鞘糖脂与肿瘤疾病相关性研究进展

金雪峰， 杨广宇

生命体细胞质膜中包含不同种类的脂质组分，具有重要的结构和生物学特性。鞘糖脂(glycosphingolipids)是真核生物细胞表面的双亲性糖脂化合物，在细胞生长、分化、迁移、死亡等各个阶段都起着重要作用，特殊种类的糖脂分子还显示了针对神经退行性疾病、糖尿病、肿瘤、自身免疫疾病等重大疾病的潜在药用价值。基于其所开发的药物及疫苗被广泛应用于疾病的预防及治疗。本文对鞘糖脂与肿瘤疾病相关性研究进展进行了综述。

1 鞘糖脂介绍

鞘糖脂作为由亲水性糖基基团及疏水性神经酰胺以糖苷键相连而成的双亲性分子，在动植物、真菌及原核微生物细胞膜中均存在表达。因其独特的结构而受到广泛关注，是在生命体中具有重要生物学功能的一类糖脂。在脊椎动物中有超过400种不同种类的寡糖链被发现与神经酰胺结构相连接。根据寡糖链所含糖基的不同，哺乳动物中的鞘糖脂主要分为Ganglio-、Globo-、Isoglobo-、Lacto-、Neolacto-等种类[1]。糖基基团的复杂组合使多糖的种类及功能呈现多样性。糖基化作为最复杂和最常见的翻译后修饰之一，参与了受体激活、蛋白质折叠、细胞信号转导和细胞内吞等特殊功能[2]。在细胞及生物体内，多糖介导的结合互作不仅为一系列生理过程所必需，还与多种病理进程有关。细胞表面多糖的识别功能使其在细胞通讯、黏附和信号转导中扮演关键角色[3]。而神经酰胺作为鞘脂代谢的中心分子，由鞘氨醇碱基与脂肪酸链以酰胺键连接。该种分子在特定位置存在双键和羟基化，且具有不同链长和饱和度的脂肪酸链，被认为在生长分化、囊泡转运、凋亡和应激反应等多种细胞功能中发挥重要调节作用[4]。寡糖链、鞘氨醇碱基及脂肪酸等组成基团的多样性，使鞘糖脂分子表现出种类繁多和结构复杂等特点，同时赋予其介导细胞识别黏附、信号转导、免疫调节、突触传递、质膜蛋白调控等重要功能。针对鞘糖脂生物学功能的相关研究是糖组学及脂质组学交叉领域的重点研究方向。

2 不同种类的鞘糖脂与肿瘤疾病的相关性研究

研究表明，鞘糖脂广泛参与细胞内及细胞间的信号传递，与细胞中重要功能蛋白及聚糖具有相互作用并且鞘糖脂之间存在相互作用关系，已被发现能够通过多种分子机制发挥生物学效应[5]。鞘糖脂作为细胞膜表面的功能调节因子与人类疾病的发生发展密切相关，特异性鞘糖脂及相关酶的异常表达常常能够影响肿瘤的发生和恶性转化。带有不同多糖结构的鞘糖脂因在肿瘤疾病中具有多样性表达特征及重要调节功能而被广泛研究。

2.1Ganglio-系列鞘糖脂 根据寡糖链中唾液酸残基的数量差异，Ganglio-系列鞘糖脂可分为GM、GD、GT等类型。该类鞘糖脂中的特殊分子能够作为受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTKs)信号的精细调节因子，参与癌症相关信号转导。不少研究显示其在肿瘤疾病的诊断、治疗及预后等方面发挥重要作用。

2.1.1 GM3 GM3作为一种结构简单的鞘糖脂，由单个唾液酸残基、乳糖及神经酰胺组成，其可显著影响肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移。该分子能够调节癌症有关的受体或信号转导途径，介导与癌症信号转导相关的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)、尿激酶纤维蛋白溶酶原激活(urokinase plasminogen activator receptor,uPAR)信号通路及富含糖脂的微结构域，在癌症发病机制中发挥关键效应。GM3还可以通过抗血管生成或运动来抑制肿瘤细胞生长，具有潜在的抗肿瘤作用[6]。相关研究发现GM3与四跨膜蛋白CD9复合物通过与整联蛋白与成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor,FGFR)相互作用来促进肿瘤细胞表型向正常细胞表型逆转[7]。其能够抑制膀胱癌细胞的增殖，降低细胞黏附以及EGFR磷酸化，外源性加入可明显抑制膀胱癌小鼠模型中的肿瘤生长[8]。该分子能够抑制人类表皮样癌细胞系KB及A431的生长，其表达水平与细胞凋亡增强和细胞活力降低有关。而在A431细胞中加入GM3唾液酸残基处含氯修饰的两种衍生物显示出比GM3更强的EGFR抑制作用，具有潜在抗肿瘤活性[9]。GM3通过下调EGFR和PI3K/AKT信号通路抑制肝癌细胞运动，被认为是影响肝癌细胞向淋巴结转移的关键因素[10]。最新研究发现，采用化学酶法合成的以甘露糖结构代替乳糖的新型GM3类似物可抑制肿瘤细胞的生长和迁移[11]。而在针对乳腺癌患者血清的神经节苷脂表达谱显示，与健康志愿者相比，乳腺癌患者GM1、GM2、GM3、GD1和GD3水平呈上升趋势。GM3作为主要的鞘糖脂成分，对肿瘤血清诊断准确率较高[曲线下面积(area under the curve,AUC)>0.9]。受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线显示GM3对恶性肿瘤和良性血清的诊断具有较高准确性，可作为潜在的诊断生物标志物[12]。

2.1.2 NeuGcGM3 以神经氨酸(N-glycolylated，NeuGc)替代唾液酸结构的GM3称为NeuGcGM3，其广泛表达于大多数哺乳动物，因编码NeuGc合成酶的cmah基因缺失而在正常人体中不表达。但该类分子常在各种人类癌症及胚胎组织中出现。NeuGcGM3已在包括乳腺癌、肺癌、黑色素瘤、神经母细胞瘤以及多种消化系统肿瘤疾病中被单克隆抗体所检测[13]。基于鞘糖脂代谢谱的相关研究显示在黑色素瘤细胞中NeuGcGM3含量较高的患者其存活率较低[14]。对NeuGcGM3表达的小鼠淋巴细胞白血病B细胞进行cmah沉默能够抑制抗体对细胞的毒性作用[15]。该分子在肿瘤中的选择性表达特征使其成为免疫治疗的潜在靶点，基于NeuGcGM3疫苗的安全性及疗效观察研究显示其具有治疗乳腺癌及黑色素瘤的潜力[16-17]。结合EGFR在肿瘤信号转导中的作用以及NeuGcGM3的特异性表达，针对两种分子的协同研究策略可能有助于癌症疾病的治疗。

2.1.3 GD3 GD系列鞘糖脂在糖基基团中携带双唾液酸残基。相关研究显示，该类分子中的GD3和GD2在乳腺癌、黑色素瘤、神经母细胞瘤、胶质瘤和小细胞肺癌等许多类型的肿瘤细胞中呈高度和特异性表达，可作为相关抗原用于癌症的免疫治疗。GD3在黑色素瘤细胞中过表达能够提高肿瘤微环境中肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)的易感性以及癌细胞与周围组织的黏附[18]。富含GD3的胞外小泡能够刺激黑色素细胞迁移，与该肿瘤细胞相关鞘糖脂GM3及GD3间的平衡关系不仅因α-N-乙酰神经氨酸α-2，8-唾液酸转移酶1(ST8 alpha-N-acetyl-neuraminide alpha-2,8-sialyltransferase 1,ST8SIA1)等合成酶的过度表达而改变，还可通过糖脂富集胞外小泡的转运而发生变化。对GD3介导信号通路的相关分子p130Cas及桩蛋白(paxillin)进行RNA干扰强烈抑制黑色素瘤生长，是治疗黑色素瘤的潜在靶点[19]。来自约翰霍普金斯医院的一项研究表明，从卵巢癌腹水的脂质组分中分离出的GD3与CD1d具有高度亲和力，体内给药能够抑制α-半乳糖神经酰胺(α-galactosylceramide，α-GalCer)诱导的NKT细胞活化，且具有剂量依赖性[20]。并且卵巢肿瘤微环境中的GD3以唾液酸依赖性的方式介导细胞受体进而抑制T细胞活化[21]。上述研究提示GD3可能参与肿瘤免疫逃避的早期机制。

2.1.4 GD2 GD2能够识别乳腺癌干细胞并促进肿瘤形成，被认为是乳腺癌干细胞特异性的表面标志物[22]，对GD3合成酶相关基因敲除能够阻断该效应。此外，GD2在神经母细胞瘤、黑色素瘤及胶质瘤中均有表达，针对其开发的抗糖脂抗体已被开发用于神经母细胞瘤的免疫治疗。基于抗GD2单克隆抗体ch14.18GD2、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子及白细胞介素2(interleukin-2,IL-2)的联合免疫方案可显著改善高危神经母细胞瘤患者的预后[23]，已被批准用于治疗儿童神经母细胞瘤。特异性嵌合抗原受体T细胞(chimeric antigen receptor T cell,CAR-T)对转移性黑色素瘤产生强烈快速的杀灭作用，阻断程序性死亡受体1(programmed death 1,PD-1)可提高CAR-T细胞的存活率，促进对PD-1阳性肿瘤细胞的杀伤作用。采用联合治疗方法在疾病免疫治疗中显示出重要应用前景[24]。

2.2Globo-系列鞘糖脂 除了Ganglio-系列外，Globo-系列鞘糖脂也被发现在卵巢癌、肺癌、乳腺癌、肾癌等众多的肿瘤疾病中出现异常表达。其中Gb3、Gb4、Gb5、阶段特异性胚胎抗原-4(stage specific embryonic antigen-4,SSEA-4)和Globo-H等糖脂被发现与多种肿瘤疾病的进展和转移存在密切联系。

2.2.1 Gb3及Gb4 Gb3又称Pk抗原，在胃癌患者及相关细胞系中被鉴定，其作为志贺毒素的作用受体能够靶向胃癌细胞[25]。相关研究发现Gb3在大部分胰腺癌和结肠癌中呈高表达，而在部分恶性组织中缺失，提示其可能与肿瘤转化有关[26]。此种糖脂在产生顺铂耐药的非小细胞肺癌及恶性胸膜间皮瘤细胞表面表达增加，可能是肿瘤耐药的特异性生物标志物。葡萄糖神经酰胺合成酶活性抑制剂或Gb3受体毒素靶向治疗可显著降低上述肿瘤细胞对顺铂的获得性耐药[27]。另有研究表明，Globo-系列中的Gb4能够在结肠癌细胞HCT116及乳腺癌细胞MCF7中通过与EGFR直接相互作用促进ERK激活，引起癌细胞增殖[28]。

2.2.2 Gb5及SSEA-4 Gb5也称阶段特异性胚胎抗原-3(stage specific embryonic antigen-3,SSEA-3)，以Gb4为底物通过β3GALT5的半乳糖基化催化作用合成。sialyl-Gb5是一种以Gb5为前体，通过α-2，3唾液酸化合成的糖脂，又称为SSEA-4。由ST3GAL2编码的唾液酸转移酶被鉴定为特异性的SSEA-4合成酶。作为人类胚胎干细胞的细胞表面标志物，其异常表达与某些恶性肿瘤的分化和转移有关。例如，乳腺癌细胞MCF-7的恶性程度高度依赖于SSEA-4及其在富含鞘糖脂微结构域中对c-Src和黏附斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的激活作用，特异性单克隆抗体可显著增强癌细胞的侵袭及运动能力[29]。利用亲核捕获和糖芯片技术，在上述细胞中发现SSEA-4能够与作为免疫大分子的FK506结合蛋白直接结合[30]，可能在机体免疫及癌症发病中具有潜在生物学作用。翁启惠针对Gb5、SSEA-4等糖脂在肿瘤疾病中的作用进行了系统研究，发现SSEA-4在大部分的多形性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme,GBM)中呈阳性表达，与高级别星形细胞瘤相关[31]。一种SSEA-4特异性单抗在体外能够针对SSEA-4高表达GBM细胞株产生补体依赖性的细胞毒性作用，抑制小鼠GBM生长。由于SSEA-4在GBM和许多其他类型的癌症上表达，但在正常细胞上不表达，可能成为治疗性抗体和疫苗开发的目标[31]。此外，研究团队针对乳腺癌进行的有关工作揭示了Globo-系列糖脂及相关酶在肿瘤发病机制中具有的重要调控功能[32]。研究发现，带有SSEA-3表达的乳腺癌干细胞在体内及体外均表现出较高的致瘤性，β1，3-半乳糖基转移酶(beta-1,3-galactosyl transferase 5,β3GALT5)作为负责合成SSEA-3的关键酶，其表达与肿瘤进程和患者生存率显著相关。β3GALT5基因敲除能够抑制SSEA-3的表达，导致癌细胞增殖降低及特异性凋亡增加，但对正常细胞无影响。SSEA-3与β3GALT5是乳腺癌干细胞特异性的潜在标志物。后续研究报道了Globo-系列糖脂及β3GALT5介导乳腺癌有关信号转导途径[33]。研究发现乳腺癌细胞中的鞘糖脂能够分别与CAV1和FAK在脂筏中形成复合物，与AKT和受体蛋白激酶(receptor-interacting protein kinase,RIP)相互作用。合酶基因的敲除将破坏复合物形成，导致RIP分离并激活Fas死亡受体途径，触发癌细胞凋亡并抑制其转移。在此基础上进行的抗Globo-系列糖脂抗体联用实验被证实能够协同抑制异种移植MCF7小鼠的肿瘤生长。

3 总结及展望

大量科学研究表明[5-6，34-35]，鞘糖脂广泛参与细胞内及细胞间的信号转导，与众多的肿瘤疾病、神经退行性疾病、自免疫疾病以及鞘糖脂代谢缺陷疾病等人类重大疾病的发生发展密切相关。不同种类的鞘糖脂被发现参与肿瘤疾病相关分子机制，特异性鞘糖脂在肿瘤细胞的发生和恶性转化过程中发挥关键性的调控作用，表现出对众多肿瘤疾病的诊断及治疗潜力，具有巨大应用价值。针对其在肿瘤方向进行的分子机制探究、抗肿瘤活性药物开发、生物标志物筛选及检测抗体制备等研究具有重要的医学生物学意义。