聚糖在腫瘤轉移、免疫調節和治療中的特定作用

聶筆爻，戴蓓英，楊勇，王琛

(1.中國藥科大學生命科學與技術學院，江蘇 南京 211198；2.中國藥科大學藥物科學研究院，江蘇 南京 211198；3.中國藥科大學基礎醫學與臨床藥學學院，江蘇 南京 211198)

1 聚糖與糖基化

糖基化是常見的蛋白質和脂質修飾方式，在細胞的正常發育和生理過程中起著至關重要的作用。通過多種糖基轉移酶和糖苷酶的嚴格調控和動態作用可以產生多種聚糖結構，這些聚糖結構可以游離存在，也可以通過糖基化修飾與蛋白質結合，形成糖蛋白。

糖蛋白中的聚糖主要分為3類：N-聚糖、O-聚糖和糖胺聚糖(glyeosaminoglycans，GAGs)。N-聚糖主要分為3種類型：高甘露糖類、混合類和復合類，它們都有一個共同的核心戊糖區域。O-聚糖通常密集地聚集在富含絲氨酸或蘇氨酸的蛋白質結構域上。GAGs是線性重復二糖單元的大鏈，可與蛋白質相連或以游離糖形式出現[1-4]。大多數聚糖和糖蛋白存在于細胞膜的外表面，主要在細胞與細胞外環境之間的識別和相互作用、介導細胞黏附、細胞與細胞基質間相互作用、細胞信號傳導以及宿主與病原體間相互作用過程中起重要作用[1-2,5]。

聚糖和糖蛋白表達的改變與多種疾病有關，例如先天性疾病、免疫缺陷病和癌癥。聚糖和糖蛋白的異常會導致細胞間黏附力受損、致癌信號通路激活、細胞轉移性增強[2,6-7]。許多惡性腫瘤會表達聚糖表位的不同亞群，包括截短的簡單O-聚糖、改變的N-聚糖分支、異常的唾液酸化、巖藻糖基化和GAGs。此外，聚糖還參與了相關糖蛋白對免疫應答的調節。

2 癌癥中的聚糖與糖基化

2.1 癌癥中受體酪氨酸激酶的糖基化 受體酪氨酸激酶(RTKs)是經過糖基化的跨膜細胞表面受體，可調節細胞信號傳導過程，癌細胞中RTKs基因或蛋白結構糖基化的改變會導致受體的異常激活，從而驅動腫瘤細胞的增殖和轉移。

RTKs(例如EGFR、FGFR、IGFR和PDGFR)激活后，每100個氨基酸中會出現更多的N-聚糖位點(8～16個)，從而刺激細胞增殖。抑制N-聚糖的形成，會誘導RTKs依賴的信號通路失活和RTKs依賴性癌細胞的生長停滯[8-10]。針對EGFR的研究表明，N-聚糖可以促進半乳糖凝集素介導的受體在細胞表面的停留，從而促進RTKs配體依賴性刺激[11-13]，促進腫瘤發展。相反，EGFR唾液酸化和巖藻糖基化的異常，會影響其二聚化及其在肺癌細胞中的激活[14]，抑制腫瘤發展。

2.2 癌癥中黏附分子的糖基化

2.2.1 聚糖和細胞間黏附 腫瘤的轉移和發展與細胞間黏附力的喪失密切相關，而癌細胞的聚糖結構異常可以提高癌細胞的遷移和侵襲能力，從而促進癌細胞的轉移[2]。E-鈣粘蛋白(E-cadherin)是一種跨膜糖蛋白，是上皮組織細胞中的主要黏附分子，在上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)過程中起關鍵作用。E-鈣粘蛋白上N-糖基化的改變會造成癌細胞中E-鈣粘蛋白功能的喪失[15-17]，消除E-鈣粘蛋白Asn-554位的異常N-糖基化可以抑制腫瘤發展[18-19]。研究表明，神經膠質瘤細胞中E-鈣粘蛋白的N-糖基化能夠減弱細胞間黏附并促進腫瘤細胞遷移[20]。此外，O-甘露糖基化也可以調節E-鈣粘蛋白功能。功能性E-鈣粘蛋白表達高水平的O-甘露糖基化聚糖，而非功能性E-鈣粘蛋白會發生蛋白質糖基化的改變，具體表現為 β1,6-GlcNAc支鏈化N-聚糖的增加和O-甘露糖基化聚糖的減少，這種改變有助于癌癥發展。

2.2.2 聚糖與細胞外基質的相互作用 細胞外基質(Extracellular matrix，ECM)是組織的非細胞部分，整聯蛋白家族中的表面受體主要參與細胞與ECM成分相互作用的過程，細胞與ECM相互作用的動態變化，特別是由聚糖調節的變化，對于腫瘤細胞的遷移和侵襲至關重要。

聚糖通過調節整聯蛋白功能，影響腫瘤細胞的遷移能力。β1,6-GlcNAc支鏈化的N-聚糖與二等分GlcNAc N-聚糖以相反的方式影響整聯蛋白的功能。胃癌細胞中，過表達MGAT5編碼的N-乙酰氨基葡萄糖氨基轉移酶V(GnT-V)顯著增強了整聯蛋白α3β1上 β1,6-GlcNAc支鏈N-聚糖的表達，導致了腫瘤細胞的遷移。相反，過表達N-乙酰氨基葡萄糖基轉移酶Ⅲ(GnT-Ⅲ)催化二等分GlcNAc N-聚糖的形成，與GnT-V競爭對整聯蛋白的糖基化修飾抑制了胃癌細胞的遷移[21]。最新研究報道，卵巢癌細胞中CD82 Asn157處的N-糖基化可以抑制整聯蛋白信號傳導途徑，從而抑制卵巢癌細胞的遷移[22]。

整聯蛋白的巖藻糖基化和唾液酸化也參與其功能的調節。在HepG2肝癌細胞中，抑制巖藻糖基化減少了細胞的遷移，同時也抑制了整聯蛋白β1通過黏著斑激酶(FAK)介導的相關細胞內信號傳導[23]。半乳糖苷α2,3-唾液酸轉移酶3(ST3GAL3)在胰腺癌細胞中的過表達產生了高水平的唾液酸SLex和低水平的α2,6-唾液酸，α2,6-唾液酸連接在整聯蛋白α2β1的N-聚糖上，導致了FAK磷酸化的增強和胰腺癌細胞侵襲性表型的增加[24]。

2.3 癌癥相關GAGs和蛋白聚糖 GAGs分為5個主要類別：透明質酸(hyaluronic acid，HA)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸皮膚素(dermatan sulfate，DS)、肝素(heparin)和硫酸乙酰肝素(heparin sulfate，HS)和硫酸角質素(keratan sulfate，KS)。GAGs在哺乳動物中無處不在，并且與其他ECM成分(例如血漿蛋白，生長因子，細胞因子等)相互作用，在調節細胞行為和功能中起重要作用。蛋白聚糖由核心蛋白和共價連接到該蛋白上的GAGs組成，在細胞信號轉導過程中發揮著關鍵作用，參與調控許多生理和病理過程。根據位置，蛋白聚糖分為細胞內，細胞表面和細胞外蛋白聚糖。

2.3.1 細胞內蛋白聚糖 Serglycin是目前發現的唯一一種真正的細胞內蛋白聚糖[25]，此外，研究發現serglycin也可以作為一種細胞外蛋白多糖。細胞內serglycin可以介導白細胞生成并參與細胞因子和趨化因子的保留和分泌。 細胞外serglycin在細胞間相互作用中起著重要作用，并有助于轉移性細胞的外滲，定植和生長[26]。

2.3.2 細胞表面蛋白聚糖 細胞表面蛋白聚糖的兩個主要家族是多配體聚糖(syndecans)和磷脂酰肌醇聚糖(glypican)。Syndecan (SDC)家族由4個成員組成(SDC1、SDC2、SDC3、SDC4)，主要由HS鏈修飾，屬于硫酸肝素蛋白聚糖(heparan sulfate proteoglycan，HSPG)。人肝癌細胞中，SDC1表達缺失的癌細胞具有更高的轉移潛能[27]。此外，SDC1表達水平與結直腸癌的發生、分化和臨床分期有關[28]。研究表明，SDC2的上調與結直腸癌的發展相關，并促進肺癌和結直腸癌細胞的侵襲[29-30]。相反，SDC2表達水平的降低會誘導癌細胞凋亡，并抑制乳腺癌細胞的生長和轉移[31]。SDC3常在胰腺癌中高表達，與患者預后不良相關[32]。腎細胞癌與骨肉瘤中，SDC4過表達促進了癌細胞的發展和轉移[33-34]。

Glypican(GPC)家族由6種通過GPI(糖基磷脂酰肌醇)錨定到細胞膜外表面的HSPG組成[35]。GPC2和GPC3分別與神經母細胞瘤和肝細胞癌的不良預后相關[36-37]，而GPC5已被報道在前列腺癌，肺癌和乳腺癌中具有抑癌作用[38-40]。

2.3.3 細胞外蛋白聚糖 細胞外蛋白聚糖，例如versican和perlecan是ECM的重要組成部分。Versican是一種較大的硫酸軟骨素蛋白聚糖，可以調節不同癌癥(包括乳腺癌、胃癌、腎癌、卵巢透明細胞癌和骨肉瘤)中腫瘤的發生與發展[41-45]。小鼠的原發性乳腺癌模型中，癌細胞肺轉移前微環境中的髓樣祖細胞表達versican，而在骨髓中敲低versican減弱了癌細胞的肺轉移[46]。

Perlecan是一種存在于組織邊界處的硫酸肝素蛋白聚糖，與上皮細胞的異常增生有關。Perlecan在細胞和細胞間隙中結合各種生長因子，可促進前列腺癌、咽喉癌和口腔鱗狀細胞癌的腫瘤血管生成和轉移[47-50]。

ECM中聚糖含量或組成的改變會導致癌細胞表型的變化，有利于腫瘤的發展。鼠源乳腺癌細胞中過表達的透明質酸會導致癌癥干細胞的擴增，并促進癌細胞的侵襲[51]。另一方面，透明質酸酶1(haase1)在人前列腺癌細胞中的過表達加速了ECM的降解，增強了癌細胞的運動性和增殖能力，同時還加快了腫瘤對對轉移部位ECM的清除和侵襲。

3 糖基化和抗腫瘤免疫

3.1 凝集素和腫瘤免疫 凝集素(lectin)是一種聚糖結合蛋白，主要與細胞的識別和黏附有關[3]。腫瘤細胞的聚糖具有特異的表位，能夠通過凝集素等糖結合受體使細胞與微環境結合并相互作用。凝集素與聚糖識別后與免疫細胞受體結合能夠調節免疫反應。

3.1.1 免疫球蛋白樣凝集素(siglecs) 大多數siglecs以順式或反式的形式結合唾液酸配體，同時N-糖基化糖蛋白也是siglecs的高親和力配體。研究表明，siglec-1可以與腫瘤抗原MUC1粘蛋白結合[52]，MUC1粘蛋白在多種腫瘤中異常高表達，且與不良預后相關[53]。此外，存在于免疫細胞上的siglec-9也能與MUC1顯著結合[54]。單核細胞和巨噬細胞上siglec-9與MUC1-唾液酸化Tn的依賴性結合可以促進與腫瘤進展相關因子的分泌[55]。Siglec-9也是MUC16粘蛋白的受體，其作為黏附分子可能介導抗腫瘤免疫反應的抑制，促進卵巢腫瘤細胞的轉移[56]。Siglec-7和siglec-9配體的水平在多種人類癌細胞上表達量大大提高，降低了癌細胞對自然殺傷(NK)細胞的敏感性[57-58]。此外，研究表明siglec-7以α2,6-連接的方式結合神經節苷脂下調了NK細胞的細胞毒性，為腎癌細胞的存活和轉移創造了有利的條件[59]。

Siglecs在免疫細胞中的保守特異性促使它們成為免疫療法的新目標。Siglec-2具有最高的保守特異性，主要結合以α 2,6-連接的唾液酸化配體[60]。在肺癌的轉移模型中，抗siglec-2的抗體減弱了癌細胞肺轉移并提高了小鼠的生存率[61]。

3.1.2 半乳糖凝集素(galectin) 半乳糖凝素是一種可溶性的蛋白質，通過其糖類識別結構域(carbohydrate reco-gnition domains，CRDs)與眾多糖基化受體相互作用，在細胞內通過蛋白質-聚糖或蛋白質-蛋白質相互作用控制信號傳導來識別細胞外環境中的β-半乳糖苷。癌變過程中人β半乳糖苷α2,6-唾液酸轉移酶1(ST6GAL1)表達增加，導致半乳糖凝素與β1,6-支鏈聚糖的結合力增強[62]，這可能會遏制半乳糖凝素介導的細胞凋亡并促進腫瘤細胞存活。Galectin-3-N-聚糖復合物能夠抑制腫瘤特異性細胞毒性T細胞的活力[63]，galectin-3和CTLA-4上的復合N-聚糖相互作用可能會延遲該免疫檢查點受體的內吞時間并延長T細胞活化后捕獲信號的傳遞時長[11]。Galectin-4與前列腺癌的進展及其晚期轉移有關[64]，同時也可能與肺腺癌的轉移有關[65]。Galectin-9與T 淋巴細胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin domain and mucin domain-3，TIM-3)的相互作用促進了髓樣抑制細胞的分化[66]。另外，galectin-9能夠以TIM-3依賴性的方式促進NK細胞的IFN-γ分泌[67]，相反地，可以通過不依賴TIM-3的途徑損害NK細胞的功能[68]。

3.2 糖基化與腫瘤免疫逃逸 臨床前研究表明，糖基化在腫瘤細胞逃避機體免疫監視的功能中起重要作用。異常的聚糖結構、截短的糖基化前體及其最終結構會阻止有效的免疫反應。 此外，腫瘤相關糖類抗原(tumor-associated carbohydrate antigens，TACA)不會引起強烈的適應性免疫反應，且其中許多具有免疫抑制特性[69]。在乳腺癌抗腫瘤免疫反應中，β1,6-GlcNAc支鏈化N-聚糖的增加導致了CD4+T細胞和巨噬細胞的失活[70]。研究表明，O-聚糖中GalNAc的異常突變可以影響抗腫瘤免疫反應，GalNAc糖基化的腫瘤抗原MUC1粘蛋白顯示對主要組織相容性復合物Ⅰ(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC Ⅰ)的抑制作用，并完全抑制了MUC1特異性的CD8+T細胞反應。因此，O-聚糖的異常突變可能與CD8+T細胞的抗原呈遞受阻有關[71]。

隨著免疫檢查點抑制劑的出現以及免疫腫瘤學領域的不斷發展，人們越來越多地開始研究糖基化對某些關鍵受體的作用。研究發現，PD-L1的免疫抑制活性受到N-糖基化的高度調節。結果表明，通過糖原合酶激酶GSK3b介導的非糖基化PD-L1降解可減少細胞膜上PD-L1的表達，從而增強抗腫瘤免疫力，提示PD-L1免疫抑制可能主要取決于糖基化[72]。

4 基于聚糖和糖基化的癌癥治療

目前，基于聚糖的癌癥治療療法層出不窮，例如糖轉移酶抑制劑、聚糖靶向治療、糖基/糖肽疫苗和基于抗體的免疫療法。其中，糖轉移酶抑制劑是其中非常有潛力的領域。

研究發現，巖藻糖和唾液酸的類似物可用于抑制唾液酸轉移酶(sialyltransferases，STs)和巖藻糖基轉移酶，降低髓樣細胞中巖藻糖和唾液酸的表達，使兩者與選擇素的結合能力降低[73]。大豆皂苷-1和AL10作為糖轉移酶抑制劑，可用于治療轉移性乳腺癌和肺癌。大豆皂苷-1可選擇性抑制α2,3-ST，從而抑制乳腺癌細胞系(MDA-MB-231)的遷移和轉移[74]。AL10具有細胞滲透性，作為唾液酸轉移酶抑制劑，能夠降低A549和CL1.5腫瘤細胞的遷移與黏附能力，且該藥無明顯細胞毒性[75]。因此糖基化藥物可用于無法耐受放射療法，化學療法和免疫療法導致的多種毒性的患者。

耶魯大學癌癥中心的Contessa實驗室小組發現一種有顯著療效的糖轉移酶抑制劑NGI-1。該抑制劑可選擇性靶向寡糖轉移酶(OST)復合物的亞基，該復合物在N-糖基化組成途徑中起著重要作用。但NGI-1僅能夠選擇性抑制那些具有EGFR依賴性細胞的增殖，因此該藥物可能會被用于RTKs依賴性的癌癥患者[76]。最新研究發現，免疫檢查點分子B7-H4在冷腫瘤三陰性乳腺癌中普遍表達，利用NGI-1抑制B7-H4糖基化導致其泛素化與降解，改善了用阿霉素處理的癌細胞的免疫原性，增強了樹突狀細胞的吞噬作用并發生了CD8+T細胞免疫應答[77]。

此外，半乳糖凝集素結合/抑制糖蛋白也正在開發中，可能在癌癥治療中被應用。最新研究顯示，嵌合信號肽-半乳糖凝集素-3偶聯物(sGal-3)可以優先與腫瘤細胞表面的β1整聯蛋白結合，通過觸發癌聚糖-β1/鈣蛋白酶/caspase-9促凋亡信號級聯反應，誘導潛在的特異性癌細胞死亡[78]。

5 總結和展望

綜上所述，癌癥中糖基化異常與聚糖的改變在腫瘤發展、免疫調節及癌癥治療中扮演重要角色。因此了解異常糖基化背后的潛在機制可以更好地幫助我們診斷和治療癌癥，其中靶向腫瘤相關聚糖或糖肽的免疫療法，具有治療癌癥的極大潛力。腫瘤細胞相關糖基化與糖蛋白的研究對癌癥生物學的進展起著關鍵作用，隨著我們對糖基化及其對抗腫瘤免疫作用的進一步研究，我們對免疫生物學將有更深入的了解，并將會為新型癌癥治療策略奠定堅實的基礎。