细胞表面糖复合物与生殖

官继承 李 倩 左福元

西南大学动物科技学院,重庆400715

越来越多的研究证明,细胞表面的糖复合物在细胞与细胞、细胞与细胞周围基质之间的相互识别和粘附中起中介作用,在受精和着床中也体现了这种功能。本文从糖生物学和生殖生物学交叉的角度来探讨糖复合物在生殖早期的作用,以期了解在妊娠过程中糖复合物可能具有的生物学功能。

1 糖复合物与生殖细胞

1.1 糖复合物和精子的发生

精子的发生包括了精原细胞的分化及其与支持细胞的粘附等,其中糖蛋白的作用,特别是N-聚糖的生物合成、加工一直是关注的焦点。

为了揭示N-聚糖与精子的发生关系,Fukuda M N等[1]制作了α-甘露糖苷酶(N-聚糖生物合成所必需的酶)缺失小鼠。基因型分析结果显示,由雌雄杂合子MX+/-交配得到的MX+/+∶MX+/-∶MX-/-为66∶75∶25,显著低于按照孟德尔规则推测的1∶2∶1,且雄性MX-/-几乎无生育能力。进一步观察发现,雄性MX-/-的睾丸明显比MX+/+和MX+/-的小。透射电镜分析观察到在MX-/-的睾丸中精子周围存在明显的细胞间隙,而MX+/+的精子细胞紧密填充在曲细精管中,提示在曲细精管中精原细胞不能与支持细胞粘附。此外,在MX+/+的附睾尾部导管中充满密集的精子,而MX-/-的精子数量大幅减少,这表明由于正在发育中的未成熟的精子从曲细精管上皮释放进入了附睾中,MX-/-的精子生成受到了抑制。比较MX-/-和MX+/+的睾丸N-聚糖的结构,发现在MX-/-中,以乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)为末端的寡糖水平显著降低。

上述试验揭示,N-聚糖对于支持细胞和精原细胞的粘附以及精原细胞的分化都起着重要作用。

1.2 糖复合物与卵细胞的发育

当卵母细胞由非生长状态进入到生长期时,首先形成透明带(ZP),ZP主要由糖蛋白构成,糖链以O-连接和N-连接形式与蛋白质连接,其中蛋白质与糖的比例为(3∶1)～(5∶1)[2]。在小鼠中,ZP蛋白有3种,分别命名为ZP1、ZP2、ZP3。ZP3上的O-连接寡糖链能被精子顶体膜上的外周蛋白识别并特异性结合,精子质膜对钙离子的通透性增加,促使顶体深入到卵子的透明带中,顶体释放的酸性水解酶分解透明带及卵黄膜,使精卵细胞质融合[3]。经一系列代谢变化,ZP3最终失去精子受体和诱导顶体反应的活性,对其他精子不再发生反应,避免了多精子受精的出现。

2 糖复合物与受精

Aitken[4]认为,在受精开始阶段,精子必须先与卵子表面的精子受体识别,才能实现精卵结合,这种特异性结合是同种精卵识别与受精的关键。精细胞在其发生、发育、成熟、获能以及受精等不同阶段,细胞膜表面发生很大变化[5-6]。美国Wassarman[7]的研究指出哺乳动物未受精卵有一层透明包被(即透明带,ZP)是精子受体所在部位,精子表面有与之互补的“卵结合蛋白”,两者专一的识别导致受精。

在受精阶段,精子头部表面和卵子透明带表面的糖基互补和匹配构成了同种精卵特异性结合的分子基础。生化测定表明透明带表面富有N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc),半乳糖(Gal)和唾液酸转移酶[8]。未获能精子表面的糖蛋白末端糖基为唾液酸,唾液酸分布于精子头部质膜和顶体膜上。当同种精卵相遇时,卵子表面的唾液酸转移酶可将精子表面的唾液酸转移至透明带的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)上,改变了透明带表面的末端糖基,同时使精子表面的“卵结合蛋白”暴露,使精子和卵子达到相互识别和结合从而产生顶体反应,使精子穿过透明带遇到卵子并与卵质膜融合,同时卵子上的精子受体失活,整个受精过程结束[9]。

目前对精卵相互识别、粘连过程中细胞表面糖复合物的介导作用,研究较多的是海胆的受精。试验表明,海胆精子与卵子卵黄层的结合是由结合素(bindin)介导[10]。结合素是精子表面的凝集素,是精子顶体颗粒的主要成份,它是在顶体反应过程中通过这些颗粒的外排才暴露于精子表面[11-12]。结合素受体是卵子表面的一种糖蛋白,海胆卵子透明带表面的糖复合物中岩藻糖、岩藻聚糖(Fueosan)、木聚糖(Xylan)都是通过与结合素颗粒的直接作用而抑制精卵的粘连[13]。而此3种抑制剂均富含岩藻糖,提示结合素的糖特异性可能与岩藻糖有关[14]。

3 糖复合物与着床

着床是指囊胚附着于子宫内膜,进而植入子宫内膜的过程。在植入准备期和囊胚附着后,子宫内膜和囊胚表面的糖复合物均发生了质和量的变化[15],而这些变化也提示我们糖复合物参与了囊胚与子宫内膜的识别与粘连。

3.1 子宫内膜上皮的糖复合物变化

朱正美[16-17]观察到人与家兔不同妊娠期子宫内膜与非孕子宫内膜比较,其鞘糖脂含量与组分均有明显变化,尤以早孕期变化显著。如家兔动情期内膜未测得含单及双糖基的中性糖脂CMH和CDH,而在着床后其含量骤增至29.2%与21.9%。酸性糖脂也以短糖链的GM3成倍增加。用凝集素组化染色还观察到RCA、ConA的受体在早孕时由发情期的阴性转为强阳性;此外,ConA,PNA,SBA、PSA等凝集素受体也明显增加[18]。而应用凝集素为探针观察到不育症患者射出精子表面凝集素受体和正常人的有明显差异,顶体区的PSA、ConA、PNA、RCA-I四种 Lectin受体缺失,WGA受体密度下降[19-20]。

Chavez等[21]观察到,妊娠第3天小鼠子宫内膜上皮细胞表面糖被与发情期无明显差异,均较厚,但随着妊娠天数增加,糖被的厚度逐渐变薄,到着床前,表面糖被的厚度大大减少;但与β-D-Gal特异结合的RCA-I(蓖麻凝集素-I)的受体却在妊娠第3天出现,并随妊娠进展而增加。陈蕙玲等[22]发现妊娠小鼠着床前,ConA受体明显增多。

这些结果都提示,糖复合物的糖链部分参与了囊胚与子宫内膜细胞的识别与粘连。

3.2 囊胚表面的糖复合物变化

哺乳类动物的胚胎在植入前也经历了复杂的糖基化过程。利用单克隆抗糖抗体,发现分裂时相的胚胎有红细胞系列抗原表达[23-24]。包括红细胞糖苷脂(Globoside)、福斯曼抗原和阶段特异性胚胎抗原(SSEA)3和4,SSEA 3和4在卵生成时期合成。出现于卵及植入前囊胚膜上,植入后从滋养层细胞上消失,但在植入后发育阶段于原始外胚层及其衍生部分重现[25]。

另外,Chavez等[26]用一系列荧光标记的Leetin观察了着床前后鼠囊胚表面Leetin受体变化情况,发现 UEA(α-L-岩藻糖特异),ConA(甘露糖、葡萄糖特异),WGA(D-N-乙酰氨基葡萄糖及N-乙酰神经氨酸特异)与囊胚有结合,但着床前后受体数目及分布并无差异。RCA受体在着床前小鼠囊胚上较多,但到着床时减少,PNA(花生凝集素)则不与第5天的囊胚结合,而与第6天的囊胚结合。Holmes等[27]用胶体铁追踪囊胚表面变化,发现在植入前酸性pH条件下胶体氯化铁的摄入量是微不足道的,但在植入期或给雌激素后则明显增加,这可能和囊胚植入前后自身表面糖复合物数量和种类的变化有关。

4 糖复合物与着床后胚胎发育

目前,在这方面研究比较深入的是N-聚糖对于胚胎的胚层发育、神经发育、器官的形成以及血细胞的生成方面的影响。Stanley P等[28]发现,如果缺乏N-乙酰氨基葡萄糖转移酶I(N-acetylglucosaminyltransferase I,合成N-聚糖必须的一种酶),胚胎的形态发育会受到影响,包括心脏发育反位畸形、细支气管上皮形成缺陷、异常神经管形成及血管形成受损等。另一研究表明,在胚胎发育期间,细胞粘附分子(LeY聚糖、整联蛋白)和一些细胞因子如白血病抑制因子(LIF)、白细胞介素(IL-1、IL-6)、生长因子(EGF、VEGF、ICF、TGF 等),以及细胞外基质(LN 、FN)、基质水解酶类(MMP)等相关分子,充当子宫内膜微环境的“局部调节者”(local mediator),通过自分泌或旁分泌方式对胚胎生长发育进行精细调控[29]。

5 糖复合物与不育症

Ahuja等[30-31]发现在精子成熟、获能过程中若加入糖蛋白合成抑制剂或者用糖苷酸处理已获能精子,通过蛋白糖基化受阻或膜上糖组分构造的改变,最终都导致精子丧失受精能力,可推测,精子表面膜上的各种组分都有一定的生物学意义,寡糖结构的变化可能影响精子膜的某些性质使精子丧失受精能力,最终造成不育症的产生。

综上所述,糖复合物对精-卵和胎-母之间的识别与粘附起中介作用,保证了受精和着床的正常进行。糖复合物在生殖过程中的作用的研究,不仅使人们对细胞的识别、粘附和信号传导的一般过程有了新的深入认识,而且使人们对糖复合物在生殖医学中的应用前景充满希望。

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