岩藻糖基转移酶的研究进展

孙 玥,王晓非

(中国医科大学附属盛京医院风湿免疫科，沈阳110022)

细胞表面糖结合物在细胞黏附、细胞分化、免疫应答、受精、病毒和细菌感染以及肿瘤进展等多种生理病理过程中发挥重要作用。含岩藻糖的多聚糖对广泛的细胞事件至关重要。白细胞募集和滚动过程中，白细胞表面表达唾液酸化的路易斯寡糖x(sialyl lewis x，sLex)抗原可介导内皮细胞表面对选择素的识别[1-2]。识别过程的顺利完成依赖于对应岩藻糖基转移酶(fucosyltransferase，FucT)的加工修饰，其活性的异常表达常与免疫系统疾病密切相关。当精子与卵细胞的细胞外基质结合时，人类受精开始。sLex是人类精子与卵子结合的主要碳水化合物配体，是卵母细胞表面最丰富的糖表位[3]。许多子宫内膜和胚胎的细胞表面寡糖被发现，包括sLex，非唾液酸化的路易斯x(lewis x，Lex)抗原和非唾液酸化的路易斯y(lewis y，Ley)抗原。α-2，3-唾液酸转移酶和α-1，3-FucT依次催化sLex生物合成的最后两步。sLex异常表达和FucT活性增强在许多肿瘤中存在，且可能参与肿瘤转移过程[4-6]。由此可见，FucT抑制剂可作为潜在的抗炎、抗肿瘤药物[7]。现就FucT的分类、组织分布以及与相关疾病关系等方面的研究进展做一综述。

1 FucT的分类及组织分布

人类共有11种FucT，根据酶反应中形成的糖苷键的类型不同，分为α-1，2-FucT、α-1，3-FucT、α-1，4-FucT、α-1，6-FucT和o-FucT。人类Fut1基因和Fut2基因编码α-1，2-FucT(分别表示FucT-Ⅰ和FucT-Ⅱ)，通过α-1，2-连接到N-乙酰乳糖胺的末端半乳糖催化岩藻糖的转移。Fut 3～Fut 7和Fut 9基因编码6个α-1，3-FucT(FucT-Ⅲ、FucT-Ⅳ、FucT-Ⅴ、FucT-Ⅵ、FucT-Ⅶ和FucT-Ⅸ)，负责路易斯抗原合成的最后一步，包括Lex、Ley、非唾液酸化的路易斯a抗原(lewis a，Lea)、非唾液酸化的路易斯b抗原(lewis b，Leb)、sLex和唾液酸化的路易斯a抗原(sialyl Lewis a，sLea)。FucT-Ⅷ由Fut8基因编码，是唯一负责通过N-多糖核心结构上的α-1，6-链将L-岩藻糖添加到N-乙酰葡萄糖胺结构中的FucT。各类FucT组织分布是FucT-Ⅰ：红细胞膜、血管内皮；FucT-Ⅱ：上皮细胞、体液；FucT-Ⅲ：母乳、肾脏、结肠；FucT-Ⅳ：白细胞、大脑、髓系细胞；FucT-Ⅴ：血浆、母乳、肝脏；FucT-Ⅵ：血浆、肾脏、肝脏、结肠；FucT-Ⅶ：白细胞、高内皮静脉；FucT-Ⅷ：肝脏、大脑、胎盘、肺、胃；FucT-Ⅸ：大脑、胃、脾[8]。

2 FucT与肿瘤

肿瘤的特征是非正常细胞生长、侵袭或扩散到身体其他组织。肿瘤细胞糖基化异常被认为是肿瘤发病机制的普遍特征，常常显示非正常糖蛋白或不同碳水化合物表位的差异表达。增加的岩藻糖基化和唾液酸化以及异常的O-聚糖是恶性细胞转化的公认特征。岩藻糖基化表位的过度表达[如Ⅰ型(H1、Lea、Leb和sLea)和Ⅱ型(H2、Lex、Ley和sLex)]经常发生在肿瘤细胞表面，主要是相关FucT表达上调所致[9]。以上这些改变对肿瘤(细胞-细胞黏附、细胞-基质相互作用、细胞信号转导、代谢、血管生成和免疫调节)有很大影响，最终导致癌症的进展和转移。Li等[10]提出，Fut3、Fut6或Fut7的过表达可恢复E选择素配体，使小鼠前列腺癌细胞在电子选择功能的微管中滚动和黏附，类似于骨髓血管中循环的前列腺癌细胞；心内注射FucT转导小鼠前列腺癌细胞表达的荧光素酶后，Fut6介导的细胞能够诱导小鼠骨转移，岩藻糖模拟物对Fut6的抑制作用显著降低骨转移；比较临床标本中Fut3、Fut6和Fut7基因的表达发现，Fut6在前列腺癌远处转移中的表达显著上调，它是前列腺癌细胞向骨髓转运的关键介质，可作为临床前期试验中降低前列腺癌骨转移的有效药物靶点。

Wang等[11]发现，sLex是原发性肝癌(primary carcinoma of liver，PLC)中最高表达的路易斯抗原，特别是低分化和转移情况下。用Northern杂交法测量PLC中增加的路易斯抗原的酶基础发现，PLC中Fut3和Fut6的信使RNA(messenger RNA，mRNA)水平明显高于邻近组织，在癌细胞血栓形成患者的门静脉癌症组织中更明显。Guo等[12]的研究发现，人肝细胞癌组织中Fut6和sLex的表达增加，Fut6在人肝细胞癌细胞生长中扮演重要角色，可调节磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3 kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)信号通路。Fut4、Fut7和sLex与肺癌预后不良相关，Fut7的过表达可获得人肺腺癌的肺定植表型[13-14]。Fut3、Fut6和Fut7在骨转移性前列腺癌和肝转移性前列腺癌细胞中的表达明显增高，导致sLex和E选择素配体的合成。Fut3表达升高通过E-选择素无关事件促进细胞在骨髓中的迁移和滞留。α-1，6-岩藻糖基化在肝脏中非常丰富，而Fut8和岩藻糖基化甲胎蛋白的表达增加已被用于肝癌的诊断[15]。沈庆等[16]通过逆转录-聚合酶链反应对肺癌组织、癌旁正常肺组织的研究发现，Fut7基因mRNA在肺癌组织中表达量明显高于癌旁正常肺组织，在腺癌组织表现最强；Fut7基因mRNA表达与TNM分期、肿瘤分化程度、淋巴结转移、组织学类型有关，而与年龄、性别无关，表明Fut7基因mRNA表达可能与肺癌的发生及转移相关。有研究表明，大多数鳞状上皮细胞癌、卵巢癌和胃癌患者的血清FucT的活性明显升高，治疗后复测血清中的FucT显著下降，表明肿瘤患者血清中FucT活力与肿瘤病灶的大小和肿瘤转移有密切的关系[17]。

Wannhoff等[18]研究发现，Fut2的常见变异和血清癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)水平相关，可影响原发性硬化性胆管炎(primary sclerosing cholangitis，PSC)患者的肿瘤筛查，CEA对PSC患者胆道恶性肿瘤具有筛查意义，尤其是不表达糖类抗原(carbohydrate antigen，CA)199的患者。在研究队列中，无癌症患者的总体中位CEA值为1.4 ng/mL，患者Fut2的rs601338(G428A)变异与CEA水平显著相关(P<0.001)。胆管恶性肿瘤患者血清CEA水平为2.0 ng/mL，与不能合成CA199患者的Fut2的G428A变异型比较，差异有统计学意义，表明联合使用CEA检测和Fut基因分型测定可早期发现胆管恶性肿瘤。

Höti等[19]运用蛋白质组学方法分析雄激素依赖性和雄激素抗性的人类局部晚期前列腺癌细胞系LAPC4细胞的研究发现，Fut8在雄激素抗性的LAPC4细胞中显著过表达，在非甾体抗雄激素治疗的LAPC4细胞和体内去势瘤异种移植模型中得到独立证实，同时发现，Fut8的过表达可能是前列腺癌中前列腺特异性抗原表达下降的原因之一。因此，纠正恶性细胞内的岩藻糖基化，并抑制肿瘤生长，改变糖基化类型或水平可能成为肿瘤治疗的新策略。

3 FucT与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化由多因素共同作用引起，发病机制复杂，已成为我国病死率最高的疾病之一，高血压、糖尿病、高脂血症、肥胖和吸烟等均为动脉粥样硬化的主要危险因素，其特征是循环单个核细胞黏附于内皮细胞并迁移到内皮下间隙，且黏附由白细胞和内皮细胞表面表达的选择素等分子介导。Djoussé等[20]发现，Fut3基因的功能性变异可能与动脉粥样硬化性疾病的患病率升高有关，尤其是戒酒者，但不包括正在饮酒者，表明饮酒可能会修正路易斯基因相关的缺血性心脏疾病。该研究对危险分层有帮助，但仍需进一步研究确定其生物学机制。

有研究发现，Fut7缺乏小鼠动脉粥样硬化病变会大幅度减少，而Fut4缺乏小鼠减少不显著，表明Fut7和Fut4在动脉粥样硬化形成中具有协同作用，且以Fut7作用为主[21]。Gitlin 等[22]研究发现，选择性破坏E选择素配体和P选择素配体的合成可使动脉粥样硬化显著减少，进一步的研究证实，动脉粥样硬化形成过程中Fut7对白细胞的作用比内皮细胞更重要。未来还需要更多的研究来确定FucT活性在动脉粥样硬化阶段的作用。

4 FucT与炎症

炎症是机体对刺激的防御反应，由多种细胞及因子参与，可引起组织损伤的因素均可能成为炎症的原因。炎症可发生在任何部位，特殊部位或器官的炎症可造成严重后果，甚至危及生命。Kashiwazaki等[23]研究发现，碳水化合物的结构包括Lex，参与细胞-细胞识别和炎症反应，不是在Fut9-/-突变小鼠体内合成的。应用高神经毒性小鼠肝炎病毒(mouse hepatitis virus，MHV)JHMV srr7检测Fut9-/-突变小鼠和野生型小鼠不同组织炎症反应的病理研究发现，Fut9-/-突变小鼠脑组织感染后炎症反应较野生型小鼠广泛，但病毒滴度较野生型小鼠低；感染后，野生型小鼠脾脏细胞数量减少，但Fut9-/-突变小鼠并未减少；除β干扰素外，Fut9-/-突变小鼠与野生型小鼠脑组织中的细胞因子水平无明显差异，其中，γ干扰素、白细胞介素6和单核细胞趋化蛋白1在Fut9-/-突变小鼠的表达水平高于野生型小鼠；此外，Fut9-/-突变小鼠对内毒素的体内接种不敏感，表明Lex结构参与了宿主对病毒或细菌的反应。Kudo等[24]的研究表明，Fut9-/-基因小鼠缺乏Lex,但早期胚胎和生殖细胞的发育正常。后续研究发现，Fut9-/-小鼠和野生型小鼠的大脑无明显病理差异，但Fut9-/-小鼠在暗光和高强度的行为测试(迷宫测试)中表现出更多的焦虑反应[25]。Bogoevska等[26]研究发现，CEA相关细胞黏附分子1作为免疫球蛋白超级家族中的一员，可携带多种Lex结构。CEA相关细胞黏附分子1与不同FucT联合表达的研究发现，Fut9在Lex合成中起关键作用；人结肠黏膜中的CEA同样携带Lex残基，可见，Lex结构的表达并不限于CEA相关细胞黏附分子1，故认为FucT可能间接参与了生理和病理条件下的免疫应答，如炎症、自身免疫性疾病和肿瘤。综上所述，FucT参与了炎症过程，如果有效抑制FucT并干扰Lex的表达，可能会降低炎症反应程度。

5 FucT与胚胎着床

哺乳动物生殖过程中，胚胎细胞黏附后植入子宫内膜是妊娠成功的关键，随后成熟的囊胚定位、黏附并嵌入接受性子宫内膜中。胚胎着床发生在有限的时期(着床窗)，这个关键阶段许多因素(激素、生长因子、细胞因子等)可以调节子宫内膜细胞的分子改变[27-28]。糖基化在决定子宫内膜对胚胎的接受性方面起重要作用。有证据表明，FucT在哺乳动物生殖过程中有一定特异性表达，植入当天小鼠子宫内膜细胞中Fut1、Fut4、Fut7和Fut9的表达达到高峰，有利于子宫接受性的建立和维持[29-31]。Zhang等[32]发现，Fut4可通过调节子宫内膜上皮表面Ley的合成来调节胚胎细胞的黏附，故认为Fut4表达水平与子宫内膜容受性密切相关，可作为评价子宫内膜功能的重要指标。Zhang等[33]向早孕大鼠胚胎内注射含有人类全长Fut7 cDNA的质粒，产生Fut7超表达，sLex的表达同时增加，且体外、体内胚胎黏附率和胚胎着床率均显著升高，故认为Fut7表达降低导致的sLex表达降低可能是人类不孕的原因之一，可通过上调FucT的表达促进胚胎植入，从而提高妊娠成功率。

6 FucT与炎症性肠病

7 FucT与免疫

人体依靠免疫功能识别自身成分，破坏和排斥进入人体的其他物质，如病毒、损伤细胞和肿瘤细胞等。免疫功能降低，患感染性疾病的概率将升高，甚至发生免疫缺陷疾病。Parmar等[38]研究发现，人调节性T细胞中加入岩藻糖后，可在P选择素糖蛋白配体1上形成sLex结构，从而改善细胞转运模式，选择素途径招募者Fut6可显著增加细胞表面岩藻糖基化。岩藻糖基化细胞在体内持久性增加，可提高移植物抗宿主病存活率，并提高异种移植物抗宿主病小鼠模型的总存活率。如研究结论成立，扩展的人类脐带血细胞在体内的岩藻糖基化可提高其持久性和抗移植物抗宿主病能力，将使更多患者受益于第三方脐带血衍生细胞过继治疗成为可能。

8 FucT与类风湿关节炎

类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)是一种病因未明的慢性系统性疾病，可能与遗传、感染等多因素有关，现已发现多种细胞因子参与其发生发展过程。吴红等[42]发现，E选择素在RA早期滑膜组织中表达升高，E选择素早期已表达于RA进程中，推测其在病程早期引起的血管生成中起非常重要的作用[43]。杨明辉等[44]发现，RA患者关节液和血清中P选择素明显升高，且关节液P选择素水平明显高于血清。Lex、sLex是细胞黏附分子选择素的共同配体，而FucT是产生sLex及Lex的重要物质。阚鹏等[45]报道，RA患者膝关节滑膜组织中Fut5显著高表达，且在RA滑膜炎症过程中，Fut5与巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞和活性T淋巴细胞存在共定位，提示其可能参与了白细胞向炎症部位迁移的过程。Isozaki等[46]发现，RA滑膜组织中α-1，2连接的岩藻糖基化总蛋白显著高于正常滑膜组织，Fut1在RA滑膜组织细胞中的表达与滑膜组织炎症呈正相关。同时还发现，滑膜成纤维细胞中的Fut1在血管生成、白细胞-滑膜成纤维细胞黏附和滑膜成纤维细胞增殖中起重要作用，均是RA发病过程的关键环节。现阶段肿瘤坏死因子拮抗剂及白细胞介素6受体拮抗剂作为RA的有效治疗手段，已广泛应用于临床。

9 FucT与耐药

FucT是多药耐药(multidrug resistance，MDR)过程中细胞表面抗原合成的关键酶。Che等[47]分析慢性粒细胞白血病(chronic myeloid leukemia，CML)MDR过程中α(1，2)-FucT的变化发现，CML患者3种MDR细胞株和外周血单个核细胞中Fut1过表达，但Fut2无明显变化。Fut1水平的改变对K562和K562/阿霉素 (adriamycin，ADR)细胞的MDR表型变异、表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)/促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路活性及P糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp)表达有显著影响。特异性抑制剂或EGFR抑制剂阻断EGFR/MAPK通路导致K562/ADR细胞的MDR降低，表明α(1,2)-FucT参与CML细胞MDR的发生，可通过Fut1调控EGFR/MAPK信号通路的活性和P-gp的表达。

Fut4与肝细胞癌的MDR有关，Cheng等[48]报道，Fut4通过激活PI3K/Akt信号通路和增加MDR相关蛋白1(MDR-related protein 1，MRP1)的表达影响肝细胞癌对药物的敏感性。分析FucT家族在3对亲代和耐药人肝癌细胞系中的表达谱表明，Fut4、Fut6和Fut8在MDR细胞株中主要表达，提示Fut4、Fut6或Fut8介导的人肝癌MDR与PI3K/Akt通路的激活和MRP1的表达有关，而与P-gp的表达无关，提示Fut家族可能是调节人肝癌MDR的新机制。

10 小 结

目前发现，FucT参与健康和疾病状态下多项生物学进程。随着研究的深入，不断发现其在不同疾病中的参与机制及作用。在肿瘤发生发展中，蛋白的岩藻糖基化类型及其水平会发生变化，且不同肿瘤细胞具有不同的特点。因此，开发针对特定FucT的强效选择性抑制剂非常重要，但有限的结构信息阻碍了特定抑制剂的设计开发。为了达到满意的亲和力，有效的FucT抑制剂都含有磷酸核苷酸，但这些分子具有高极性或负电荷，使其难以跨越或不可能扩散至细胞膜[8]。有研究表明，供体底物的含氟类似物是糖基转移酶的有效抑制剂。Rillahan等[49]指出，唾液酸和岩藻糖的过乙酰化类似物在细胞内被转化成相应的唾液酸和FucT的供体底物类似物。代谢反馈的存在使这些抑制剂可阻止天然底物的重新合成并有效阻断水解和岩藻糖基结构光谱的合成，从而导致细胞表面糖基的重塑。未来对FucT家族目标特定成员研究的进一步完善，将对治疗干预的发展有重要意义。