2. 4 蛋白质糖基化在人类疾病中的作用
糖类物质是机体新陈代谢能量供应的主要来
源, 还可与其它化合物结合构成生物大分子参与机
体细胞组成, 并与细胞的生长发育密切相关。作为
蛋白抗原的一部分, 糖链的变化与肿瘤的发生、转移
有紧密联系。长期高血糖是糖尿病引起多器官系统
损害的根本原因, 这与/晚期糖化终末产物0水平升
高有关。最近的研究表明, B淀粉样肽与 Tau 蛋白
的/晚期糖化终末产物( AGEs) 0可能在老年性痴呆
的发病机理中具有关键性作用, 是形成神经炎斑和
16 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 3期
神经原纤维缠结的分子基础 [ 15]。AGEs及其受体的
相互作用,可造成不可逆性神经毒性作用。在肾脏
病变中,晚期糖基化终产物( A GEs)是蛋白质的氨基
与糖的醛基发生非酶性糖基化反应的终产物,在慢
性肾功能衰竭和糖尿病肾病并发症的发生和发展中
起重要作用。研究表明, AGEs 能通过刺激小鼠肾
小管上皮细胞株的有丝分裂原, 活化蛋白激酶的活
力而影响细胞的代谢 [ 16]。
3 展望
糖链合成代谢及功能的阐明, 不仅有助于理解
微生物感染机制、为抗感染药物开发提供靶位,而且
微生物来源的糖基转移酶、糖苷酶和其它糖链代谢
辅助酶将会成为糖工程研究、应用的工具酶。基因
组学和生物芯片技术被引入糖链的结构功能研究、
糖链的生物合成与化学合成方法的建立等方面, 使
得糖链的结构与功能研究也更深入、更详细。糖链
的结构与功能关系的阐明是后基因组时代生命科学
研究的核心内容之一, 将对人类的健康产生巨大的
影响。同时,由于糖基化工程的研究主要集中于糖
蛋白糖链功能的分析和糖基化表达体系的构建。可
以预见,它在理论上可阐明糖链的功能,在实践上则
可为解决基因工程药物的免疫原性、生物活性及药
物设计等问题提供指导。随着糖基化工程已成为继
基因工程和蛋白质工程之后在生物化学及分子生物
学领域很有前景的学科, 我们有理由相信, 糖链及其
糖基化的研究将会在 21世纪取得长足发展。
参 考 文 献
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#国外动态 #
巴西疫苗销售额猛增
Pharmaceutical Business New s 2003年 442期 10~ 11页报道: 据统计, 2003年上半年巴西疫苗销售额
已猛增至 18. 3百万美元(相当于 11. 2百万英镑或 16. 2百万欧元)。其中,肝炎疫苗占据了约 1/ 3的份额。
GlaxoSmithKline公司是巴西的最大疫苗生产厂商, 其销售额达 7. 4百万美元。其次 Arent is Pasteur
公司,其销售额达 2. 7百万美元。 汪开治
172005年第 3期 侯温甫等: 糖链及其蛋白质糖基化