全 文 ：第23卷 第7期
2011年7月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 7
Jul., 2011
文章编号：1004-0374(2011)07-0630-13
Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及
其与人类疾病的相关性
巨同忠*，Richard D. Cummings
(埃莫里大学医学院生物化学系，亚特兰大 30322，美国)
摘　要：从核心 1结构 (Galβ1,3GalNAcα1-O-Ser/Thr, core 1 structure, T antigen)中衍生出来的黏蛋白型 O-
聚糖在很多生理过程中发挥重要的生物学功能。T-合酶 (core 1 β3-galactosyltransferase, T-synthase) 是合成核
心 1结构的唯一糖基转移酶，它主要的功能是将半乳糖 (Galactose) 添加到 GalNAcα1-Ser/Thr (Tn抗原 ) 糖
链上。但是在人体和其他脊椎动物中有活性的 T-合酶的形成需要一个重要的伴侣分子 Cosmc；Cosmc功能
丧失将直接导致 T-合酶失活，其结果是机体细胞只能合成 Tn抗原以及唾液酰化 Tn (sialylTn, STn,
Neu5Acα2,6GalNAcα1-O-Ser/Thr)。综述目前对 T-合酶和 Cosmc的研究以及在人类疾病 (如异常 O-聚糖表
达相关的 Tn综合征、IgA肾病和肿瘤 )发生发展中的作用。
关键词：O-聚糖；T-合酶；分子伴侣；Cosmc；Tn 抗原
中图分类号：Q555+.4; Q591.2 文献标志码：A
The key role of Cosmc and T-synthase in mucin-type O-glycan biosynthesis --
implications in human diseases
JU Tong-Zhong*, Richard D. Cummings
(Department of Biochemistry, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322, USA)
Abstract: Mucin type O-glycans, primarily derived from the core 1 structure, play pivotal functions in many
biological processes. The T-synthase (core 1 β3-galactosyltransferase) is the key enzyme responsible for
synthesizing the core 1 O-glycan Galβ1,3GalNAcα1-Ser/Thr (T antigen) through addition of Gal to GalNAcα1-Ser/
Thr (Tn antigen). Interestingly, formation of active T-synthase in human and other vertebrates requires a specific
molecular chaperone, Cosmc. Dysfunction of Cosmc results in an inactive T-synthase leading to expression of the
Tn antigen and its sialylated version, sialylTn (STn, Neu5Acα2,6GalNAcα1-Ser/Thr). This review summarizes the
current understanding of the T-synthase and Cosmc regarding their biochemistry and biology, as well as their roles
in human diseases, such as Tn syndrome, IgA nephropathy, and human tumors, which are associated with expression
of abnormal O-glycans.
Key words: O-glycan; T-synthase; molecular chaperone; Cosmc; Tn antigen
收稿日期：2011-2-11
基金项目：National Institutes of Health Grants (RO1
DK80876，RO1 GM068559)
*通信作者：E-mail: tju@emory.edu
在体内寡糖或糖蛋白和糖脂分子中的聚糖成分
扮演许多重要的生物学过程，包括信号转导、细胞
间的相互作用、生长调节、分化和黏附等重要作用 [1]。
它们也可以作为一些酶的配体、激素、毒素、凝集
素和病原体的配体而发挥重要的生理功能 [2-5]。糖
链的修饰是重要的蛋白质翻译后修饰，黏蛋白型 O-
糖基化是其中重要的类型之一。
黏蛋白型 O-聚糖 (或 O-连接寡糖 )通过一个
在高尔基体发生的连续糖基转移作用合成，而合成
巨同忠，等：Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及其与人类疾病的相关性第7期 631
的过程由一套糖基转移酶催化。最初的一步是通过
多肽：α-N-乙酰氨基半乳糖基转移酶 (polypeptide
α-N-acetylgalactosaminyltransferase, ppGalNAcT)的
作用把 GalNAc从 UDP-GalNAc转移到多肽上的丝
氨酸 /苏氨酸残基上形成 Tn抗原 (图 1)。在大多数
情况下，核心 1 UDP-Gal:GalNAc-α1-O-Ser/Thr β3-
galactosyltransferase (core 1 β3 galactosyltransferase,
core 1 β3GalT, T-合酶 ) 将 Gal从 UDP-Gal转到 Tn
抗原上形成 Galβ1,3GalNAc-α-O-Ser/Thr的核心 1
结构 (core 1 structure)，这个结构也被称为 T抗原 (T
antigen)。这个核心 1结构通常是进一步被核心 2
β6-N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶 (core 2 GnT)、核心
1 β3-N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶 (core 1 GnT)、β-
半乳糖基转移酶、唾液酰转移酶和磺酰基转移酶修
饰或延长形成一系列复杂 O-聚糖。这些 O-聚糖包
括单 -或双 -唾液酰化核心 1，带有唾液酰化 Lewis
X(sLex抗原 )的核心 2 O-聚糖 (带有 N-乙酰乳糖
胺结构或多聚 N-乙酰乳糖胺结构 )，磺酰化后的核
心 1衍生的 O-聚糖，如磺酰并唾液酰化 Lewis x
(MECA79表位 )，这个表位在许多黏蛋白、膜糖蛋
白、分泌性糖蛋白分子中出现。这些复杂的核心 1
衍生的 O-聚糖在免疫反应 [6-8]、细胞间的相互作用
(选凝素及其配体 )[7-11]、血管生物学 [12]、血管生成 [13]
和淋巴管生成 [14]中发挥重要作用。此外，在胃肠
道 (消化道 )上皮细胞中，核心 3 β3-N-乙酰氨基葡
萄糖基转移酶 (UDP-GlcNAc:GalNAc-α1-O-Ser/Thr
β3-N-acetylglucosaminyltransferase, core 3 GnT, β3-
GnT6) 可以催化在 Tn 抗原上加一个 GlcNAc 以
形成核心3结构 (GlcNAcβ1-3GalNAc-α1-O-Ser/Thr)[15]。
这个结构通常是进一步被延长为核心 4结构
[GlcNAcβ1-3(GlcNAcβ1-6)GalNAc-α1-O-Ser/Thr]，
并进一步修饰成复杂的 O-聚糖。分泌的黏蛋白
MUC2、MUC3、MUC13、MUC5AC，及其相关的 O-
聚糖，包括以核心 1结构和核心 3结构衍生的 O-
聚糖，是肠道黏液层的主要成分，覆盖肠道表面，
保护胃肠道上皮细胞免受有害微生物和食物中刺激
成分的损伤。第三个对 Tn抗原的修饰是由 CMP-
Neu5Ac:GalNAc-α1-O-Ser/Thr α2,6-sialy-ltransferase
(ST6GalNAc-I)催化的唾液酰化 [16]，形成唾液酰化
Tn 抗原 (Neu5Acα2,6GalNAc-α1-O-Ser/Thr, sialyl Tn,
STn)，这是 Tn抗原的最终修饰产物。STn在牛、
羊颌下腺 [17]中被发现，但是通常情况下在人体组
图中所示为常见的O-聚糖核心结构1、3、4及其延伸。催化起始反应的糖基转移酶已标识。核心1 β3GalT(T-合酶)需要分子伴
侣Cosmc(Xq24)。T-合酶缺失会造成Tn抗原累积，有些Tn抗原可被低活性的ST6GalNAc-Ⅰ转化为sialyl Tn(STn)。
图1 黏蛋白型O-聚糖的生物合成
生命科学 第23卷632
织中 ST6GalNAc-I表达水平较低，不能合成可被检
测到的 STn抗原。
值得注意的是，在O-聚糖生物合成途径中的大多
数糖基转移酶存在基因家族。例如，人类 ppGalNAcT
大约有 20个基因，但是每一个 ppGalNAcT有自己
的酶底物偏好，如 ppGalNAcT-2负责血清 IgA1铰
链区的糖基化 [18]。已发现有 3个基因编码人 core 2
GnT，至少 7个基因编码人 β4GalT。然而，一个在
O-聚糖生物合成途径中有独特位置的酶——核心 1
β3GalT(T-合酶 )，仅由单一的基因编码。因此，T-
合酶活性的变化将显著影响最重要 O-聚糖的生物
合成，并可能导致缩短的 O-聚糖即 Tn抗原的表达，
以及因 ST6GalNAc-I作用而形成的 STn抗原。事
实上，Tn/STn抗原在很多疾病中被发现，例如自身
免疫性疾病 Tn-综合征 (Tn syndrome)[19]和 IgA肾病
(immunoglobulin A nephropathy, IgA nephropathy,
IgAN)[20-21]以及一些肿瘤 [22-23]。引人注目的是，在
脊椎动物中，合成具有催化活性的 T-合酶需要一个
特定的分子伴侣 Cosmc (core 1 β3galactosyltransferase
specific molecular chaperone)，Cosmc辅助 T-合酶在
体内正确折叠并形成正确的空间结构 [24]。此外，事
实证明，位于 X染色体 (Xq24)的单一外显子的
Cosmc基因的突变，与 Tn综合征和肿瘤患者中异
常表达 Tn和 STn直接相关。在本综述中，将讨论
黏蛋白型 O-聚糖的生物合成，特别是 T-合酶和
Cosmc在其中的功能，以及黏蛋白型 O-聚糖在人
类疾病发展中的作用。
1　T-合酶：生物化学与生物学活性
在所有的动物细胞中，修饰 Tn抗原的主要酶
是 T-合酶 (C1GALT1, EC2.4.1.122)，它催化 Gal从
供体 UDP-Gal转移到糖蛋白上的 GalNAcα1-O-Ser/
Thr(Tn抗原 )形成核心 1或 T抗原中的一个 β-糖苷键，
T抗原也被称为 Thomsen-Friedenreich或 TF抗原。
因此，T-合酶是一个反相酶，因为它将供体上 α-连
接的 Gal转移到受体上时形成了 β-连接 [25]。这种糖
基转移酶需要二价阳离子 (如Mn2+)保持其活性，
这与其他许多糖基转移酶相类似，如在幼仓鼠肾
(BHK)细胞 [26]和其他很多组织或细胞系，而且大鼠
肝 [27]和猪气管黏膜 [28]的该糖基转移酶已被部分纯
化。 2002年从大鼠肝脏中分离和纯化到 T-合酶 [29]。
天然的 T-合酶是相对分子质量为 84 000/86 000、由
二硫键连接的同二聚体，但单体 (相对分子质量
42 000/43 000)也同时被观察到，并有酶活性。二
聚体间及单体分子间的相对分子质量有所不同，其
原因并不明确。根据大鼠的 T-合酶的 N-端序列，
人类 T-合酶的基因被克隆 [30]，其核酸序列长为 1.8
kb，开放阅读框架为 1 089 bp，编码 363个氨基酸
的 II型跨膜蛋白。该蛋白包含 6个氨基酸的 N-端
胞浆结构域、26个氨基酸的跨膜区以及茎结构和催
化结构域。有趣的是，成熟的蛋白质的 N端并不包
含起始密码子编码的甲硫氨酸。Northern杂交结果
显示人 T-合酶有两个大小不同的转录本 (~2.0 kb和
~7.0 kb)，而且表达广泛，并且不同组织的表达水
平各异。其中~2.0 kb的转录本非常接近 cDNA长度，
可能是成熟的、有活性的 T-合酶形式，而且只有 2.0
kb转录本在大鼠睾丸中存在。然而，7.0 kb转录本
是否为不完全的剪接形式，还是有独特功能的 T-
合酶形式，还需要进一步研究。
异属同源 T- 合酶已经从不同的物种中被克
隆或鉴定，包括黑猩猩、牛、狗、大鼠、小鼠、鸟、
非洲爪蟾和斑马鱼，以及无脊椎动物果蝇和线
虫 [30-31]。研究显示物种间 T-合酶蛋白质序列同源
性高，尤其是哺乳动物中。T-合酶也很独特，它与
其他 β3Galactosyltransferases保守序列的同源性甚
小。值得注意的是，在人类和其他哺乳动物中，T-
合酶的基因为单个基因。人类T-合酶基因 (C1GALT1)，
长 115.9 kb，位于染色体 7p14-p13，包含 3个外显子，
其中第 2个外显子最长。有趣的是，哺乳动物 T-
合酶蛋白质分子不含有 N-糖基化修饰，而其他的
糖基转移酶含有一个和多个潜在的 N-糖基化位点
即 Asn-X-Ser/Thr序列子。
较低等的物种，如斑马鱼 (Danio rerio)，至少
有 2种同源 T-合酶基因：C1GalT1-B和 C1GalT1-A，
分别编码 B型 T-合酶和 A型 T-合酶，两者间有
65％的同源性。T-合酶 -B含有 1个潜在的 N-糖基
化位点，而 T-合酶 -A有 4个。在斑马鱼数据库中
可能还存在第 3个 T-合酶基因，与 C1GalT1-B有
61％的同源性。非洲爪蟾 (Xenopus laevis)数据库中
显示有 3个同源 T-合酶基因，其中 1个所编码的
蛋白 (NP_001085899)含 4个潜在的N-糖基化位点。
虽然这些较低等物种的 T-合酶含有潜在 N-糖基化
位点，但它们并不保守。无脊椎动物线虫 (Caenor-
habditis elegans)的 T-合酶 [31]和人的只有大约 43％
的同源性，含有 4个潜在的 N-糖基化位点。本课
题组发现，将线虫中的 T-合酶表达于昆虫细胞中，
其活性很高，它可以利用 P-选凝素糖蛋白配体 -1
(P-selectin glycoprotein ligand-1, PSGL-1)作为接受
巨同忠，等：Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及其与人类疾病的相关性第7期 633
体合成核心 1的结构；但将其表达于哺乳动物细
胞中，T-合酶活性却不高。这种由于表达细胞不
同而引起的酶活性差异的原因，目前还不清楚。
果蝇 (Drosophila)中鉴定了 3个 T-合酶基因 [30,32]：
CG9520(C1GalTA)含有 1个潜在N -糖基化位点——
Asn88，是一个非常活跃的 T-合酶；其他 2个基因
产物的 T-合酶活性还没有被确认。
据报道，在线虫基因筛选中发现 bus- 2编码了
潜在的 T-合酶同源基因 (C1GalT1) [33]。携带 bus-2
基因突变的线虫缺乏核心 1 O-聚糖，而且对 M.
nematophilum有抗药性。虽然 bus-2基因编码的蛋
白由于带有半乳糖转移酶的保守结构域被预测为半
乳糖转移酶，但是它与线虫中已被证明有活形的 T-
合酶有很少的同源性 [31]。此外，没有实验证明
bus-2编码的蛋白有糖基转移酶的活性，所以其生化
特性以及是否具有 T-合酶的功能有待进一步研究。
小鼠 T-合酶 (T-Syn)与人 T-合酶基因有相似的
结构，其位于 6号染色体上，由 3个外显子组成。
为了研究体内 T-合酶和核心 1相关 O-聚糖的功能，
利用 Cre - LoxP系统将小鼠 T-合酶基因的外显子 I
和 II 删除 [13]。完全敲除 T-合酶基因 (T-syn-/-)的小
鼠是不能存活的，这些小鼠在胚胎发育第 14.5天死
于大脑和脊髓出血 [13]。在这些 T-syn-/-小鼠胚胎中 T-
合酶的活性丢失导致 Tn抗原广泛的表达；而且内
皮细胞和外膜细胞 (Pericytes)结构异常，这些细胞
是血管组成的最重要部分。这并不奇怪，内皮细胞
糖蛋白 O-糖基化的异常会影响血管的形成，因为
它们的表面糖蛋白有大量 O-糖基化 ，但具体的与
此表型相关的机制并不十分清楚。用 N-乙基 -N-
亚硝基脲诱变方法建立了含有 1个 T961A点突变 T-
合酶基因鼠系 [34]，而这一突变导致其蛋白质发生
Y321N的突变，引起 T-合酶活性丧失。令人惊讶
的是，带有这一突变的小鼠能够存活，尽管在 200
天内 90％的小鼠死于血小板减少症和肾病。糖蛋白
Ibα(GPIbα)是血小板的主要糖蛋白之一，已证明这
一突变小鼠的 GPIbα携带 Tn抗原，与血小板减少
症表型有关。然而，导致这一突变体小鼠发生肾病
的机制并不清楚。总体而言，通过对这一突变小鼠
的观察， 5%~10％的 T-合酶的活性已经足够维持小
鼠生存和发育。最近，Fu等 [14]研究报道，在内皮
和造血细胞中 T-合酶的敲除 (EHC-T-syn-/-)造成围
产期死亡，与出血相关；这些发现与传统的 T-合
酶基因敲除小鼠模型的表型一致。这一基因敲除的
存活小鼠表现出淋巴系统发育受损，淋巴管与微循
环系统的连接异常。由此而导致肠道乳糜微粒可直
接在肝脏中被肝细胞吸收，造成脂肪肝。有趣的是，
Podoplanin基因敲除小鼠表现出类似淋巴管缺陷的
表型 [35]，表明 EHC-T-syn-/-小鼠的表型可能部分来
自功能障碍的 Podoplanin。事实上，Podoplanin是
一种高度 O-糖基化修饰的细胞表面糖蛋白，在淋
巴管发育中起着关键作用。在 EHC-Tsyn-/-小鼠中
Podoplanin被蛋白酶降解而失去功能。这些结果表
明，Podoplanin的 O-聚糖对其稳定性和整体功能
有重要的作用。这些研究不仅证实了 T-合酶在 O-
聚糖生物合成及其维持正常血管和血小板功能中的
重要性，而且证实在小鼠中只有一个 T-合酶基因。
在低等脊椎动物中的 O-糖基化作用也有一些
研究。通过 RNA干扰技术对斑马鱼 T-合酶 -B和
非洲爪蟾 T-合酶基因 (NP_001085899)的表达进行特
异性抑制 [14]。虽然这两种动物中相关基因的表达被
抑制，但并不表达 Tn抗原；然而，他们与对照一
样可以表达核心 1 O-聚糖，且这些动物没有异常表
型，血液和淋巴系统也没有异常。这些数据表明在
斑马鱼和非洲爪蟾中存在其他 T-合酶基因，并且
能补偿被敲除的基因。
有趣的是，在果蝇中，有功能的T-合酶 (CG9520
-C1GalTA)特异性表达在 Amnioserosa和中枢神经
系统
[36]
。C1GalTA缺失突变是致死的，表现出明
显的形态发生缺陷：腹侧神经索延长，大脑半球畸
形
[37]
。因而推测，核心 1 O-聚糖在细胞和细胞、
细胞和细胞外基质的相互作用中有很关键的作用。
虽然人类只有 1个有功能的 T-合酶基因，但
是在 5、12、8和 15染色体上还有 4个与 C1GalT1
高度同源的 DNA序列，分别被称为 C1GalT1假基
因 -1、-2、-3 和 -4(pC1GalT-1、-2、-3 和 -4)
[38]
。
与有功能的 C1GalT1基因不同，所有 pC1GalTs由
1个单一的“外显子”组成，而且有许多错义突变
和 DNA片段缺失。pC1GalT-1序列最保守，与
C1GalT1有 93%的同源性；pC1GalT -2、 pC1GalT-3、
pC1GalT-4与 C1GalT1的同源性依次降低，分别为
91%、80%、71％。4个非功能性基因的存在，不
仅可以为人类 C1GalT1的进化提供线索，而且它
们，尤其是其中一些有转录活性的假基因，有可能
也参与了对 C1GalT1表达的调控。
2　Cosmc：发现、生化特性和生物学功能
很多年前已证实，T-淋巴母细胞株 Jurkat与正
常人 T细胞不同，其缺乏 T-合酶活性，而且不能
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在主要的 O-聚糖上合成 Tn抗原 [39]。为揭示 T-合
酶活性抑制的原因，本课题组检测了 T-合酶在 Jur-
kat细胞中的表达。首先，假设 T-合酶活性缺失是
由于 Jurkat细胞中 T-合酶基因的突变或基因转录调
控，但随后的研究结果并没有发现相关的异常。其
次，在 Jurkat细胞中表达重组 HPC4标记的 T-合酶，
但没有发现 T-合酶活性显著增强。有趣的是，重
组蛋白却能显著增强其他细胞系 (如 293T细胞系 )
中 T-合酶的活性 [30]。根据以上结果推测，Jurkat细
胞的 T-合酶蛋白在合成之后，可能由于错误折叠
而通过蛋白酶体途径迅速降解。为证实该假设，本
课题组用蛋白酶体抑制剂MG-132处理转染人重组
T-合酶的 Jurkat细胞。正如所料，虽未检测到 Jur-
kat细胞中 T-合酶的酶活性增加，但通过Western
blot方法可以检测到重组 T-合酶蛋白的表达，表明
Jurkat细胞中 T-合酶蛋白的错误折叠是导致其缺失
的关键原因。
对部分纯化的大鼠肝 T-合酶蛋白的研究结果
提示，1个潜在的因子与 T-合酶有重要关系，在
鉴定这些纯化蛋白的 N -端测序实验中发现了 2种
蛋白质：1个是小鼠 T-合酶，另 1个是一个未知
的蛋白质的部分序列。 这个未知蛋白随后鉴定为
Cosmc(核心 1β3Gal- T的特定分子伴侣 )，同时其
人 cDNA序列也被克隆 [24]。该 cDNA编码 318个
氨基酸，相对分子质量为 36 400，预测为一个 II型
跨膜蛋白。有趣的是，人 Cosmc是单外显子基因，
位于染色体 Xq24 [24]。随后，本课题组发现 Jurkat
细胞中 Cosmc发生突变，转染野生型 Cosmc能挽
回 Jurkat细胞中的 T-合酶活性并纠正 O-聚糖的结
构。最重要的是，本课题组研究结果表明，Cosmc
蛋白本身并不具有 T-合酶活性，并且在细胞中与 T-
合酶有不同的定位 [40]。通过 Northern杂交实验发
现，Cosmc和 T-合酶是协调表达的，表明这两种
蛋白质关系密切 [40]。
与主要位于高尔基体的 T-合酶不同，Cosmc主
要位于内质网 [40-41]。此外，与 T-合酶类似，Cosmc
也是二硫键连接的同源二聚体。Cosmc蛋白的跨膜
域决定了其定位于内质网，研究发现该跨膜域中的
半胱氨酸残基对 Cosmc内质网定向和同源二聚体的
形成都有重要作用 [41]。该发现揭示了 II型跨膜蛋
白内质网定位的新机制。
与脊椎动物和无脊椎动物都拥有 T-合酶不同，
Cosmc异属同源基因 (Orthologo)只出现在诸如黑猩
猩、牛、小鼠、大鼠、狗、鸟、非洲爪蟾和斑马鱼
等脊椎动物中。与 T-合酶类似，这些物种中的
Cosmc高度保守，特别是在哺乳动物中，与人
Cosmc蛋白的同源性超过 90%。到目前为止，只有
1个 Cosmc基因在这些物种中被发现 [40]。因此，在
非洲爪蟾和斑马鱼中以 RNA干扰技术敲除 Cosmc
来研究核心 1 O-聚糖的生物学作用可能是更有效而
且可行的手段。虽然人 T-合酶蛋白可在如 Hi-5和
Sf-9昆虫细胞中表达，但是表达的蛋白缺乏酶活；
只有在这些细胞中共同表达 Cosmc才能产生有活性
的 T-合酶 [24,42]。
为什么脊椎动物 T-合酶的完全折叠需要
Cosmc的辅助， 而非脊椎动物中不需要？到目前为
止，具体原因尚不清楚，但本课题组的研究已为其
提供重要的线索。哺乳动物的 T-合酶没有 N-糖基
化位点，同样低脊椎动物的 T-合酶也缺乏保守 N-
糖基化的位点；相比之下，无脊椎动物的 T-合酶
有多个 N-糖基化位点。Calnexin/Calreticulin系统
是内质网蛋白质质量控制的重要分子，只能识别糖
蛋白并且帮助糖蛋白折叠。在脊椎动物中 Cosmc识
别非N-糖基化的 T-合酶并使其折叠成正确的结构，
可能是对 Calnexin/Calreticulin系统的补偿 [43-44]；而
无脊椎动物的 T-合酶有多个 N糖基化位点，其折
叠成有活性的蛋白不需要 Cosmc的辅助 [31]。
为了进一步研究体内 Cosmc作为 T-合酶分子
伴侣的功能以及探索其他潜在的生物学作用，最近
本课题组构建了 Cosmc基因全部和部分敲除的小鼠
模型 [45]。与人 Cosmc基因相似，鼠 Cosmc基因是
位于 X染色体 (Xc3)上的单外显子基因。在小鼠中
全部敲除和大部分敲除 Cosmc基因会导致胚胎期或
围产期死亡，在这些早期胚胎中分离的细胞均高表
达 Tn抗原。胚胎死于多器官和组织的出血，例如脑、
脊髓，与传统的 T-合酶基因敲除鼠的表型相似。
部分缺失 Cosmc基因的小鼠则表现出不同的表型，
这与 Cosmc基因缺失的程度以及小鼠的性别有关；
雌性小鼠的存活率远大于雄性小鼠，因为 Cosmc基
因位于 X染色体。Tn抗原存在于很多器官和组织，
包括胃、肠、肾、肝、脾、肺、胰腺，进一步证实了
Cosmc对 T-合酶功能的重要性 [45]。为充分评估 Cosmc
在体内的作用，建立专一组织或器官的 Cosmc基因敲
除 (tissue-specific Cosmc-knockout)模型是必需的。
Cosmc只是 T-合酶的特定分子伴侣吗？到目
前为止，所有的证据支持这一假设。Jurkat细胞及
其他细胞，如大肠癌细胞 LSC在 Cosmc基因中有 1
个突变，而且似乎只缺乏 T-合酶 [24,39,46]。此外，
巨同忠，等：Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及其与人类疾病的相关性第7期 635
Cosmc-/y小鼠和野生型胚胎中的 N-糖蛋白的表达谱
和植物凝集素识别的 N-聚糖没有差异，但是 O-糖
蛋白的表达谱有明显的不同 [45]。更重要的是，
Cosmc基因敲除小鼠与 T-合酶基因敲除鼠的表型
相同 [13,45]。此外，体外重组实验表明，Cosmc可促
进T-合酶的重新折叠，但是对其他的酶没有作用 [47]。
有趣的是，没有活性的 T-合酶在 LCS细胞中能与
内质网的分子伴侣蛋白 Grp78结合，该蛋白识别并
结合因折叠错误而暴露出疏水区域的蛋白；然而，
与 Grp78的结合并不能产生正确折叠的 T-合酶蛋
白，因此 Cosmc是合成有活性的 T-合酶必不可少
的分子伴侣 [40]。综上所述，Cosmc最主要的生物学
功能就是促进 T-合酶的正确折叠。
Cosmc的起源尚不清楚，但有线索表明 Cosmc
可能从 T-合酶基因或者另一些有共同起源的分子
演变而来。Cosmc与 T-合酶在蛋白质序列上有
20%的同源性 [24]，曾经被误认是另一个 T-合酶
(C1GALT2)[48]，后来被纠正 [49]；该同源性主要位于
腔结构域 (lumenal domain)及其 6个半胱氨酸残基。
其他的间接证据来自于分别位于 5、8、12和 18号
染色体上的 4个 T-合酶假基因，它们与 Cosmc相
似，都是单外显子基因。根据单外显子的特性推测，
假基因可能来自人 T-合酶基因 mRNA的反转录，
并随后整合到基因组中。这些数据表明，Cosmc有
可能通过 T-合酶假基因进化而来。
3　辅助产生活性T-合酶——分子伴侣Cosmc的
作用机制
许多研究已证明，合成有活性的 T-合酶必需
Cosmc的辅助，在内质网上 Cosmc能辅助 T-合酶
正确的折叠。缺乏有功能 Cosmc的细胞也因此缺失
有活性的 T-合酶。例如，人大肠癌 LSC细胞和黑
色素瘤细胞 LOX没有任何 T-合酶的活性，因为在
LSC细胞 Cosmc基因的核苷酸序列起始密码子起第
54位插入了一个碱基“T”，导致其仅编码一个缺
少腔结构域的 28 aa的肽段；而 LOX细胞中没有
Cosmc转录本，因此没有 Cosmc蛋白表达 [46]。相
比之下，Jurkat细胞有微量的 T-合酶活性，因为该
细胞中的 Cosmc基因由于在第 473位缺失一个碱基
“T”形成终止密码子，导致翻译提前终止，从而仅
编码包含部分腔结构域的长 158 aa的肽段。本课题
组通过昆虫细胞表达系统发现，Jurkat细胞中突变
Cosmc有 2%~5％的活性 [24,50]。此外，由于昆虫细
胞没有 Cosmc基因，在昆虫细胞中单独表达人重组
T-合酶没有活性，除非与 Cosmc共表达才能产生
有活性的 T-合酶；而在 LSC、LOX和 Jurkat细胞
中转染野生型 Cosmc不仅恢复了 T-合酶的活性，
而且还纠正了细胞中 O-聚糖的结构 [24,46]。
Cosmc如何行使分子伴侣的功能呢？在内质网
上 Cosmc可能结合到新合成的 T-合酶以防止其聚
集并进入内质网相关性降解 (ER-associated degrada-
tion, ERAD)途径降解。在相关研究的基础上，本
课题组提出了 Cosmc在内质网上辅助 T-合酶正确
折叠的工作模式 (图 2)[24,40]：缺乏 Cosmc的细胞能
合成 T-合酶蛋白，但其不能正确折叠而形成有活
性的 T-合酶；错误折叠的 T-合酶与 Bip (Grp78)结
合而被滞留在内质网腔内，免疫共沉淀结果显示了
两者的结合能力 [40]；随后这种错误折叠的 T-合酶
被转移至胞浆并被泛素化，并运送到 26S蛋白酶体
降解。由于 T-合酶腔结构域受损，这种错误折叠
的 T-合酶最有可能进入 ERAD-Lumenal(ERAD-L)
降解途径。ERAD-L途径似乎很有效，因为在缺失
Cosmc的小鼠胚胎没有检测到 T-合酶蛋白 [45]。折
叠错误的 T-合酶如何被转运到细胞质并被泛素化
而降解，该机制尚不清楚，可能与 HRD-1 复合
体有关，因为最近有研究表明，HRD-1 参与了
ERAD-L体系降解途径 [51]。有趣的是，在 LSC细
胞中重组 T-合酶被一种未知的蛋白酶在茎区域裂
解 [40]。在缺乏 Cosmc的细胞中，蛋白酶体抑制剂
处理会导致无活性的全长 T-合酶蛋白的聚集，部
分被降解并聚集在内质网管腔中。那么，T-合酶茎
的裂解位点在哪里，由何种蛋白酶负责裂解，裂解
是否是错误折叠的 T-合酶进入降解途径所必需的，
错误折叠 T-合酶的腔结构域、跨膜 /胞浆结构域是
否分别被 ERAD-L、ERAD膜 /胞浆 (ERAD-M/C)
途径降解，对这些问题的理解可望揭示内质网上降
解错误折叠的 II型跨膜蛋白的新机制。
新近的体外实验发现，在没有 ATP存在或水
解的条件时，经热或盐酸胍变性的重组 T-合酶与重
组的 Cosmc共同孵育后能部分回复其酶活性 [47]。此
外，Cosmc具有结合 ATP的活性 [40]，这提示在体
内 ATP在 Cosmc发挥功能的过程中可能有一定的
辅助作用。显然，仍然有许多关于 Cosmc生物学作
用及其作为 T-合酶特异性分子伴侣的问题需要进
一步研究。
4　Cosmc/T-合酶与人类疾病中的关系
脊椎动物所有类型的细胞中，复杂的 O-聚糖
生命科学 第23卷636
从核心 1二糖上扩展合成；而在消化道上皮细胞中，
也有部分 O-聚糖是从核心 3二糖上延伸的。这表
明，Tn 抗原是一种不成熟的结构，需要在此
基础上进行有效地修饰或延长。本课题组的研究结
果证实了该结论：Cosmc基因敲除的小鼠胚胎细胞
表面均一表达 Tn抗原，但是野生型小鼠胚胎没有
Tn抗原 [45]。已有许多研究表明，Tn抗原与特定病
理状况相关，且取决于表达 Tn抗原的细胞类型，
如血细胞上的 Tn抗原与 Tn-综合征有关，血清
IgA1上表达的 Tn抗原与 IgA肾病相关，许多肿瘤
细胞也表达 Tn抗原。
4.1　Tn综合征
Tn综合征是一种罕见的血液疾病，其特征是
Tn抗原表达于患者的血细胞亚群。最初 Tn综合征
被描述为红细胞多凝集综合征 [52]。临床上 Tn综合
征患者通常显示健康表型，不需要治疗 [19]。实验室
测试可能会发现中度溶血性贫血，血小板和白细胞
减少。导致以上症状出现的机制是多方面的，但是
目前了解甚少。
有研究表明，在 Tn综合征患者红细胞和白细
胞中，糖蛋白上的半乳糖和唾液酸含量降低造成
GalNAc-α1-O-Ser/Thr暴露，且 T-合酶活性缺失与
此相关。Thurnher等 [53]认为这种现象可能是由于 T-
合酶启动子高度甲基化导致其表达受到抑制，而遗
传学证据表明，这是由 Cosmc基因的体细胞型突变
所致 [42,54](图 3)。因此，Tn综合征患者的血细胞基
因型为“混合 (Mosaic)”基因型。这些突变导致
Cosmc基因ORF错位、转录提前终止甚至无法转录，
最终导致血细胞 Cosmc分子伴侣功能严重受损，或
完全丧失。最近，本课题组总结了现有 Tn综合征
患者血细胞中发现的所有 Cosmc突变类型 [38]。Tn
综合征患者的溶血性贫血、血小板计数减少以及偶
发的出血等临床症状，可能是由自身抗体识别和作
用于白细胞或血小板上的 Tn抗原所致。这些抗体
可能类似抗成人红细胞糖型 I抗原 (carbohydrate I
antigen)的自身抗体，具有免疫球蛋白M(IgM)冷凝
集素的性质 [56]。此外，也有可能血小板或白细胞上
的糖蛋白对细胞分化成熟及发挥功能极为重要，如
果糖蛋白的 O-糖基化状态发生改变可能会影响其
功能。
4.2　肿瘤
人肿瘤细胞上的 Tn抗原最初是因为肿瘤细胞
能与蜗牛凝集素结合而在 1969年被发现。而蜗牛
凝集素能识别糖蛋白和 (或 )聚糖末端的 α-半乳糖
胺，包括 Tn抗原 [57]。随后，许多研究发现，Tn和
STn抗原在许多类型的癌症中表达，包括结肠癌、
人Cosmc(绿色)通过一个二硫键形成同源二聚体并定位于内质网，识别并结合人T-合酶新生肽(红色)以协助其正确折叠。然后
具有正确空间结构的T-合酶单体(红色)以同源二聚体的形式定位到高尔基体，参与合成核心1 O-聚糖(T抗原)。如果Cosmc发
生突变丧失功能，新生的T-合酶多肽会聚集并进入ERAD-L途径降解；或是先在蛋白水解酶作用下于茎结构域裂解，然后腔
结构域、跨膜/胞浆结构域分别进入ERAD-L和ERAD-M/C途径降解。HRD1复合体可能参与错误折叠的T-合酶逆向转运到胞
浆，使其在HRD1 E3连接酶介导下被泛素化，最终由26S蛋白酶体降解。
图2 Cosmc作为分子伴侣在内质网内辅助新合成的T-合酶正确折叠的工作模型
巨同忠，等：Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及其与人类疾病的相关性第7期 637
肺癌、膀胱癌、子宫颈癌和卵巢癌 [23,58-64]。相比之下，
正常组织则表达很少或没有表达。此外，在癌症中
Tn和 STn抗原的表达与肿瘤高转移性潜能和预后
差有密切关系，包括宫颈癌 [65-66]、肺腺癌 [67]、结直
肠癌 [68]、乳腺癌 [69-70]和胃癌 [71]。因此，Tn和 STn
抗原被认为是主要的肿瘤相关糖抗原 (tumor-associ-
ated carbohydrate antigens, TACAs)。
最近研究证明，人肿瘤细胞 Tn抗原的表达与
Cosmc功能丧失有关 [46]。 Tn和 STn抗原在宫颈癌
以及一些人肿瘤细胞株中，包括 Jurkat、大肠癌
LCS和 LS174T以及黑色素瘤细胞 LOX，其表达是
由于 Cosmc基因体细胞突变或者转录失活所致。与
此一致，小鼠在衰老过程中自发形成有 Tn抗原表
达的纤维肉瘤，其 Tn抗原的表达是由于肉瘤细胞
的 Cosmc在腔结构域缺失了 26个氨基酸。小鼠神
经母细胞瘤细胞株 Neuro-2a(也称为 C1300)[72-73]也
在正常造血过程中，造血干细胞(HSC)分化成表达核心1和核心2 O-聚糖结构的血细胞。在Tn综合征患者中，循环的血细胞属
于“混合基因型”： 一部分循环血细胞带有正常的Cosmc基因，表达正常O-聚糖链；而另一部分由于携带突变的Cosmc基因
而表达受损的O-聚糖Tn抗原，该部分细胞系可能来源于一个携带单一获得性突变的HSC。携带特定突变Cosmc基因的血细胞
所占比例不等 [42,54]。注：这里显示的造血途径模式摘自Weissman[55]。
图3 Tn综合征患者造血细胞Cosmc体细胞型突变 导致血细胞载有Tn抗原的模型
生命科学 第23卷638
表达 Tn抗原，其Cosmc发生碱基替换突变 (G301T)，
导致翻译提前终止。不同类型癌症细胞中 Cosmc体
细胞型突变的发现，是有关单基因座突变能导致整
体 TACA表达改变的第一个例证。最近一篇综述已
总结了肿瘤细胞中 Cosmc突变类型 [38]。
肿瘤携带的 Tn、STn抗原对细胞的影响还无
深入研究报道。但有研究表明，在肿瘤细胞表达
的 Tn和 STn抗原可能具有广泛的作用。Tn抗原
被称为 MGL(巨噬细胞半乳糖型凝集素 )的 C-型
凝集素识别。该凝集素在树突状细胞和巨噬细胞
中表达 [74-75]，但是原位杂交实验检测到了MGL阳
性的大肠肿瘤细胞 [75]。该结果表明，Tn抗原的表
达及MGL对 Tn抗原的识别可能参与了免疫监视
和免疫耐受 [75]。黏蛋白相关 STn抗原还可以抑制
NK细胞诱导的对肿瘤细胞的杀伤作用 [76]。在某些
肿瘤中，黏蛋白的表达以及糖基化的改变与半乳凝
集素的表达相关。例如半乳糖凝集素 -3[77]是半乳糖
凝集素超家族成员，可与黏蛋白上成簇的 Tn抗原
微弱结合，参与转移外渗和适应性免疫反应。异常O-
聚糖的表达也与细胞表面的相关性黏蛋白和整合蛋
白的表达改变有关，从而可以改变细胞黏附性能 [78]。
O-聚糖含量减少也可能会使黏蛋白更容易受基质金
属蛋白酶降解，有利于移徙和改变与基质蛋白的结
合，如E-选凝素和 P -选凝素，从而使肿瘤细胞外渗，
最终促进肿瘤转移。Wagner等 [79]的研究结果表明，
死亡受体 (death receptors) O-糖基化可以增加肿瘤
细胞对其配体 Apo2L/TRAIL诱导细胞凋亡的敏感
性，提示肿瘤细胞的 O-糖基化变化有利于肿瘤细
胞逃逸细胞死亡途径。显然，要全面阐明糖蛋白中
Tn和 STn抗原表达后对肿瘤细胞的影响，还有待
进一步深入的研究；但是，越来越多的证据表明 O-
聚糖异常表达与肿瘤细胞特性、免疫功能和转移潜
能改变相关。
人肿瘤细胞中 Tn和 STn抗原具有以下特性：
其产生源自 Cosmc基因突变，在肿瘤中广泛表达，
促进肿瘤细胞转移造成预后差等。这些特性表明，
Tn和 STn抗原可以作为人类癌症新的分子标志物，
而 Tn和 STn抗原以及 Cosmc基因也将成为治疗肿
瘤的新靶点。
4.3　IgA肾病
免疫球蛋白 A(IgA)肾病 (IgAN)，也称为 Berger
氏病，由 Berger和 Hinglais[80]于 1968年首次描述。
四十多年后，在世界各地 IgA肾病已是最常见的原
发性肾小球肾炎 [81-83]，其中 20%~40%的患者在发
病的 20~25年后进展为肾功能衰竭 [84]。原发性 IgA
肾病患者多数属于散发型，少数患者有家族史。迄
今为止还没有任何被确认的致病基因 [85-89]，生理和
环境因素也与该疾病的临床表现密切相关。IgA肾
病的特点是血清 IgA1在肾小球系膜发生沉积。 目
前 IgA肾病是基于肾小球肾炎的临床症状进行诊
断，如血尿和蛋白尿，并以通过肾穿刺活检发现
IgA沉积进行确诊 [90]。IgA沉积会引发肾小球炎症，
并导致进展性的肾功能损伤。
已有研究证明，IgA肾病患者血清 IgA的铰链
区存在缺失半乳糖的 O-聚糖，同时还表达 Tn或
STn抗原，这可能是其病发的原因 [21,91-95]。人血清
IgA1是一个 O-糖基化免疫球蛋白，其铰链区包含
9个潜在的 O-糖基化位点，通常有 5个位点被单一
和双唾液酰化核心 1 O-聚糖修饰 [90,96-97]。IgA肾病
患者血清 IgA1 O-糖基化过程中也有 Tn和 STn抗
原表达，可能是由于 B细胞表达的 T-合酶活性降
低所致 [98]。
Cosmc和 T-合酶基因是否参与了 IgA肾病的
发病机制，目前尚有争议。有研究表明，在 IgA肾
病患者的 B细胞中 Cosmc和 (或 )T-合酶基因的转
录水平降低 [99-103]。Suzuki等 [93]研究报道，由于 Cosmc
和 T-合酶基因转录水平的降低以及 ST6GalNAc-II
表达的上调，IgA肾病患者外周血中分离到的分泌
IgA1的细胞系产生了异常糖基化的 IgA1。Li等 [104]
和 Pirulli等 [105]研究认为 IgA肾病与 Cosmc基因多
态性和 T-合酶基因本身有关。然而，Malycha等 [106]
却认为 IgA肾病患者 Cosmc基因并没有发生突变。
之所以结论不一致，是因为能分泌 IgA1的浆细胞
(plasma cells)在外周血液中数量很少，要分离和鉴
定这类浆细胞非常困难，但这正是解开 Cosmc和
(或 )T-合酶基因在 IgA肾病中作用的关键所在。
血清 IgA1铰链区的异常糖基化可能参与了
IgA肾病的发病机制。在缺乏半乳糖的情况下，Tn
抗原可以被自然产生的抗 Tn抗原 IgA和 IgG抗体
识别，从而形成免疫复合物 [20-21,82,90,94,107-108]。因此，
产生自身免疫性抗糖抗体倾向可能是发病的辅助因
素 [80]。此外，IgA铰链区的异常 O-糖基化容易导
致血清 IgA1分子自聚集，并通过非免疫机制形成
大分子复合物。由于该类复合物太大而无法通过内
皮细胞窗孔 (endothelial fenestrae)到达肝细胞，使
得其可能会逃逸肝清除 (hepatic clearance)[109]；相反，
由于肾小球系膜 (glomerular mesangia)上覆盖的内
皮细胞窗孔较大，该类复合物很容易通过其进入肾
巨同忠，等：Cosmc和T-合酶在黏蛋白型O-聚糖合成中的重要作用及其与人类疾病的相关性第7期 639
循环。系膜细胞 (mesangia cells)能够高亲和性地结
合高分子量的血清 IgA1，但是结合机制并不清楚 [110]。
血清 IgA1免疫复合物激活系膜细胞被认为是 IgA
肾病发病的起始。很显然，IgA肾病很复杂，许多
因素参与了其免疫病理过程及转归。深入研究人血
清 IgA1 O-糖基化异常的分子机制将有助于研发非
侵入性诊断甚至新的治疗方法。
5　总结和展望
黏蛋白型 O-糖基化是最常见的蛋白质翻译后
修饰之一，在许多生物过程中起着重要的作用。T-
合酶和 Cosmc的发现开辟了蛋白质翻译后修饰研究
的新纪元。T-合酶是该修饰过程中的关键糖基转移
酶；而内质网潴留的分子伴侣 Cosmc则通过防止内
质网中合成的 T-合酶蛋白聚集，从而帮助其正确
折叠成有活性的蛋白，以防止其进入蛋白酶体降解
途径。因此，调控黏蛋白型 O-糖基化的关键在于
Cosmc和 T-合酶的协调表达及其正确定位。人类
和动物疾病中 Tn抗原的出现是由关键的分子伴侣
基因 Cosmc异常表达或突变所致，该发现引出了一
个新的研究方向——通过对相关基因遗传学和表观
遗传学调控机制的研究来揭示 O-糖基化的生物学
功能。然而，许多生化细节，例如 Cosmc和 T-合
酶如何以及何时相互作用，Cosmc识别并结合 T合
酶的哪个结构区域，Cosmc和 T-合酶以及 Cosmc/T-
合酶复合物的三维结构等，仍有待深入研究。此外，
还需要进一步确定因 O-聚糖结构的改变、Tn和
STn抗原的出现而导致各种疾病的关键性 O-糖基
化糖蛋白。这些研究将有助于全面理解 Cosmc/T-
合酶以及 O-糖基化的生物学功能，认清 Tn表达的
病理意义，从而制定有效诊断甚至治疗相关疾病的
新策略。
致谢：感谢Dr. Jamie Heimburg-Molinaro和Mr.
Rajindra P. Aryal 协助编写这篇文章。
[参　考　文　献]
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翻译 靳嘉巍 复旦大学上海医学院生物化学与分子
生物学系
校译 查锡良 复旦大学上海医学院生物化学与分子
生物学系