植物凝集素的研究进展

韩红艳，杜俊杰

(1.晋中学院，山西 榆次 030019；2.山西农业大学，山西 太谷 030801)

凝集素的本质是至少含有一个无催化活性域的蛋白或糖蛋白，能与特殊的单糖或寡聚糖结合，具有无酶活性或免疫活性，广泛存在于从病毒到哺乳动物的各生物体中。研究发现在植物的不同组织和器官中大多数都含有凝集素，它们显示着各自的结构、功能和糖结合特异性，在细胞凝集、抑菌、抗病虫害、抑制肿瘤等方面发挥重要的作用，同时在植物自身抵抗生物和非生物胁迫方面也发挥着重要的作用，因此对植物凝集素的研究是一项非常重要的工作。

1 植物凝集素研究起源

1888年，Stillmark从蓖麻籽中提取出一种能够凝集人和其他动物血红细胞的蛋白，从此开启了植物凝集素的研究工作。随后，Landsteine提出“本质类似抗体”是植物凝集素的作用；1936年，Sumner和Howell提出凝集素具有糖结合专一性；Boyol和Renkonen确定凝集素具有凝集血细胞的专一性和特异性；随后多数学者的研究证明大多数凝集素具有区分不同人类血型的特异性。Becker对伴刀豆凝集素(ConA)分子的三级结构的分析，开启了植物凝集素结构和功能的研究，人类在植物凝集素的分类、提取、纯化、结构、性质、功能和基因表达等方面的研究取得了很大进展。2017年，拟南芥凝集素结构域完成了全基因组的筛选[1]；到目前为止已完成100多种植物凝集素全基因组测序，并证明了许多含有凝集素结构域或与一种、多种其他类型的保守结构域结合的蛋白质比只含有凝集素结构域的蛋白质更为丰富，其在解读生命的糖密码中发挥着重要作用[2]；通过对个体基因、家族基因和功能基因组学研究的分析发现，凝集素与植物生长、发育、繁殖、防御和非生物胁迫耐受性息息相关。

2 植物凝集素的分类

凝集素是一组具有碳水化合物结合域(CRD)的结构多样的蛋白质，它能可逆地结合特定的碳水化合物，其分为25个亚家族。[3]植物凝集素根据其CRD特性、结合糖的种类与结合糖的来源及氨基酸序列的同源性及其进化的相互关系可分为以下几类(表1)：

表1 凝集素的分类

分类依据名称物种序列相似性与进化亲缘关系结合糖的来源赖氨酸基序Lysin motif赖氨酸基序的蛋白雪莲花凝集素Galanthus nivalis agglutinin(GNA)雪莲花非经典凝集素non-classical lectin内源碳水化合物经典凝集素Classical lectin外源碳水化合物

3 植物凝集素的糖结合特性

植物凝集素广泛存在于植物果实、种子等各组织和器官中，多数为具有高度糖结合特异性的糖蛋白，蛋白质和糖缀合物之间可相互作用，一些特殊的氨基酸残基对维持凝集素和糖的结合起着至关重要的作用。由于凝集素具有糖结合特性，已被广泛应用于糖缀合物的纯化，可区别正常和病变细胞，作为药物包裹层以提高胃肠道系统对药物的吸收能力，利用糖在细胞与细胞、细胞与胞外基、细胞与外界环境之间的信息传递中起到重要作用的功能，有利于研究凝集素参与有机体的信号转导途径的机制。

聚糖通过与蛋白质和脂类的结合在真核细胞中发挥着重要作用。聚糖分为线性糖和多糖，多糖由重复的吡喃糖单糖环和支链糖组成，它们与凝集素非共价结合，而是通过参与各种生物学过程来控制生化反应，如：发育、凝血和对细菌、病毒感染的反应。传统的检测糖蛋白相互作用的方法有核磁共振波普、血凝抑制试验、酶联凝集素测定、表面等离子体共振、X-射线晶体学和等温热滴定等，这些方法虽然成功的阐明了聚糖和蛋白质之间的相互作用，但需要大量的聚糖样本。现在人们利用高通量的技术来分析聚糖和蛋白质之间的相互作用及其作用的分子基础。通常细胞糖原的大小被认为在100 000～500 000个聚糖的范围内，这种大的糖基含量可归因于寡糖链呈线性或支链形式的组合，单糖可通过其糖基中的各种碳原子连接。糖链的复杂性促使细胞编码大量生物信息，而这些编码所隐藏的信息对人类了解凝集素和聚糖之间相互作用的生物学特性是一个巨大的挑战。

近年来，聚糖微阵列技术作为一种合适的科学方法被用来研究蛋白质和聚糖之间的相互作用。通过功能糖组学微阵列(CFG)分析，为研究不同的凝集素和聚糖结合抑制剂提供了大量的聚糖微阵列数据，充分利用这些数据了解糖结合特异性需要一个系统的计算机方法协助，基序分离法和离群基序分析法(OMA)应运而生。目前基于计算机网络的基础，利用聚糖阵列数据研究蛋白与聚糖的相互作用将植物凝集素分为4类糖结合凝集素。

1)甘露糖结合凝集素。甘露糖结合凝集素又分为以下几类：B-型凝集素超家族，这类凝集素在植物抵抗病虫害和抑制病毒方面有特殊的作用，如雪莲花凝集素家族的各成员均与HINI病毒具有很高的亲和力[3]；氰菊酯-N(CV-N)凝集素，此凝集素能通过病毒表面覆盖的糖蛋白gp120和gp41介导产生抗病毒活性。通过聚糖阵列分析，甘露糖特异性结合凝集素还包含有锦鸡儿属凝集素(CAA)、海芋属凝集素(AMA)、秋水仙属凝集素(LCA)和天南星属凝集素(AHL)，目前对它们的糖结合特性鲜有报道。

2)半乳糖胺结合凝集素。这类凝集素又分为两类：一类在细胞凝集活性中发挥着重要的作用，如曼陀罗凝集素(DSA)、蚕豆凝集素(SBA)、猪笼草凝集素(VVA)、紫荆凝集素(BPL)等；另一类属豆科凝集素家族，如豆科刺桐属凝集素(ECL)，已经证明它具有凝集活性，对人类T淋巴细胞促有丝分裂。

3)岩藻糖结合凝集素。岩藻糖凝集素较为丰富，如荆豆凝集素(AAL)，具有5个岩藻糖结合位点，这类凝集素与促进细胞信号转导有关。

4)Galb1-3半乳糖胺结合凝集素。这类凝集素富含N-酰基葡糖苷和N-乙酰半乳糖嘧啶，如小麦胚芽凝集素(WGA)。

随着糖生物学领域的发展，基于社区网络分析，利用聚糖微阵列数据研究植物凝集素蛋白—聚糖相互作用，为不同植物组织和器官来源的凝集素的分类、纯化和特性研究提供了更加科学有效的指导。

4 几种典型植物凝集素的特点与应用

4.1 豆科凝集素

目前人类对植物凝集素家族中研究最多是豆类凝集素家族，它代表了凝集素中研究最彻底的家族，其具有多种生理功能和应用。如红豆凝集素与黄芪多糖联合应用能提高巨噬细胞吞噬活性、增强机体的免疫功能，并能提高脾脏指数；豆科凝集素通过与根瘤菌胞外多糖识别，并与根瘤菌表面的脂多糖、荚膜多糖交联，将根周围的根瘤菌聚集增加植物所需氮源[4]；豆科凝集素在种子萌发和成熟过程中起到保护、存贮和运输的功能，具有促进有丝分裂[5]、抗真菌、抗病毒[6]、抗虫和抑制肿瘤的作用[7]，例如将浙江苞萝黄豆叶片中克隆的Leu4基因表达蛋白的菌液涂在小麦叶片上，小麦叶片长管蚜虫数目减少50%[8]，其原因是菜豆凝集素对交格链孢菌具有抑制作用[9]；豆科凝集素可促进有丝分裂，如扁豆凝集素可促进胚胎的分裂和分化；豆科凝集素还可作为细胞保护因子维持和提高离体造血干细胞的存活[10]；大豆凝集素在抑制肿瘤方面也有重要的作用，如黑大豆凝集素可抑制乳腺癌和肝癌细胞的增殖[11]。

4.2 Jacalin类凝集素(Jacalin-related lectins，JRLs)

JRLs是植物凝集素超家族新成员之一，首次从木菠萝果实的种子中分离出Jacalin蛋白[12]，到目前为止植物中至少有25种JRLs被明确，其中9种属于包含有外源结构域的嵌合凝集素，它们在植物的次生代谢中发挥着重要作用[13]，其余16种为小分子凝集素或全血细胞凝集素。根据JRLs糖基结合特异性可将其分为：甘露糖或葡萄糖特异的Jacalin凝集素(mannose-specific jacalin-related lectins，mJRLs)和半乳糖特异的jacalin凝集素(galactose-specific jacalin-related lectins，gJRLs)。

mJRLs在受到生物和非生物胁迫(病原体、干旱、盐、强光、低温等)刺激时诱导高丰度表达，这类蛋白多数定位于细胞质和细胞核中，主要存在与叶、花和根等组织与器官中。JRLs与植物受环境胁迫和病原体攻击密切相关，从基因水平分析，相当多的小麦JRLs基因存在应激诱导和组织特异性，JRL蛋白TaWC1是小麦获得抗性反应的诱导基因表达产物[14]；甘露糖结合Jacalin TaHfr-1是褐飞虱幼虫侵染小麦后被转录诱导；在防卫信号分子水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)的刺激诱导下小麦甘露糖特异性结合JRLs样基因丰度表达，SA和JA信号通路与植物防卫反应相关，推测小麦JRLs参与了植物的防卫反应；拟南芥抵抗真菌的侵染过程中TaJRLL1表达量上调[15]；大麦抵抗白粉病过程中TaJA1基因也得到了暂时性表达[16]；OsJAC1在真菌侵染时表达增强了对多种水稻病毒的抗性[17-18]。gJRLs表达基本不受生物和非生物胁迫刺激，gJRLs通过与外源糖类化合物结合提供防御病虫害和植食性动物的伤害，gJRLs不仅通过结合靶生物体内的糖基化合物杀灭病虫害，同时通过改变相关基因的表达实现抗病虫功能。gJRLs在植物营养贮藏器官种子和块茎中高丰度表达，充当贮藏蛋白，并提供幼苗生长发育所需的N源。

JRLs不仅能识别碳水化合物增加植物的防御能力而且在植物的生长发育过程中也起着重要作用，参与植物自身细胞调控和信号转导行使内源功能，具有非经典凝集素的功能，因此成为今后凝集素研究的重点方向。

4.3 抗人体免疫缺陷病毒和抗流感病毒凝集素

凝集素存在于从病毒到哺乳动物的各种生命体中，可作为细胞间识别、细胞与社会环境、细胞与有机体之间的识别分子。从真核大藻类中提取出一种新的凝集素，可抗人体免疫缺陷病毒和抗流感病毒，有望成为一种新型的的抗病毒化合物[19]。该凝集素家族成员包括：OAA来自阿氏颤藻[20]，PFL来自荧光假单胞菌[21]，KAA-2来自长心卡帕藻[22]，BCA来自半球布氏藻[23]，ESA-2来自锯齿麒麟菜[24]。它们共同的结构特征是高甘露糖N-聚糖凝集素，有共同的高度保守序列组成2-4个串联重复，可能与抗病毒活性相关。KAA-2是从可食用的栽培红藻中提取的凝集素能抑制人类和海洋致病菌，预测该凝集素将会成为一种抑制病毒侵染的功能食品。

4.4 植物凝集素类受体蛋白激酶

凝集素类受体蛋白激酶(LecRLK)胞外凝集素结构域无催化活性，根据胞外凝集素结构域特性可将植物凝集素类受体蛋白激酶划分为：G型、L型和C型3种类型。第1个鉴定出的凝集素类受体蛋白激酶基因ZmPK1，是从玉米中鉴定出的，参与调控花粉和柱头的识别[25]。从烟草中鉴定的Nt-Sd-RLK基因受脂多糖诱导表达可提高植物的防御功能[26]；从杨树中鉴定的PtLecRLK1凝集素类受体蛋白激酶参与植物与真菌的共生互作[27]；PSLecRLKs是豌豆中的一种定位于质膜系统中的蛋白激酶，遇盐胁迫上调[28]，对盐胁迫有更强的耐受性，PSLecRLKs的表达减少了活性氧的积累，将细胞膜受到的损伤降低。Pnrlk-1南极苔藓细胞质型RLKs的同源物在盐处理下增加对ABA的敏感性抑制了ROS的积累，减轻了盐胁迫[29]。GsSRK(G-type lectin S-receptor-like serine/threonine protein kinase)通过同源克隆从大豆中分离得到，具有G-凝集素区，植物受到盐胁迫、干旱胁迫和冷害等外界不良环境的刺激时GsSRK表达丰度提高，在抵抗不良环境反应中有重要作用[30-31]。

5 植物凝集素的发展前景

凝集素作为聚糖编码信息的“读者”，将聚糖作为信号开启多种生理反应，通过聚糖-凝集素识别在细胞通讯中起重要作用[32]，凝集素作为探针应用于疾病的诊断和治疗，同时在农业领域也具有新型的应用价值。

5．1 作为抗肿瘤药物

从海藻中分离并鉴定出许多甘露糖特异性凝集素具有杀灭病毒(被广泛用作有效的HIV-1灭活蛋白)和抗癌特性(与癌细胞表面的高甘露糖N-聚糖识别与结合)；紫罗兰凝集素诱导U87胶质瘤细胞自噬[33]；番茄凝集素可提高MAGE1-HSP70/SEA复合蛋白纳米乳剂疫苗的保护效果[34]；豆科植物凝集素抑制人乳腺癌细胞，人黑色素瘤细胞，人肝癌细胞HepG2[35]；木菠萝凝集素抑制人宫颈癌细胞Hela；单子叶植物甘露糖结合凝集素抑制鼠纤维肉瘤细胞L929；从马缨丹叶片提取的凝集素与人结肠癌HT29细胞有较强的结合力，并具有较强的抗真菌活性，诱导细胞凋亡[36]；从槲寄生属植物中提取分离纯化得到的凝集素—Ⅱ型核糖体失活蛋白(ribosome-inactivating protein，RIP)，具有抗肿瘤、免疫调节等生物活性[37]；黑木耳凝集素(LAA)不仅明显抑制乳腺癌细胞MCF-7的增殖及迁移[38]，而且可以活化巨噬细胞RAW228.2，增强其核酸的合成和细胞的吞噬能力[39-40]。

5．2 为生殖医学提供新型药物

植物凝集素对生殖过程中包括受精胚胎着床，胚胎发育及妊娠过程等每一个环节都会产生影响，如白芸豆凝集素处理孕鼠造成流产，及时终止不同时期的妊娠，长期给予小鼠阴道该药物无副作用，但不同程度的凝集精子使其失活可进行避孕。期望能为研究新型的既能避孕又能预防包括HIV在内的性传播疾病的药物，新型引产药物，为生殖医学提供依据。

5．3 作为新型的植物源杀虫剂

植物凝集素可做为新型的植物源杀虫剂用于作物的保护。将大蒜叶凝集素基因转入烟草中，烟蚜的存活率下降80%。将国槐中凝集素基因SjLectin转化到烟草中有效表达，其阳性植株对小菜蛾的抑制率平均62.2%[41]。植物凝集素对害虫的杀虫机制与其糖结合特性相关，通过基因工程和植物自身选育进化等多种方式开发，植物凝集素在防治害虫方面有巨大的发展前景。

随着凝集素纯化技术的不断完善，越来越多物种的凝集素将被纯化出，通过不断的实验证明其功能和作用机制。目前人类从1 000多种植物中提取出凝集素，这对于整个植物界来说只是微乎其微，因此对凝集素的研究有待于进一步深入。