聚糖在肿瘤转移、免疫调节和治疗中的特定作用

聂笔爻，戴蓓英，杨勇，王琛

(1.中国药科大学生命科学与技术学院，江苏 南京 211198；2.中国药科大学药物科学研究院，江苏 南京 211198；3.中国药科大学基础医学与临床药学学院，江苏 南京 211198)

1 聚糖与糖基化

糖基化是常见的蛋白质和脂质修饰方式，在细胞的正常发育和生理过程中起着至关重要的作用。通过多种糖基转移酶和糖苷酶的严格调控和动态作用可以产生多种聚糖结构，这些聚糖结构可以游离存在，也可以通过糖基化修饰与蛋白质结合，形成糖蛋白。

糖蛋白中的聚糖主要分为3类：N-聚糖、O-聚糖和糖胺聚糖(glyeosaminoglycans，GAGs)。N-聚糖主要分为3种类型：高甘露糖类、混合类和复合类，它们都有一个共同的核心戊糖区域。O-聚糖通常密集地聚集在富含丝氨酸或苏氨酸的蛋白质结构域上。GAGs是线性重复二糖单元的大链，可与蛋白质相连或以游离糖形式出现[1-4]。大多数聚糖和糖蛋白存在于细胞膜的外表面，主要在细胞与细胞外环境之间的识别和相互作用、介导细胞黏附、细胞与细胞基质间相互作用、细胞信号传导以及宿主与病原体间相互作用过程中起重要作用[1-2,5]。

聚糖和糖蛋白表达的改变与多种疾病有关，例如先天性疾病、免疫缺陷病和癌症。聚糖和糖蛋白的异常会导致细胞间黏附力受损、致癌信号通路激活、细胞转移性增强[2,6-7]。许多恶性肿瘤会表达聚糖表位的不同亚群，包括截短的简单O-聚糖、改变的N-聚糖分支、异常的唾液酸化、岩藻糖基化和GAGs。此外，聚糖还参与了相关糖蛋白对免疫应答的调节。

2 癌症中的聚糖与糖基化

2.1 癌症中受体酪氨酸激酶的糖基化 受体酪氨酸激酶(RTKs)是经过糖基化的跨膜细胞表面受体，可调节细胞信号传导过程，癌细胞中RTKs基因或蛋白结构糖基化的改变会导致受体的异常激活，从而驱动肿瘤细胞的增殖和转移。

RTKs(例如EGFR、FGFR、IGFR和PDGFR)激活后，每100个氨基酸中会出现更多的N-聚糖位点(8～16个)，从而刺激细胞增殖。抑制N-聚糖的形成，会诱导RTKs依赖的信号通路失活和RTKs依赖性癌细胞的生长停滞[8-10]。针对EGFR的研究表明，N-聚糖可以促进半乳糖凝集素介导的受体在细胞表面的停留，从而促进RTKs配体依赖性刺激[11-13]，促进肿瘤发展。相反，EGFR唾液酸化和岩藻糖基化的异常，会影响其二聚化及其在肺癌细胞中的激活[14]，抑制肿瘤发展。

2.2 癌症中黏附分子的糖基化

2.2.1 聚糖和细胞间黏附 肿瘤的转移和发展与细胞间黏附力的丧失密切相关，而癌细胞的聚糖结构异常可以提高癌细胞的迁移和侵袭能力，从而促进癌细胞的转移[2]。E-钙粘蛋白(E-cadherin)是一种跨膜糖蛋白，是上皮组织细胞中的主要黏附分子，在上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)过程中起关键作用。E-钙粘蛋白上N-糖基化的改变会造成癌细胞中E-钙粘蛋白功能的丧失[15-17]，消除E-钙粘蛋白Asn-554位的异常N-糖基化可以抑制肿瘤发展[18-19]。研究表明，神经胶质瘤细胞中E-钙粘蛋白的N-糖基化能够减弱细胞间黏附并促进肿瘤细胞迁移[20]。此外，O-甘露糖基化也可以调节E-钙粘蛋白功能。功能性E-钙粘蛋白表达高水平的O-甘露糖基化聚糖，而非功能性E-钙粘蛋白会发生蛋白质糖基化的改变，具体表现为 β1,6-GlcNAc支链化N-聚糖的增加和O-甘露糖基化聚糖的减少，这种改变有助于癌症发展。

2.2.2 聚糖与细胞外基质的相互作用 细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)是组织的非细胞部分，整联蛋白家族中的表面受体主要参与细胞与ECM成分相互作用的过程，细胞与ECM相互作用的动态变化，特别是由聚糖调节的变化，对于肿瘤细胞的迁移和侵袭至关重要。

聚糖通过调节整联蛋白功能，影响肿瘤细胞的迁移能力。β1,6-GlcNAc支链化的N-聚糖与二等分GlcNAc N-聚糖以相反的方式影响整联蛋白的功能。胃癌细胞中，过表达MGAT5编码的N-乙酰氨基葡萄糖氨基转移酶V(GnT-V)显著增强了整联蛋白α3β1上 β1,6-GlcNAc支链N-聚糖的表达，导致了肿瘤细胞的迁移。相反，过表达N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶Ⅲ(GnT-Ⅲ)催化二等分GlcNAc N-聚糖的形成，与GnT-V竞争对整联蛋白的糖基化修饰抑制了胃癌细胞的迁移[21]。最新研究报道，卵巢癌细胞中CD82 Asn157处的N-糖基化可以抑制整联蛋白信号传导途径，从而抑制卵巢癌细胞的迁移[22]。

整联蛋白的岩藻糖基化和唾液酸化也参与其功能的调节。在HepG2肝癌细胞中，抑制岩藻糖基化减少了细胞的迁移，同时也抑制了整联蛋白β1通过黏着斑激酶(FAK)介导的相关细胞内信号传导[23]。半乳糖苷α2,3-唾液酸转移酶3(ST3GAL3)在胰腺癌细胞中的过表达产生了高水平的唾液酸SLex和低水平的α2,6-唾液酸，α2,6-唾液酸连接在整联蛋白α2β1的N-聚糖上，导致了FAK磷酸化的增强和胰腺癌细胞侵袭性表型的增加[24]。

2.3 癌症相关GAGs和蛋白聚糖 GAGs分为5个主要类别：透明质酸(hyaluronic acid，HA)、硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸皮肤素(dermatan sulfate，DS)、肝素(heparin)和硫酸乙酰肝素(heparin sulfate，HS)和硫酸角质素(keratan sulfate，KS)。GAGs在哺乳动物中无处不在，并且与其他ECM成分(例如血浆蛋白，生长因子，细胞因子等)相互作用，在调节细胞行为和功能中起重要作用。蛋白聚糖由核心蛋白和共价连接到该蛋白上的GAGs组成，在细胞信号转导过程中发挥着关键作用，参与调控许多生理和病理过程。根据位置，蛋白聚糖分为细胞内，细胞表面和细胞外蛋白聚糖。

2.3.1 细胞内蛋白聚糖 Serglycin是目前发现的唯一一种真正的细胞内蛋白聚糖[25]，此外，研究发现serglycin也可以作为一种细胞外蛋白多糖。细胞内serglycin可以介导白细胞生成并参与细胞因子和趋化因子的保留和分泌。 细胞外serglycin在细胞间相互作用中起着重要作用，并有助于转移性细胞的外渗，定植和生长[26]。

2.3.2 细胞表面蛋白聚糖 细胞表面蛋白聚糖的两个主要家族是多配体聚糖(syndecans)和磷脂酰肌醇聚糖(glypican)。Syndecan (SDC)家族由4个成员组成(SDC1、SDC2、SDC3、SDC4)，主要由HS链修饰，属于硫酸肝素蛋白聚糖(heparan sulfate proteoglycan，HSPG)。人肝癌细胞中，SDC1表达缺失的癌细胞具有更高的转移潜能[27]。此外，SDC1表达水平与结直肠癌的发生、分化和临床分期有关[28]。研究表明，SDC2的上调与结直肠癌的发展相关，并促进肺癌和结直肠癌细胞的侵袭[29-30]。相反，SDC2表达水平的降低会诱导癌细胞凋亡，并抑制乳腺癌细胞的生长和转移[31]。SDC3常在胰腺癌中高表达，与患者预后不良相关[32]。肾细胞癌与骨肉瘤中，SDC4过表达促进了癌细胞的发展和转移[33-34]。

Glypican(GPC)家族由6种通过GPI(糖基磷脂酰肌醇)锚定到细胞膜外表面的HSPG组成[35]。GPC2和GPC3分别与神经母细胞瘤和肝细胞癌的不良预后相关[36-37]，而GPC5已被报道在前列腺癌，肺癌和乳腺癌中具有抑癌作用[38-40]。

2.3.3 细胞外蛋白聚糖 细胞外蛋白聚糖，例如versican和perlecan是ECM的重要组成部分。Versican是一种较大的硫酸软骨素蛋白聚糖，可以调节不同癌症(包括乳腺癌、胃癌、肾癌、卵巢透明细胞癌和骨肉瘤)中肿瘤的发生与发展[41-45]。小鼠的原发性乳腺癌模型中，癌细胞肺转移前微环境中的髓样祖细胞表达versican，而在骨髓中敲低versican减弱了癌细胞的肺转移[46]。

Perlecan是一种存在于组织边界处的硫酸肝素蛋白聚糖，与上皮细胞的异常增生有关。Perlecan在细胞和细胞间隙中结合各种生长因子，可促进前列腺癌、咽喉癌和口腔鳞状细胞癌的肿瘤血管生成和转移[47-50]。

ECM中聚糖含量或组成的改变会导致癌细胞表型的变化，有利于肿瘤的发展。鼠源乳腺癌细胞中过表达的透明质酸会导致癌症干细胞的扩增，并促进癌细胞的侵袭[51]。另一方面，透明质酸酶1(haase1)在人前列腺癌细胞中的过表达加速了ECM的降解，增强了癌细胞的运动性和增殖能力，同时还加快了肿瘤对对转移部位ECM的清除和侵袭。

3 糖基化和抗肿瘤免疫

3.1 凝集素和肿瘤免疫 凝集素(lectin)是一种聚糖结合蛋白，主要与细胞的识别和黏附有关[3]。肿瘤细胞的聚糖具有特异的表位，能够通过凝集素等糖结合受体使细胞与微环境结合并相互作用。凝集素与聚糖识别后与免疫细胞受体结合能够调节免疫反应。

3.1.1 免疫球蛋白样凝集素(siglecs) 大多数siglecs以顺式或反式的形式结合唾液酸配体，同时N-糖基化糖蛋白也是siglecs的高亲和力配体。研究表明，siglec-1可以与肿瘤抗原MUC1粘蛋白结合[52]，MUC1粘蛋白在多种肿瘤中异常高表达，且与不良预后相关[53]。此外，存在于免疫细胞上的siglec-9也能与MUC1显著结合[54]。单核细胞和巨噬细胞上siglec-9与MUC1-唾液酸化Tn的依赖性结合可以促进与肿瘤进展相关因子的分泌[55]。Siglec-9也是MUC16粘蛋白的受体，其作为黏附分子可能介导抗肿瘤免疫反应的抑制，促进卵巢肿瘤细胞的转移[56]。Siglec-7和siglec-9配体的水平在多种人类癌细胞上表达量大大提高，降低了癌细胞对自然杀伤(NK)细胞的敏感性[57-58]。此外，研究表明siglec-7以α2,6-连接的方式结合神经节苷脂下调了NK细胞的细胞毒性，为肾癌细胞的存活和转移创造了有利的条件[59]。

Siglecs在免疫细胞中的保守特异性促使它们成为免疫疗法的新目标。Siglec-2具有最高的保守特异性，主要结合以α 2,6-连接的唾液酸化配体[60]。在肺癌的转移模型中，抗siglec-2的抗体减弱了癌细胞肺转移并提高了小鼠的生存率[61]。

3.1.2 半乳糖凝集素(galectin) 半乳糖凝素是一种可溶性的蛋白质，通过其糖类识别结构域(carbohydrate reco-gnition domains，CRDs)与众多糖基化受体相互作用，在细胞内通过蛋白质-聚糖或蛋白质-蛋白质相互作用控制信号传导来识别细胞外环境中的β-半乳糖苷。癌变过程中人β半乳糖苷α2,6-唾液酸转移酶1(ST6GAL1)表达增加，导致半乳糖凝素与β1,6-支链聚糖的结合力增强[62]，这可能会遏制半乳糖凝素介导的细胞凋亡并促进肿瘤细胞存活。Galectin-3-N-聚糖复合物能够抑制肿瘤特异性细胞毒性T细胞的活力[63]，galectin-3和CTLA-4上的复合N-聚糖相互作用可能会延迟该免疫检查点受体的内吞时间并延长T细胞活化后捕获信号的传递时长[11]。Galectin-4与前列腺癌的进展及其晚期转移有关[64]，同时也可能与肺腺癌的转移有关[65]。Galectin-9与T 淋巴细胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin domain and mucin domain-3，TIM-3)的相互作用促进了髓样抑制细胞的分化[66]。另外，galectin-9能够以TIM-3依赖性的方式促进NK细胞的IFN-γ分泌[67]，相反地，可以通过不依赖TIM-3的途径损害NK细胞的功能[68]。

3.2 糖基化与肿瘤免疫逃逸 临床前研究表明，糖基化在肿瘤细胞逃避机体免疫监视的功能中起重要作用。异常的聚糖结构、截短的糖基化前体及其最终结构会阻止有效的免疫反应。 此外，肿瘤相关糖类抗原(tumor-associated carbohydrate antigens，TACA)不会引起强烈的适应性免疫反应，且其中许多具有免疫抑制特性[69]。在乳腺癌抗肿瘤免疫反应中，β1,6-GlcNAc支链化N-聚糖的增加导致了CD4+T细胞和巨噬细胞的失活[70]。研究表明，O-聚糖中GalNAc的异常突变可以影响抗肿瘤免疫反应，GalNAc糖基化的肿瘤抗原MUC1粘蛋白显示对主要组织相容性复合物Ⅰ(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC Ⅰ)的抑制作用，并完全抑制了MUC1特异性的CD8+T细胞反应。因此，O-聚糖的异常突变可能与CD8+T细胞的抗原呈递受阻有关[71]。

随着免疫检查点抑制剂的出现以及免疫肿瘤学领域的不断发展，人们越来越多地开始研究糖基化对某些关键受体的作用。研究发现，PD-L1的免疫抑制活性受到N-糖基化的高度调节。结果表明，通过糖原合酶激酶GSK3b介导的非糖基化PD-L1降解可减少细胞膜上PD-L1的表达，从而增强抗肿瘤免疫力，提示PD-L1免疫抑制可能主要取决于糖基化[72]。

4 基于聚糖和糖基化的癌症治疗

目前，基于聚糖的癌症治疗疗法层出不穷，例如糖转移酶抑制剂、聚糖靶向治疗、糖基/糖肽疫苗和基于抗体的免疫疗法。其中，糖转移酶抑制剂是其中非常有潜力的领域。

研究发现，岩藻糖和唾液酸的类似物可用于抑制唾液酸转移酶(sialyltransferases，STs)和岩藻糖基转移酶，降低髓样细胞中岩藻糖和唾液酸的表达，使两者与选择素的结合能力降低[73]。大豆皂苷-1和AL10作为糖转移酶抑制剂，可用于治疗转移性乳腺癌和肺癌。大豆皂苷-1可选择性抑制α2,3-ST，从而抑制乳腺癌细胞系(MDA-MB-231)的迁移和转移[74]。AL10具有细胞渗透性，作为唾液酸转移酶抑制剂，能够降低A549和CL1.5肿瘤细胞的迁移与黏附能力，且该药无明显细胞毒性[75]。因此糖基化药物可用于无法耐受放射疗法，化学疗法和免疫疗法导致的多种毒性的患者。

耶鲁大学癌症中心的Contessa实验室小组发现一种有显著疗效的糖转移酶抑制剂NGI-1。该抑制剂可选择性靶向寡糖转移酶(OST)复合物的亚基，该复合物在N-糖基化组成途径中起着重要作用。但NGI-1仅能够选择性抑制那些具有EGFR依赖性细胞的增殖，因此该药物可能会被用于RTKs依赖性的癌症患者[76]。最新研究发现，免疫检查点分子B7-H4在冷肿瘤三阴性乳腺癌中普遍表达，利用NGI-1抑制B7-H4糖基化导致其泛素化与降解，改善了用阿霉素处理的癌细胞的免疫原性，增强了树突状细胞的吞噬作用并发生了CD8+T细胞免疫应答[77]。

此外，半乳糖凝集素结合/抑制糖蛋白也正在开发中，可能在癌症治疗中被应用。最新研究显示，嵌合信号肽-半乳糖凝集素-3偶联物(sGal-3)可以优先与肿瘤细胞表面的β1整联蛋白结合，通过触发癌聚糖-β1/钙蛋白酶/caspase-9促凋亡信号级联反应，诱导潜在的特异性癌细胞死亡[78]。

5 总结和展望

综上所述，癌症中糖基化异常与聚糖的改变在肿瘤发展、免疫调节及癌症治疗中扮演重要角色。因此了解异常糖基化背后的潜在机制可以更好地帮助我们诊断和治疗癌症，其中靶向肿瘤相关聚糖或糖肽的免疫疗法，具有治疗癌症的极大潜力。肿瘤细胞相关糖基化与糖蛋白的研究对癌症生物学的进展起着关键作用，随着我们对糖基化及其对抗肿瘤免疫作用的进一步研究，我们对免疫生物学将有更深入的了解，并将会为新型癌症治疗策略奠定坚实的基础。