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Stage specific embryonic antigen, SSEA

阶段特异表达的胚胎抗原



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 3期
2005年 6月
Vol. 17, No. 3
Jun., 2005
阶段特异表达的胚胎抗原
滕少辉1,赵小立1,陆永良2,朱旭芬1*
(1 浙江大学生命科学学院,杭州 310012;2 浙江省湖州中心医院,湖州 313000)
摘 要:本文介绍了阶段特异性胚胎抗原(stage specific embryonic antigen,SSEA)的发现、化学
结构和在胚胎、成熟组织中的分布规律;SSEA 通过参与细胞间的信息传递、细胞识别与粘附等过程
在动物胚胎发育、组织分化、基因调控及肿瘤的发生、转移等方面发挥重要作用;SSEA 作为细胞表
面标志,在肿瘤患者确诊、预后监测及胚胎干细胞的分离纯化、鉴定等研究领域的重要应用价值;探
讨了 SSEA-1合成的关键酶——岩藻糖基转移酶基因表达与调控的研究进展。
关键词:胚胎;C D 1 5;岩藻糖基转移酶
中图分类号:R329.2+7  文献标识码:A
Stage specific embryonic antigen, SSEA
TENG Shao-Hui1, ZHAO Xiao-Li1, LU Yong-Liang2, ZHU Xu-Fen1*
(1 College of Life Science, Zhejiang University, Hangzhou 310012, China; 2 Huzhou Central Hospital,
Huzhou 313000, China)
Abstract: Stage specific embryonic antigen (SSEA) is an oligosaccharide chain and appears in the forms of
glycoprotein and glycolipid, particularly in the glycosylsphingolipid. SSEA expresses wildly in embryonic and
adult tissue of mammalian, plays an important role in the embryonic development and differentiation. In the past
few years, studies of SSEA have gotten much advance in gene regulation, cell signal transduction, cell
recognition, interaction, adhesion and tumor genesis, tumor immigration diagnosis of cancer. This paper intro-
duced the discovery, distribution and the latest progresses in the biological function of SSEA.
Key words: embryo; CD15; fucosyltransferase
收稿日期:2004-09-23;修回日期:2004-11-02
基金项目:浙江省重大课题:人胚胎干细胞培养及分化控制(20002 0579)
作者简介:滕少辉( 1 9 7 1 —),男,硕士;赵小立( 1 9 6 3 —),男,副教授,硕导;陆永良( 1 9 5 5 —),男,主任
医师;朱旭芬( 1 9 6 0 —),女,副教授,硕导,* 通讯作者。
文章编号 :1004-0374(2005)03-0261-06
Thomson等[1]和 Shamblott等[2]报道,用不同方
法获得了具有全能分化潜力和无限增殖的人类胚胎
干细胞系,这一重大突破被 Science杂志评为 1998
年度自然科学十大进展之首。由于胚胎干细胞技术
具有重大应用价值因而备受关注。阶段特异性胚胎
抗原(stage specific embryonic antigen, SSEA)因其在
胚胎干细胞的分离、鉴定中的广泛应用而引起广泛
关注。本文就 SSEA 的发现、化学结构、生物学
意义及其应用等方面作一综述。
1 SSEA的发现和结构特征
阶段特异性胚胎抗原都是用相应的单克隆抗体
作为探针鉴别发现的。按发现的先后顺序命名为
SSEA-1、SSEA-3和 SSEA-4。SSEA-1也称 CD15
或 LeX。Solter和Knowles[3]用小鼠畸胎瘤 F9细胞株
免疫 BALB/c小鼠,取脾脏淋巴细胞与小鼠骨髓瘤
细胞融合,筛选获得了一株稳定产生抗体的杂交瘤
克隆株MC-480,经检测发现该单抗只与小鼠胚胎
发育特定阶段特定细胞表面的抗原结合,因此,称
262 生命科学 第17卷
其为阶段特异性胚胎抗原。Shevinsky等[4]收集了
4 500多个 4细胞到 8细胞期的 ICR鼠胚胎,去除透
明带后免疫大鼠,取脾脏、融合、筛选,获得了
MC631杂交瘤克隆株,该单抗识别的抗原命名为
SSEA-3。他们用人类畸胎瘤 2102Ep细胞株免疫小
鼠,获得了MC813-70杂交瘤克隆株, 该单抗识别的
抗原命名为 SSEA-4;用 SV-40转化融合细胞,免
疫 BALB/c小鼠,获得一株单抗,该单抗识别的抗
原曾命名为 SSEA-2,但经广泛检测后,发现该抗
体有较多交叉反应,因此,其识别的抗原从 SSEA
中取消。这些阶段特异性胚胎抗原属于寡糖抗原,
其结构中出现的单糖有半乳糖(Gal)、乙酰氨基葡萄
糖( G l a N A c )、岩藻糖( F u c )、乙酰氨基半乳糖
(GalNAc)、唾液酸(Sia),这些寡糖链多数连接在鞘
氨醇上,构成糖鞘酯[5],也有部分连接在糖蛋白。
SSEA-1的核心糖结构为多聚乳糖胺,SSEA-3, 4属
于 P 血型抗原系统。它们的结构如表 1 [6]。
表1 SSEA的化学结构
名 称 抗 原 决 定 簇
SSEA-1 Fucα1→ 3 (Galβ1→ 4) GlcNAcβ1→ 3Galβ1→R
SSEA-3 GalNAcβ1→ 3Galα1→ 4 Gal→R
SSEA-4 Siaα2→ 3 Galβ1-3 GalNAc→R
唾液酸化的 SSEA-1 Siaα2→ 3 Fucα1→ 3 (Galβ1→ 4) GlcNAcβ1→ 3 Galβ1→R
2 SSEA的分布特征
2.1 胚胎发育和成体组织以及肿瘤细胞中的表达 动
物个体发育中,SSEA表达情况的研究主要集中在哺
乳动物,其他动物相关的研究报道甚少。哺乳动物
SSEA-3, 4从卵母细胞、受精卵到 8细胞胚胎均有
显著表达,以后逐渐消失,一直到胚胎内细胞团为
止。出生后及成熟小鼠,只在肾脏远曲小管、收
集管、血管内皮细胞检测到SSEA-3抗原;而SSEA-1
从 8细胞后期才出现,桑椹胚的表达最显著,随后
在内细胞团及内胚层上有表达,着床后 SSEA-1从
滋养外胚层消失,以后在原始生殖细胞表面又出现
SSEA-1[3~4,7~9] 。根据SSEA在胚胎发育过程中的分布
特征,相应单克隆抗体已被应用于胚胎干细胞的分
离纯化,如已建立了免疫磁珠分离纯化内细胞团及
原始生殖细胞等方法。成年小鼠中,子宫内膜、输
卵管、肾小管、精子、小脑和神经干细胞均能检
测到 SSEA-1;成年人体中,神经细胞、神经胶质
细胞、胃上皮细胞、外周血白细胞和红细胞表面均
有 SSEA-1分布[10~13] ;在肺癌、结肠癌、尿道膀胱
癌、卵巢癌、脑癌和生殖腺畸胎瘤也能检测到
SSEA-1。SSEA-1抗原以及唾液酸化的SSEA-1在肿
瘤细胞表面的表达特点已被用于癌患者肿瘤转移的
诊断和病人治疗期间的预后监测。在其他动物,如
鱂鱼、斑马鱼个体发育中,从卵母细胞到胚泡期及
成鱼的肾脏均有SSEA-1的表达,而SSEA-3, 4未见
报道[14~16]。
2.2 体外培养细胞中的表达 体外培养细胞,如
ES、EG和EC细胞表面均有SSEA的表达(表 2)。如
人 EC、ES细胞表达 SSEA-3, 4,不表达 SSEA-1,
但其分化后表达 SSEA-1;SSEA在老鼠 EC、ES细
胞中的表达规律与人类正好相反,这种差别表达的
生物学意义现在还不清楚 [8,15,17]。
2.3 SSEA-1分布的广泛性 SSEA-1除了脊椎动物
胚胎发育中有表达外,目前还发现其他低等生物也
存在 SSEA-1,如线虫、人肠道的空肠弯曲菌、幽
门螺杆菌。一般认为 SSEA-1作为黏附分子在进化
上非常保守,具有广泛的生物分布特征。另外,
SS EA- 1 除了以糖鞘酯、糖蛋白存在于细胞表面
外,在细胞器,如高尔基体、胞内小泡等也有分
布 [ 1 8 ]。
3 SSEA-1的生物学意义
3.1 SSEA在细胞识别与黏附中的作用 研究发现
SSEA-1(LeX)介导了动物胚胎桑椹胚中细胞的识别与
黏附过程,对桑椹胚致密性的形成起着关键作用;
同理,SSEA-1也与小鼠 F9畸胎瘤的致密性密切相
表2  SSEA在干细胞中的表达
抗原  人  人 猕猴  鼠  马  猪 鸡 鱼   ES/EC EG ES ES/EC/EG ES EG EG ES
SSEA-1 – + – + + + + +
SSEA-3 + + – – – – – –
SSEA-4 + + + – – – – –
263第3期 滕少辉,等:阶段特异表达的胚胎抗原
关;SSEA-1还介导动物上皮细胞间的识别、黏附
并形成致密性组织结构,以防止水分散失,阻挡病
原菌的侵入,如兔角膜上皮细胞表面糖蛋白上的
Le X,就定位在细胞间的黏附位点上;小鼠肾小
囊、肾小管(远曲、近曲、远直和近直小管)也存
在丰富的 LeX,使肾小管保持致密结构,在原尿的
重吸收过程中,能够阻止代谢废物进入细胞间隙。
Perez等[18]发表了血型抗原 LeX三糖结晶的分子结
构,推测 LeX-LeX之间形成的氢键介导了细胞间的
识别和黏附。Boubelik等[19]和 Cao等[20]进一步证实
了 LeX介导细胞识别和黏附过程:在分散的大鼠嗜
碱性白血病细胞(RBL)中加入提纯的 LeX孵育(在
Ca 2+存在下),随着 LeX掺入到细胞膜,细胞间发
生凝聚,而去除 Ca2+或加入乳糖 -岩藻糖苷酶时,
细胞凝聚受到抑制,在LeX阳性和阴性的RBL混合
物中,细胞凝聚只发生在 LeX阳性的细胞之间。
3.2 SSEA-1在动物受精及胚泡着床过程中的作用 小
鼠子宫内膜、输卵管上皮细胞和精子上都有 LeX抗
原,引导精子进入输卵管与卵子结合及受精卵和早
期胚胎经输卵管进入子宫,介导胚泡与子宫内膜上
细胞的识别,完成胚泡着床过程。胚泡及子宫内膜
上的 LeX的缺失,或用相应抗体掩盖 LeX位点,都
能显著影响胚泡着床率。进一步研究发现,子宫内
膜上的LeX的周期性表达是通过甾体激素对岩藻糖基
转移酶活性的调节来实现的。人类精子表面的 LeX
在精卵结合过程中的作用也已被证实。SSEA-1, 3,
4之间的转化,可能与细胞的分化有关[3,10]。从它
们的结构上看,LeX或 SLeX是在 SSEA-3或 SSEA-4
的基础上转岩藻糖基化、唾液酸化形成的,在胚胎
发育过程中也是首先出现 SSEA-3, 4后,才出现
SSEA-1。人类的 EC细胞体外分化过程中,也发现
SSEA-1取代 SSEA-3, 4的现象。在生物体内,已
证实小鼠肾脏的LeX是以SSEA-3为前体形成的。老
鼠胚胎 ICM不表达 SSEA-3,4,但表达 Forssman抗
原;人胚胎 IC M 与之正相反,而 S S E A- 3 , 4 和
Forssman抗原都具有红细胞糖苷脂类的核心结构。
因此,也有人认为 Forssman抗原与 SSEA-3, 4在胚
胎发育中的作用是相同的,SSEA在人、老鼠胚胎
中阶段表达的意义在于代表了低聚糖中不同核心结
构的合成或改变,而行使生物学功能的正是这些核
心结构,末端单糖的增减没有功能上的意义 [21~23]。
3.3 SSEA与一些人类疾病的关系 目前已知一些人
类疾病是由 SSEA引起的,如人类感染空肠弯曲菌
后,其表面的 LeX刺激机体产生 LeX抗体,后者与
神经节苷脂反应,使中性粒细胞脱颗粒导致自身免
疫疾病吉兰 -巴雷综合症(Guilain-Barre Syndrome)[24] 。
幽门螺杆菌(HP)菌体表面和胃粘膜上皮细胞也表达
LeX抗原,LeX介导了HP黏附于胃粘膜表面,与此
同时HP表面的 LeX刺激机体产生 LeX抗体,LeX抗
体结合到胃粘膜上皮从而激活补体反应,造成胃粘
膜损伤[18]。在肿瘤恶性化过程中 LeX得到表达并经
常发生唾液酸化形成 SLeX,如肺癌。SLeX带有大
量的负电荷,有利于癌细胞的浸润、转移及在血管
中的流动,目前已证实 SLeX作为血管内壁 E-选择
素的配体与肿瘤细胞表面SLeX的识别、黏附过程是
癌细胞渗出血管实现转移的重要环节之一[25]。缺氧
可引起凝血酶原因子阳性的多形核白细胞、单核细
胞表面的LeX(CD15)的表达增加,LeX唾液酸化形成
SLeX,后者介导与血小板表面的P-选择素分子和血
管内壁的E-选择素结合,引起动脉血栓和动脉硬化
及阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA)
等心血管疾病[26~28]。
4 SSEA的表达与活性调控
SSEA的表达是一个精确的时序过程,是基因
表达的二级产物,糖苷酶、岩藻糖基转移酶在高尔
基体的分布、活性不同,从而决定了糖链的特异
性,尤其是在 SSEA-1的生物合成过程中。岩藻糖
基转移酶(fucosyltransferase, FUTs)将GDP-岩藻糖上
的岩藻糖残基转移到受体底物GlcNAc上,酶的表
达及活性的控制是 SSEA-1合成的关键环节。
4.1 α3岩藻糖基转移酶基因 20世纪 90年代以
来,对岩藻糖基转移酶做了大量的研究,已先后克
隆出幽门螺杆菌、线虫、果蝇、斑马鱼、鸡、牛、
鼠及人类的 FUTs基因。人共有 13个岩藻糖基转移
酶(fucosylt ransfera se, hFUTs)基因,其中 2个
α2FUTs(FUT1,2)、8个 α3FUTs (FUT3, 4, 5, 6, 7, 9,
10, 11)、1个 α6FUT(FUT8)、2个多肽的岩藻糖基
转移酶 POFUT1和 POFUT2。其中 FUT3, 4, 5, 6, 7,
9与 SSEA-1合成有关。FUT3,5,6基因具有 90%以
上的同源性,由一个共同的祖先基因编码,它们编
码酶的特性也非常相似,如N糖基化位点和二硫键
的位置、底物结合位点等。FUT3,5,6只在人类和
黑猩猩中被发现,不是功能性基因,在很多个体中
由于发生失活突变引起 FUT3,5,6基因沉默。FUT3
有 3个无效等位基因 le1、le2、le3主要分布在日本
人中。FUT3,4,5,6,9基因开放阅读框由单个外显子
264 生命科学 第17卷
编码,而 FUT7由 2个外显子编码。老鼠具有 3个
功能性的 α3FUT基因,即mFUT4,7,9,相当于人
的 FUT4,7,9基因。Weninger等[29]通过对小鼠 FUT4,7
基因敲除,证明 FUT4,7在白细胞运输过程中是必
须的。在岩藻糖基转移酶的系统进化树中,哺乳动
物、鸡、斑马鱼、线虫、果蝇、幽门螺杆菌的
α2FUT和 α6FUT基因家族中没有发现与 hFUT9基
因的同源基因;脊椎动物和线虫的 α3FUTs基因在
进化树中被分为 4个基因亚群,即 FUT3-FUT5-
FUT6、FUT4、FUT7和FUT9,斑马鱼的2个α3FUTs
基因 zFT1、zFT2同 hFUT9、mFUT9组成 1个直系
同源集簇(CGO),其中mFUT9和 hFUT9基因间的
非同义代换值很低,说明这 2个基因保守性很强,
从而使鼠和人在胚胎期表达相似的抗原[30~32]。据报
道 hFUT9-/-小鼠具有正常的繁殖能力,其早期胚胎
及干细胞中SSEA-1不表达,从而说明FUT9对小鼠
SSEA-1的表达是必须的[33]。
4.2 基因表达模式的组织、细胞特异性和种属特
异性 Nishihara等[34]系统研究了FUT在人体组织中
的特异性分布(表 3)。其中 hFUT9分布在前脑、胃
和脾中,肾脏完全没有,而小鼠的 FUT9广泛分布
在肾脏;人胃部的 Ley和 LeX是由 hFUT9合成的,
骨髓中是由 FUT4合成的;选择素识别的配体中的
岩藻糖基是由 FUT4,7合成的;小鼠神经细胞、肾
脏的LeX由mFUT9合成,而神经胶质细胞是由其他
mFUTs合成的;小鼠脑无mFUT4分布,而在胃、
结肠、脾脏、子宫、肺脏、睾丸、卵巢、小肠
上皮mFUT4分布广泛,这些说明其分布具有种属
特异性和组织特异性。在人胚胎发育早期表达
FUT4, 9,如中肾组织,10周后表达 FUT3, 6,如
后肾,说明 FUTs的表达具有阶段特异性[34~36]。
4.3 酶底物特异性及动力学特性 Nishihara等[34]系
统地研究了6个hFUT在体外对多聚乳糖胺底物的位
点特异性。 FUT3, 4, 5, 6, 9都能使末端的GlcNAc岩
藻糖基化形成产物A(表 3),其中FUCT9活性最强;
FUT3, 4, 5, 6, 9也能使内部的GlcNAc岩藻糖基化形
成产物B(表3),其中FUCT3, 4, 5, 6活性强,FUCT9
最弱;FUT4, 6, 9还可形成 LeX的二聚体,即产物
C(表 3) ;FUT7不能合成 LeX,只能合成 SLeX。由
此能看出 CD15主要由 FUT9合成。hFUT9的氨基
酸序列及酶动力学特性也不同于其他5个hFUT,这
一点同它们的酶活性是一致的。Toivonen等[37]发现
hFUCT9还有合成SLeX的活性,6个 hFUT的合成产
物如表 3。
综上所述,SSE A-1 广泛分布在微生物、线
虫、鱼类、鸟类和哺乳动物中,在胚胎发育,组
织分化,组织形态的形成,组织细胞间的信息联
络、识别、黏附中起重要作用。在长期的选择压
表3 α3岩藻糖基转移酶
酶   氨基酸 染色体定位  编码外显子 产物        分布
FUT3 361 9p13.3 1 AGalβ4[Fucα3] GlcNAc-R 胃、结肠、空肠
(又称 Lewis酶) Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
Fucα2 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
Galβ3[Fucα4] GlcNAc-R
Siaα3 Galβ3[Fucα4] GlcNAc-R
Fucα2 Galβ3[Fucα4] GlcNAc-R
FUT4 405 11q21 1 Galβ4[Fucα3] GlcNAcβ3 Galβ4 GlcNAc-R 各种组织,尤其子宫
(又称骨髓型 FUT) BGalβ4 GlcNAcβ3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
CGalβ4[Fucα3] GlcNAcβ3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
SiaαGalβ4 GlcNAcβ3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
FUT5 374 19p13.3 1 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R 脾、肝、结肠和睾丸
Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
FUT6 359 19p13.3 1 Galβ4 Fucα3] GlcNAc-R 上皮细胞、肾脏、肝脏
(又称血浆型 FUT) Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R 胃肠组织、脾和肺
FUT7 342 9q34.3 2 Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R 白细胞、微静脉的内皮细胞
(又称白细胞型 FUT)
FUT9 359 6q16 1 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R 前脑、胃、脾、外周血细胞
Siaα3 Galβ4[Fucα3] GlcNAc-R
265第3期 滕少辉,等:阶段特异表达的胚胎抗原
力下,FUT基因得以广泛的保存下来,说明了它在
生命活动中的重要性。细胞表面抗原对细胞分类鉴
定和细胞分化检测具有重要意义,特别是 SSEA被
广泛地作为监控人和老鼠的 ES/EC细胞分化的标
记,SSEA-1的消失标志啮齿类 ES和 EC细胞的分
化;在哺乳动物胚胎发育中,三个胚层增殖分化、
形成各种组织和器官原基,分化后的细胞种类由它
们所处的位置决定,细胞是否通过 LeX间的黏附来
保持位置的相对固定,从而决定其分化细胞的种类
呢?这一点还缺乏实验证明;另一方面,当正常组
织发生癌变时,经常伴随着胚胎抗原的出现,什么
因素促使 FUCT基因的激活,这有助于我们了解肿
瘤的发生机制。胚胎细胞和肿瘤细胞的分裂速度比
成熟组织要快很多,是否也同 SSEA等表面抗原的
表达有关。SSEA也被称为糖分化抗原,即在发育
过程中细胞的糖蛋白或糖脂的糖抗原性的改变是由
于序列的增加或删除一个糖基引起的,SSEA-1从
分化的组织中消失不是抗原位点的消失,很可能是
通过末端半乳糖唾液酸化形成SLeX或进一步的岩藻
糖基化形成 Ley掩盖了抗原位点,至少在胚泡是这
样的。进一步跟踪细胞表面糖抗原在胚胎发育到成
体阶段的表达规律有助于我们了解糖链在信息传递
中的作用。
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健康中心在多发性硬化免疫病理机制研究中获得最新进展
由中国科学院上海生命科学研究院上海第二医科大学健康科学中心臧敬五研究员领衔的研究小组最近在
多发性硬化的免疫病理机制及免疫调节机理研究方面获得了突破性进展。这一研究结果发表在 2005年 5月
3日出版的《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)上。
该研究小组首次在国际上阐明了免疫调节剂治疗多发性硬化的机理。多发性硬化(multiple sclerosis,
MS)是一种发生在中枢神经系统的自身免疫性疾病,主要以自身反应性 T细胞引起的大脑及脊髓炎症及神
经脱髓鞘变化为特征,(表现出来的后果为⋯⋯)好发于青壮年时期,30岁是发病高峰,发病率女性大于男
性。多发性硬化不仅在欧美等国家高发,而且在我国青壮年人群中也是较常见的神经系统疾病。多发性
硬化的发生与免疫调节紊乱相关。目前,该病尚无有效的根治方法。
臧敬五领导的研究小组对用于治疗多发性硬化的小分子多肽免疫调节剂可伯松(copolymer-I,COP-I)的
作用机理进行了系统性的研究。经研究发现,可伯松通过激活 T细胞的转录因子 Foxp3可将 CD4+CD25-调
节性 T细胞转化成 CD4+CD25+免疫调节细胞,从而纠正免疫调节紊乱,达到治疗的目的。该小组在 γ-干
扰素基因敲除的小鼠模型中进一步证实,上述作用是通过 γ-干扰素介导的。
这一突破性的研究成果为阐明多发性硬化的免疫病理机制及进一步研究有效的小分子多肽免疫调节剂提
供了关键的理论依据。同时通过本研究,也第一次揭示了 CD4+CD25+免疫调节细胞在多发性硬化发病机理
中的作用。目前,该小组正在已有的研究工作基础上深入探索新的多发性硬化的免疫治疗方法。
摘自 http: //www.sibs.ac.cn