糖基转移酶与膀胱癌关系的研究进展

张 晗，汪淑晶

(大连医科大学 生物化学与分子生物学教研室 糖生物研究所，大连116044)

近年来，糖生物学对于了解肿瘤发生机制发挥了重要作用，同时它也为诊断和治疗提供了一系列靶点，许多蛋白质、脂类以及化学小分子药物都存在不同的糖基化修饰，而这些糖基化修饰的产物在新药开发领域具有重要意义。因此，糖生物学在肿瘤研究方面的重要性不断增加。在人类与疾病的关系中,糖基化作为一个关键的调节机制控制多个病理生理过程，它的缺陷表明哺乳动物糖组中包含了大量值得关注的生物信息[1]。

1 糖基转移酶概述

糖基转移酶是糖蛋白以及糖脂中糖链生物合成的关键酶之一,其活性的异常表达与肿瘤以及免疫系统疾病的发生、发展有密切关系[2]。真核生物中超过50%的蛋白质都具有糖基化修饰。目前发现的糖基转移酶有100多种，它们主要分布在高尔基体和内质网，作用是把与其相应的活性供体(如二磷酸核苷NDP-糖等)的单糖部分转移到糖、脂类及蛋白质等，进而对后者进行糖基化加工，实现其生物学功能[3]。

1.1 糖基转移酶的分类及结构

根据糖链与蛋白质的不同连接方式可将糖蛋白分为两种，N-连接糖蛋白和O-连接糖蛋白。O-连接糖蛋白糖链的生物合成主要在高尔基体内进行, 是将单糖以核苷酸糖的形式逐渐加在多肽的丝氨酸或苏氨酸上[4]。N-糖链的合成一般需要借助一个磷酸多萜醇形成共同的脂多糖前体:Glc3Man9(GlcNAc)2-P-P-Dol, 并将其加在新生多肽糖基化位点Asn-X-Ser /Thr中的Asn上(X是除脯氨酸外的任意氨基酸)。在内质网膜上的相应糖基转移酶催化下形成的该前体中的寡糖。 这些寡糖是以核苷二磷酸糖为供体，按顺序加上GlcNAc (N-乙酰氨基葡萄糖)、Man (甘露糖)、Glc(葡萄糖)形成的，然后再经两步糖苷酶作用形成(Man) 5 (GlcN Ac) 2-P-PDol-Asn, 之后再从内质网运送至高尔基体, 经过一系列的糖苷酶及糖基转移酶进一步加工后形成最终的糖蛋白[5]。

1.2 糖基转移酶的功能

糖基化是蛋白质翻译后重要的修饰形式之一，糖链对于生长发育等生理功能具有调节作用。抑制细胞表面糖链的形成会导致细胞生长行为的改变，黏附和迁移能力的减弱，更有一些N-型糖链直接参与了细胞与细胞外基质的接触和黏附，这对肿瘤转移具有十分重要的意义[6]。但是在细胞中，不同功能阶段可能会存在着不同的糖链结构表达，而这也同样影响着细胞的生物学功能。细胞内的糖基转移酶催化合成不同的糖链，它的表达水平及活性的高低更是直接决定了糖链的合成。例如：细胞发生恶变时,由于糖基转移酶或者糖苷酶的失活或者某些在胚胎时期活跃成熟后趋于静止的酶被激活,并由此引起细胞表面糖结构发生变化[7]。因此,深入探索研究这些肿瘤相关糖基转移酶的表达量改变,对于肿瘤的早期诊断、监测、预后评估以及新的治疗靶点探寻都具有重要意义。

2 糖基转移酶与膀胱癌

膀胱癌是发生在膀胱黏膜上皮组织上的一种恶性肿瘤，其发病率位于男性肿瘤第4位，女性肿瘤第11位[8]。膀胱癌是泌尿系统中最常见的肿瘤，其早期诊断和个性化治疗是治疗取得成功的关键[9]。根据2012年的分析监测和流行病学统计数据，其术后复发率高，预后不良等问题仍未解决，相关化疗药物价格昂贵、并发症严重以及副作用多的问题仍然存在[10]。因此寻找一个有效的诊断及治疗靶点仍是当下研究的热点，糖生物学令膀胱癌生物学行为的研究及新的相关肿瘤标志物的发现成为了可能[11]。

2.1 岩藻糖基转移酶与膀胱癌

岩藻糖基转移酶是催化核苷二磷酸岩藻糖将岩藻糖基转移至受体分子的一类己糖基转移酶。目前已知的岩藻糖基化转移酶有13个[12]。分4类：第1类，包括Fut1和Fut2，与α-1,2岩藻糖苷键合成有关；第2类，包括Fut3、4、5、6、7和9，与α-1,3/4岩藻苷键合成有关；第3类，主要是Fut8，与α-1,6岩藻糖苷键合成有关；第4类，包括Fut10和Fut11[13]。岩藻糖基转移酶表达量的异常在肿瘤生长、侵袭、转移、免疫逃逸以及药物敏感性方面发挥作用。α-1,6岩藻糖基转移酶(FUT8)是唯一一个能够催化核心岩藻糖合成的糖基转移酶，而核心岩藻糖的修饰是糖蛋白转录后修饰的重要方式，它的表达量变化更与肿瘤的发生发展密切相关。当前已有研究发现，在肺癌[14]、肝癌[15]及卵巢癌[16]等肿瘤组织中都有FUT8的高表达。虽然岩藻糖基转移酶与膀胱癌的研究还相对缺乏，但已有研究证明，它在膀胱癌中表达量异常增加[17-18]。如：Fut1在膀胱癌中表达水平受钙网蛋白调控，钙网蛋白能够通过Fut1对β1整合素进行α1，2-岩藻糖基化修饰从而调节细胞黏附和膀胱移行细胞癌的转移，而在这个过程中，Fut1的表达量异常增加。

2.2 N-乙酰氨基葡萄糖转移酶与膀胱癌

N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(GlcNAcT或GnT)是一类重要的糖基转移酶, 它是一组催化转移GlcNAc的酶。在肿瘤发生过程中，β-1,6-分支型N连接聚糖在肿瘤细胞中的表达量增加经常发生。GnT-V是由β-1,6-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶5基因编码，MGAT5的表达是由RAS-RAF-MAPK信号传导途径调节，它在肿瘤发生时被激活。研究发现，GnT-V表达与肿瘤分级和分期相关，影响这种生物学行为的主要原因可能是它能够改变细胞表面某些糖蛋白如钙黏蛋白、整合素及细胞表面生长因子受体的β-1,6-分支结构，从而影响了肿瘤的生物活性。而N-乙酰氨基葡萄糖转移酶Ⅲ (GnT-Ⅲ)则是一种能够催化生成N-聚糖核心β1,4-甘露糖上的平分型乙酰氨基葡萄糖糖基转移酶并且抑制N-聚糖合成过程中其他糖基转移酶的作用的特殊糖基转移酶,它通过影响N-聚糖结构,调节糖蛋白的功能。已有研究表明，GnT-Ⅲ能够抑制肿瘤的迁移与侵袭能力[19]，并在肾癌等多种肿瘤中表达量减少。在膀胱癌中，GnT-V在低级/浅表性膀胱癌中的表达量明显高于高级/侵袭性癌，GnT-V高表达与GnT-V低表达的肿瘤患者相比，生存期明显延长[20-21]。GnT-V同时也被发现与肝癌[22]，非小细胞肺癌[23]等相关。同时也有研究认为另一种β-1,6-N-乙酰葡萄糖胺基转移酶GnT-IX也与膀胱癌有关，它可能增加了正常膀胱上皮中β-1,6-分支链寡糖的表达量。

2.3 唾液酰基转移酶与膀胱癌

唾液酸是一种位于糖链末段的带有负电荷的九碳单糖，能够与细胞膜表面脂蛋白、糖蛋白的脂质结合，是重要的生物信息传递分子。唾液酰基转移酶是一类能够将唾液酸通过α2,3-和α2,6-两种连接方式连接在Gal或GalNAc上，也可以α2,8-的连接方式结合唾液酸蛋白上的糖基转移酶[24]。根据转移唾液酰基后新形成的不同糖苷键类型把唾液酰基转移酶进一步分为4类: ST3Gal I-VI、ST6Gal I-II、ST6GalNAc I-VI 以及ST8Sia I-VI[25]。与肿瘤相关的其他主要唾液酸化抗原是SLEa和SLex，经证实其在许多恶性肿瘤中高表达，并与肿瘤预后不良有关[26]。

2.3.1 α-2，3连接唾液酸与膀胱癌

α-2,3-连接的唾液酰基转移酶ST3Gal III, ST3Gal IV和ST3Gal VI是介导SLea和SLex合成的关键酶。SLea和SLex是选择素配体，属于C-型凝集素家族的血管细胞黏附分子。在肿瘤中，SLex通过加强内皮细胞与选择素相互作用从而调节转移。ST3Gal Ⅲ优先作用于I型链[Gal(β1-3)GlcNAc]并参与SLea合成，但它也可催化参与II型链[Gal(β1-4)GlcNAc]的唾液酸化并参与SLex合成。 另一方面，ST3Gal IV唾液酸化Ⅲ型[Gal(β1-3)GalNAc]单元并且由II型单元进行SLex合成的。 ST3Gal VI对II型结构进行唾液酸化[27]。研究发现，ST3Gal在非肌层浸润性膀胱癌中的mRNA水平显著高于正常对照尿路上皮组织,而在肌肉侵犯型膀胱癌中又明显高于非肌肉侵犯型[28]。同时，ST3Gal的异常表达还与肿瘤相关T抗原有关，肿瘤相关T 抗原是一类以Gal NAc-selr /Thr 或Galβ1-3 GalNAc-ser/ Thr 为核心、通过不同的糖基转移酶协同作用而形成的一系列O-聚糖结构[29], 被称为Thomsen -Friedenreieh抗原的就是它的核心结构，也可简称为TF抗原或T抗原。ST3Gal-I负责T抗原的不可逆转性的唾液酸化从而形成STn抗原[30]。因此ST3Gal-I与膀胱癌的恶性行为密切相关。

2.3.2 α-2,6连接唾液酸与膀胱癌

α-2,6-唾液酰基转移酶通常在细胞表面进行表达,它能够催化已活化的唾液酸通过α-2,6-糖苷键连接在细胞膜表面的N-乙酰乳糖胺上，并由此成为肿瘤细胞与细胞外基质进行相互识别的重要受体。研究表明，ST6Gal系列唾液酸酰基转移酶在肿瘤组织，特别是转移癌中呈高表达。目前发现，ST6Gal I的表达与活性在很多恶性肿瘤，如结肠癌、乳腺癌、肝癌等均存在不同程度的上调[31]。临床研究表明，ST6Gal I表达的增高预示着预后不良，而在膀胱癌中ST6Gal I表达量减少，经过进一步实验研究发现这与ST6Gal I的启动子甲基化相关，这表明ST6Gal I在进展期膀胱癌中可能发挥着抑癌作用[32]。另一种α-2,6-唾液酸酰基转移酶ST6GalNac I则被发现在恶性度较高的膀胱癌组织中过表达，这种改变与STn抗原有关[33]。

2.3.3 α-2,8连接唾液酸与膀胱癌

ST8Sia唾液酰基转移酶能将CMP-Sia上的唾液酸以α-2,8-糖苷键的形式转移到糖链末端。目前发现ST8Sia唾液酰基转移酶的异常表达与多聚唾液酸结构有密切联系。多聚唾液酸结构以α-2,8-糖苷键相互串联的十几个唾液酸共同构成的一种均一的多聚线性结构，主要是由ST8Sia II(也称为STX)与ST8Sia4VI(也成为PST)催化合成的。这种线性结构导致细胞膜上黏附分子距离增大，黏附能力减弱，促进肿瘤细胞转移。ST8Sia唾液酰基转移酶的表达还与神经节苷脂的合成密切相关[34]，神经节苷脂中的唾液酸结构能与Siglec结合，介导肿瘤细胞的体内转移。

3 小结与展望

综上所述，糖基化修饰的蛋白质、脂质及核酸等化合物在体内承担着重要的生物学功能，而细胞膜表面的异常糖基化修饰又与糖基转移酶的异常表达密切相关，并由此进一步影响细胞的生物学行为。当前研究表明，在肿瘤发生发展的增殖、分化、血管形成及迁移侵袭等不同阶段均有不同的糖基转移酶表达异常，而不同的糖基转移酶转录机制各不相同，故而对其相关机制的进一步深入探索研究具有重要意义。近年来，随着聚糖分析的新技术和新方法的出现，许多肿瘤相关的糖基转移酶被发现。针对肿瘤相关聚糖抗原的血清抗体已作为生物标志物用于早期癌症检测的潜能。由于糖生物学领域新知识的不断发掘，糖基转移酶调节生理功能机制不断探索，糖基转移酶作为新的膀胱癌诊断及治疗靶点具有重要意义。

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