凝集素的结构特征及其生物技术应用进展

2021-12-02郝永辉

中国饲料 2021年22期

冯利，郝永辉，曹珍

（河北工业职业技术大学，河北石家庄 050091）

凝集素是一组复杂的非免疫来源的蛋白质或糖蛋白，具有至少一个非催化结构域，其可逆、特异性的与单糖、低聚糖和糖缀合物结合，这些蛋白质也被命名为凝集素或红血球凝集素，它们为单体、同型和异型二聚体、同型和异型四聚体分子，在自然界中广泛分布（朱月，2005）。凝集素是普遍存在的蛋白质，可从病毒、真菌、细菌、无脊椎动物、单细胞生物、动物和植物中分离出来。凝集素与碳水化合物结合意味着这些蛋白质形成了一个大的异构群（郭忠武，1997）。研究表明，一些抗菌肽具有凝集素样活性，即能识别并结合含碳水化合物的表面分子。尽管植物凝集素已被广泛研究，但在动物来源中也发现了凝集素的存在。凝集素的作用包括载体糖蛋白的内吞作用、细胞内转运机制、诱导肿瘤细胞凋亡、阻断HIV感染、调节细菌细胞粘附、迁移，以及控制血中蛋白质水平等（韩丹等，2013）。凝集素可识别只在病原体中存在的碳水化合物，或在宿主细胞中无法获得的碳水化合物，被认为在免疫系统中具有重要作用。因此，凝集素功能的高度多样性为其在多个领域的生物技术应用开辟了新的前景，包括人类和动物的健康。本文综述了植物和动物凝集素的分布、功能和结构特征，重点介绍了凝集素在生物技术中的研究进展。

1 凝集素的分类与结构特征

1.1 凝集素分类凝集素在许多植物类群中都有发现，包括单子叶植物和双子叶植物，但在豆科和植物发现最多。凝集素分布于树皮、球茎、果实、乳胶、叶片、根瘤、整株、韧皮部液、根茎、种子、茎、组织培养、块茎、花、子房等多种组织中，具有不同的细胞定位和分子特性，许多植物都含有凝集素，如小麦、水稻、土豆、番茄、大豆和大豆等不同的粮食作物（Van Damme等，1998）。植物凝集素在抵御微生物攻击时发挥重要作用，这些凝集素已被证明可抑制几种植物致病性和非致病性真菌的生长，同时，一些植物凝集素的靶点是真菌，其细胞壁中存在几丁质，从而抑制这些微生物的生长发育（Koo 等，1998）。Lannoo 和 Van Damme（2014）详细介绍了7个最著名的植物凝集素组，将它们分为具有凝集素结构域的膜结合蛋白和可溶性蛋白，其中膜结合凝集素包括凝集素受体激酶，可溶性蛋白包括苋菜素、钙网蛋白/钙连蛋白等。

植物凝集素受体激酶（LecRKs）由2个由跨膜区域分隔的结构域组成：N端细胞外凝集素结构域和C端胞质激酶结构域。根据其C端区域的凝集素结构域组成，LecRK蛋白通常分为3种类型：G-、C- 和 L -（Singh 和 Zimmerli，2013）。在植物防御方面，苋菜红素对蚜虫表现出明显的作用，在转基因棉花和马铃薯中，苋菜红素诱导蚜虫显著死亡，降低了蚜虫种群增长（Rahbe等，1995）。此外，花椒素相关凝集素是一组具有一个或多个结构域与花椒素蛋白同源的植物凝集素，其有2个亚家族：半乳糖结合型和甘露糖结合型，而与半乳糖结合的花椒蛋白存在于植物细胞的液泡中，而与甘露糖结合的花椒蛋白存在于植物细胞的核质室中（Peumans等，2000）。

动物凝集素在宿主对微生物防御中发挥重要作用，它们对真菌的防御作用与宿主反应相关，其中在抗菌防御中，凝集素与成孔活性相关，导致细菌膜通透（肖敏和徐洪来，2013）。一些凝集素对革兰氏阳性菌具有特异性，而对革兰氏阴性菌没有特异性，这是由于脂多糖对孔活性的抑制。此外，凝集素通过激活抗菌自噬和泡液溶解，在宿主对病原体的防御中发挥重要作用。在病毒感染中，凝集素会参与结合和抑制扩散和复制，并检测病毒的病原体相关分子模式（Kawamura等，2014）。相反，一些病毒因凝集素的存在而增殖。

1.2 凝集素的结构特征植物凝集素由几个具有保守识别位点的科系组成。许多凝集素的结构已通过X射线衍射得到解决。大多数情况下，凝集素的三级结构表现为β-折叠结合和α-螺旋的存在，α-螺旋也可能不存在。尽管凝集素具有广泛的结构多样性，但在每个多肽链中至少有一个碳水化合物链接的特定位点被观察到。从豆科植物凝集素中可以发现，凝集素-碳水化合物相互作用存在一个碳水化合物识别域，该域可能定位于蛋白质分子的表面（Elgavish和Shaanan，1997）。在碳水化合物配体活性位点，相互作用模式是由凝集素-碳水化合物复合体形成所需的氢键指导的。一些关于碳水化合物和植物凝集素的特异性研究表明，大多数不表现出对单糖有亲和力，这种较低的亲和力也可在一些与糖蛋白结合的红藻凝集素中观察到，这些凝集素不需要二价阳离子，分子量较低（Rogers和 Hori，1993）。此外，植物凝集素通常以单体、二聚体、三聚体和四聚体的形式出现。另一个有趣的结构特征表明，碳水化合物结合活性可改善存在的一些离子，如在凝集素组中观察到Ca2+和Mn2+两种重要离子的存在，这是糖结合所必需的。

对动物凝集素进行三维结构鉴定，这些蛋白质也存在钙结合位点，这似乎主要与结构有关，而不是与配体结合（Schrag等，2001）。二价离子在凝集素中可促进结构修饰，在碳水化合物中引起识别，稳定配体位点，引导氨基酸在碳水化合物配体中的空间位置，从而解释了二价离子存在时的生物活性。

2 凝结素的生物技术应用潜力

近年来，许多研究人员已经提出使用大量凝集素作为生物技术工具，特别是由于它们具有高度特异性能区分糖。植物和动物凝集素表现出丰富的深袋状疏水氨基酸区，这种疏水功能允许凝集素和不同碳水化合物之间相互作用，形成多种功能，如抗菌素作用。Barre等（2002）对42种植物凝集素进行研究显示，32%的疏水结构相同，表明其具有明显的结构保守构象。但从凝集素中开发抗生素是一个真正的挑战，因为凝集素具有复杂的结构支架和大量的二硫化物键，其生产成本高，化学合成复杂。一种选择是生产异源系统，包括细菌载体（如大肠杆菌或枯草芽孢杆菌）或酵母载体（如不同的毕赤酵母），但由于有些凝集素具有杀菌或杀菌剂作用，必须采取选择性策略来阻止抗菌凝集素对宿主表达载体的影响（Canado等，2013）。另一种选择是使用转基因植物生产这些凝集素。农业损失是一个具有挑战性的经济和粮食安全问题，人口增长和作物病虫害的出现和蔓延威胁着全球粮食安全，且随着气候变化，作物病虫害显著增加。克服病原体危害的策略包括化学处理、常规育种和转基因方法，如综合虫害管理和使用转基因作物，以避免这些作物的生产损失。表达凝集素基因的转基因植物已被证明具有抗线虫和昆虫能力，因为凝集素的表达在转基因植物中可对线虫产生部分抗性，当这些凝集素被引入土壤时，它们有能力减少线虫引起的土壤灼烧（Burrows等，1998）。但凝集素对线虫的确切作用机制尚未阐明。此外，一些表达凝集素的转基因植物对多种病原菌也表现出一定的抗性，在这种情况下，通过杆菌介导转化，将大豆凝集素导入烟草植株，提高对烟草疫霉感染的抗性（Guo等，2013）。因此，凝集素可用于转基因植物的研究。有报告描述，不同凝集素作为有丝分裂剂来鉴定血型，进而检测细胞转化，如在硫酸糖蛋白激素清除，糖蛋白生物合成控制，免疫系统中的细胞-细胞相互作用，并与各种感染性和自身免疫性疾病的易感性和严重程度相关（Rajoriya等，2014）。

在抗肿瘤领域，从罗马螺中分离的凝集素已广泛应用于组织病理学，因为它与乳腺癌和结肠癌组织切片的结合与患者最坏的预后相关，其识别含有仅存在于癌细胞系中的表位α- d - n -乙酰半乳糖胺（α-Gal-NAc），而凝集素与两个与癌症相关的包含Gal-NAc的表位抗原复合物的晶体结构表明，凝集素对Gal-NAc的特异性是由于一种特殊的氢键网络，其中组氨酸残基与苷合物发生疏水接触，使Gal-NAc在α位置上具有额外的糖或氨基酸成为合理选择（Lescar等，2007）。