凝集素的分类和功能

凝集素的分类和功能彭健鹏2012141242048摘要：由于凝集素在现在研究发现其特异性的识别功能可以用于肿瘤和HIV的治疗，所以学者们对于凝集素的关注有了极大提高。本文就尝试关于凝集素的分类与其功能做一个综合性的概述。关键词：凝集素分类功能研究ClassificationsAndFunctionsOfLectinsAbstract:Researcherswereveryinterestedinlectins,becauselectins’thespecificdistinguishingwouldbeusedtocuretumorsandHIV.I’dliketotrytosummarytheclassificationsandfunctionsoflectinsinthisarticle.Keyword:LectinClassificationResearchofFunction凝集素(lectin)是一类具有高度糖结合特异性的一类糖蛋白。通常这类糖蛋白都具有至少一个非催化结构域，而且专一结合单糖或者寡糖的过程是一个可逆的过程，且这类蛋白不具有免疫源性和酶的性质【1】。最早发现凝集素是在1888年,当时,Stillmark在蓖麻子中发现了一种蛋白酶细胞凝集因子【2】。至今，人们已经发现了接近1000余种，而且随着分子生物学、生物化学和生物信息学的发展，对这些糖蛋白的生物学特性、蛋白质结构与功能和基因序列都有了很大的了解。1.凝集素的分类系统随着凝激素种类的增多，人们需要将已经发现的凝集素进行整理和归纳以便于人们可以更为方便直接地选找到自己所需要的凝集素，或者将新发现的凝集素进行功能或者结构比对。所以就有了不同的凝集素分类系统。有的按照凝集素的亚基特征来分类；有的按照凝集素的来源物种来划分；有的按照凝集素的糖结合特异性来划分。按照凝集素的亚基特征分类会把凝集素大致分成四类：部分凝集素(merolectins)，只含1个糖结合结构域，它们不能沉积复合糖和凝集细胞;全凝集素(hololectins)，含至少2个相同或非常相似的糖结合结构域，它们可以凝集细胞和沉淀复合糖，绝大多数具凝集功能的植物凝集素属于此类;嵌合凝集素(chimmerolectins)是一类融合蛋白，由1个或多个糖结合结构域及1个具有酶活性或其他生物活性的结构域共同组成;超凝集素(superlectins)，至少含2个以上不同的糖结合结构域【3】。按照凝集素的来源分类会大致把凝集素分成三类，分别是动物凝集素、微生物凝集素和植物凝集素。其中动物凝集素会被分为P型凝集素、I型凝集素、S型凝集素、半乳糖凝集素和五聚体蛋白等五个家族【4】。微生物中由于来源太过于广泛所以并没有在进行较为标准的下划分类系统。而就目前的发现凝集素大多数都属于植物凝集素，所以按照来源分类凝集素时植物凝集素下面设置会显得有更加详细的分类组成：来自豆科植物的种子、叶子、茎皮和根的豆科凝集素、在禾本科、荨麻科、罂粟科、商陆科和茄科中存在的几丁质结合凝集素、在单子叶家族石蒜科、凤梨科、葱科、天南星科、兰科和百合科中存在的单子叶甘露糖结合凝集素、从木菠萝(Arotocarpusintegrifolia)的种子中提取的木菠萝素(Jacalin)家族凝集素、位于葫芦科韧皮部的葫芦科韧皮部凝集素和存在于苋科植物的种子的苋科凝集素【5】。如果按照凝集素的糖结合特异性来划分地话那么凝集素可以被分成六类：a.与D-甘露糖或D-葡萄糖结合的凝集素；b.与2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖结合的凝集素；c.与2-乙酰氨基-2-脱氧-D-半乳糖结合的凝集素；d.与D-乳糖结合的凝集素；e.与L-岩藻糖结合的凝集素；f.与唾液酸结合的凝集素【6】。不同亚基会专一性结合不同糖类，于是就有上面的分类标准。现在通过分子生物学和生物信息学可以更加客观地通过凝集素的序列相似性和他们在进化上的亲缘关系来分类则可以将凝集素分成12个家族分别是双孢蘑菇家族(ABA)、苋科植物家族(Amaranthin)、几丁质酶相关蛋白家族(CRA)、蓝藻凝集素家族(Cyanovirin)、卫欧矛家族(Euonymuseuropaeus)、雪花莲家族(Galanthusnivalisagglutinin)、橡胶蛋白家族(Hevein)、木菠萝家族(Jacalins)、豆科家族(Legumelectin)、具有赖氨酸基序的蛋白(Lysinmotif)、烟草凝集素家族(Nictaba)、蓖麻毒蛋白-B家族(Ricin-Bfamilies)【7】。这种分类方式由于其在进化关系和序列相似性的比较中会占据更大优势，而且与现阶段跨领域学科交叉的风尚比较吻合所以成了现在最能被广泛接受的凝集素分类方法。2.凝集素的功能凝集素最本质的一点就是它是一种非酶、非抗体的，可以特异性结合单糖或者多糖的蛋白质，那么也可以说凝集素最为基础同样也是最为重要的功能就它识别功能了，其他的功能几乎都只是其识别功能衍生物。凝集素最开始是被发现就是因为其凝集作用，凝集素里占大多数类型—全凝集素会有相似的2个或者2个以上的糖结合结构域于是就可将细胞与细胞连接在一起凝聚成团。早期发现了可以让红细胞发生凝集的凝集素，最近发现还存有可以使精子、淋巴细胞和细菌凝集的凝集素【8】。凝集素可以运用基础领域由此扩大，逐渐被应用到生物化学、医学、免疫学、分子生物学、生物信息学等等诸多领域。使凝集素受到关注肿瘤和AIDS的治疗，则是从20世纪90年代开始起被陆陆续续报道出来。一般认为凝集素可以与细胞膜上相应受体相结合，激活caspase途径或通过内吞作用激活线粒体途径从而诱发凋亡【7】。而凝集素在治疗HIV方面则是认为凝集素通过与HIV病毒竞争T淋巴细胞上的糖蛋白受体，通过自身先占领糖蛋白受体而是HIV病毒无法与T淋巴细胞结合来达到抑制或者治疗HIV的过程。但是也有少量凝集素并不是通过抑制与T细胞结合的方式，而是通过抑制HIV逆转录或者抑制HIV的整合阶段来抑制HIV病毒增殖【9】。凝集素在植物体中可能会有更大作用。Mirelman等次报道麦胚凝集素和马铃薯凝集素(Potatin)对真菌的生长具有抑制作用，而且他们认为物凝集素之所以能抑制真菌孢子萌发和菌丝生长是由于凝集素与真菌菌丝顶端微纤维交叉结合引起的【10】。另外，凝集素还好可以防御植物病毒，即是植物病毒不含聚糖，也没有凝集素作用位点。植物凝集素可以通过一种基于细胞壁或是胞外聚糖的间接机制来防御植物病毒【7】。研究者还发现植物凝集素存在杀死昆虫的功能，麦胚凝集素和紫羊蹄甲种子凝集素在相当低的含量水平就使初孵玉米螟幼虫致死(Czapla＆Lang,1990)。而来源于麦胚、马铃薯块茎、核桃、沙棘、水稻和刺荨麻的凝集素则对豌豆象甲幼虫和豇豆象甲幼虫的生长有抑制作用【11】。另外，凝集素还参与生物固氮的部分，Hamblin和Kent观察到根瘤菌与凝集素能发生凝集作用，并且给出他们对于根瘤菌与豆科植物结合的假说：与菜豆凝集素结合的根瘤菌到达菜豆的根，在适当的位点感染植物，然后形成根瘤菌与豆科植物的共生体【12】。也就是说在没有凝集素接入的情况下，根瘤菌是无法在豆科植物的根部与豆科植物发生结合形成一个稳定的共生关系。结束语：凝集素未来发展还有许多可以期待的地方，比如说利用转基因技术是植物的凝集素增加表达量防虫、抗病达到增产效果。目前来说，对于凝集素是如何杀死昆虫的生物机理还并不是了解的很透彻，而且能不能通过人为改造的方式使凝集素的特异性提高一种准确识别目标细胞尽量少是正常的健康细胞受到凝集素的高细胞毒性的杀伤，或者避免使用凝集素作为药物的靶向载体形成不必要的浪费，这些都是需要我们解决的问题。虽然现在凝集素看起来还存在着这样或者那样的问题，但就目前的研究现状来看，植物凝集素的结构解析、抗癌细胞、抗病毒分子机制以及它们在农业上的应用研究将成为未来几年该领域的热点。随着研究深入，凝集素必然会展现出其潜力下的光芒，为人类的发展贡献出自己的力量。【1】Teixeira-SuDM,ReicherF,BragaRC,elal.IsolationofalectinandagalactoxyloglucanfromMucunasloaneiseeds.Phytochemistry,2009,70(17-18):1965-1972【2】高莹,瞿礼嘉,陈章良.植物凝集素的分子生物学研究[J].生物技术通报,2000,05:18-22.【3】VanDammeEJM,PeumansWJ,BarreN,etal.Plantlectins:acompositeofseveraldistinctfamiliesofstructurallyandevolutionaryrelatedproteinswithdiversebiologicalroles.CritRevPlantSci,1998,17:575【4】卢晓，陈章良.半乳糖凝集素［J］.免疫学杂志，2004，20(3):21-23【5】舒晓燕,阮期平,侯大斌.植物凝集素的研究进展[J].现代中药研究与实践,2006,06:53-56【6】SharonN,LisH.Science,1989,24（62）：227-230.【7】鲍锦库.植物凝集素的功能[J].生命科学,2011,06:533-540【8】KoehlerJK.Lectinsasprobesofthespermatozoonsurface.1981,6(3):197-217【9】牛耀辉,陈朝银,赵声兰,杨苏,唐嘉.凝集素及其抗HIV研究进展[J].云南化工,2006,06:59-63.【10】MirelmanD,GalumE,SharonN,etal,Inhibitionoffungalgrowthbywheatgermagglutinin.Nature,1975,256:414-6【11】高燕会,李润植,毛雪,李彩霞.植物凝集素的防卫功能及其研究进展[J].世界农业,2000,02:33-35.【12】HamblinJ,KentSP.Carbohydrate-bingingsitesinplantlectins.NatureNewBiol,1988,245:28-30