凝集素的結構特征及其生物技術應用進展

馮 利，郝永輝，曹 珍

（河北工業職業技術大學，河北石家莊 050091）

凝集素是一組復雜的非免疫來源的蛋白質或糖蛋白，具有至少一個非催化結構域，其可逆、特異性的與單糖、低聚糖和糖綴合物結合，這些蛋白質也被命名為凝集素或紅血球凝集素，它們為單體、同型和異型二聚體、同型和異型四聚體分子，在自然界中廣泛分布（朱月，2005）。凝集素是普遍存在的蛋白質，可從病毒、真菌、細菌、無脊椎動物、單細胞生物、動物和植物中分離出來。凝集素與碳水化合物結合意味著這些蛋白質形成了一個大的異構群（郭忠武，1997）。研究表明，一些抗菌肽具有凝集素樣活性，即能識別并結合含碳水化合物的表面分子。盡管植物凝集素已被廣泛研究，但在動物來源中也發現了凝集素的存在。凝集素的作用包括載體糖蛋白的內吞作用、細胞內轉運機制、誘導腫瘤細胞凋亡、阻斷HIV感染、調節細菌細胞粘附、遷移，以及控制血中蛋白質水平等（韓丹等，2013）。凝集素可識別只在病原體中存在的碳水化合物，或在宿主細胞中無法獲得的碳水化合物，被認為在免疫系統中具有重要作用。因此，凝集素功能的高度多樣性為其在多個領域的生物技術應用開辟了新的前景，包括人類和動物的健康。本文綜述了植物和動物凝集素的分布、功能和結構特征，重點介紹了凝集素在生物技術中的研究進展。

1 凝集素的分類與結構特征

1.1 凝集素分類 凝集素在許多植物類群中都有發現，包括單子葉植物和雙子葉植物，但在豆科和植物發現最多。凝集素分布于樹皮、球莖、果實、乳膠、葉片、根瘤、整株、韌皮部液、根莖、種子、莖、組織培養、塊莖、花、子房等多種組織中，具有不同的細胞定位和分子特性，許多植物都含有凝集素，如小麥、水稻、土豆、番茄、大豆和大豆等不同的糧食作物（Van Damme等，1998）。植物凝集素在抵御微生物攻擊時發揮重要作用，這些凝集素已被證明可抑制幾種植物致病性和非致病性真菌的生長，同時，一些植物凝集素的靶點是真菌，其細胞壁中存在幾丁質，從而抑制這些微生物的生長發育（Koo 等，1998）。Lannoo 和 Van Damme（2014）詳細介紹了7個最著名的植物凝集素組，將它們分為具有凝集素結構域的膜結合蛋白和可溶性蛋白，其中膜結合凝集素包括凝集素受體激酶，可溶性蛋白包括莧菜素、鈣網蛋白/鈣連蛋白等。

植物凝集素受體激酶（LecRKs）由2個由跨膜區域分隔的結構域組成：N端細胞外凝集素結構域和C端胞質激酶結構域。根據其C端區域的凝集素結構域組成，LecRK蛋白通常分為3種類型 ：G-、C- 和 L -（Singh 和 Zimmerli，2013）。在植物防御方面，莧菜紅素對蚜蟲表現出明顯的作用，在轉基因棉花和馬鈴薯中，莧菜紅素誘導蚜蟲顯著死亡，降低了蚜蟲種群增長（Rahbe等，1995）。此外，花椒素相關凝集素是一組具有一個或多個結構域與花椒素蛋白同源的植物凝集素，其有2個亞家族：半乳糖結合型和甘露糖結合型，而與半乳糖結合的花椒蛋白存在于植物細胞的液泡中，而與甘露糖結合的花椒蛋白存在于植物細胞的核質室中（Peumans等，2000）。

動物凝集素在宿主對微生物防御中發揮重要作用，它們對真菌的防御作用與宿主反應相關，其中在抗菌防御中，凝集素與成孔活性相關，導致細菌膜通透（肖敏和徐洪來，2013）。一些凝集素對革蘭氏陽性菌具有特異性，而對革蘭氏陰性菌沒有特異性，這是由于脂多糖對孔活性的抑制。此外，凝集素通過激活抗菌自噬和泡液溶解，在宿主對病原體的防御中發揮重要作用。在病毒感染中，凝集素會參與結合和抑制擴散和復制，并檢測病毒的病原體相關分子模式（Kawamura等，2014）。相反，一些病毒因凝集素的存在而增殖。

1.2 凝集素的結構特征 植物凝集素由幾個具有保守識別位點的科系組成。許多凝集素的結構已通過X射線衍射得到解決。大多數情況下，凝集素的三級結構表現為β-折疊結合和α-螺旋的存在，α-螺旋也可能不存在。盡管凝集素具有廣泛的結構多樣性，但在每個多肽鏈中至少有一個碳水化合物鏈接的特定位點被觀察到。從豆科植物凝集素中可以發現，凝集素-碳水化合物相互作用存在一個碳水化合物識別域，該域可能定位于蛋白質分子的表面（Elgavish和Shaanan，1997）。在碳水化合物配體活性位點，相互作用模式是由凝集素-碳水化合物復合體形成所需的氫鍵指導的。一些關于碳水化合物和植物凝集素的特異性研究表明，大多數不表現出對單糖有親和力，這種較低的親和力也可在一些與糖蛋白結合的紅藻凝集素中觀察到，這些凝集素不需要二價陽離子，分子量較低（Rogers和 Hori，1993）。此外，植物凝集素通常以單體、二聚體、三聚體和四聚體的形式出現。另一個有趣的結構特征表明，碳水化合物結合活性可改善存在的一些離子，如在凝集素組中觀察到Ca2+和Mn2+兩種重要離子的存在，這是糖結合所必需的。

對動物凝集素進行三維結構鑒定，這些蛋白質也存在鈣結合位點，這似乎主要與結構有關，而不是與配體結合（Schrag等，2001）。二價離子在凝集素中可促進結構修飾，在碳水化合物中引起識別，穩定配體位點，引導氨基酸在碳水化合物配體中的空間位置，從而解釋了二價離子存在時的生物活性。

2 凝結素的生物技術應用潛力

近年來，許多研究人員已經提出使用大量凝集素作為生物技術工具，特別是由于它們具有高度特異性能區分糖。植物和動物凝集素表現出豐富的深袋狀疏水氨基酸區，這種疏水功能允許凝集素和不同碳水化合物之間相互作用，形成多種功能，如抗菌素作用。Barre等（2002）對42種植物凝集素進行研究顯示，32%的疏水結構相同，表明其具有明顯的結構保守構象。但從凝集素中開發抗生素是一個真正的挑戰，因為凝集素具有復雜的結構支架和大量的二硫化物鍵，其生產成本高，化學合成復雜。一種選擇是生產異源系統，包括細菌載體（如大腸桿菌或枯草芽孢桿菌）或酵母載體（如不同的畢赤酵母），但由于有些凝集素具有殺菌或殺菌劑作用，必須采取選擇性策略來阻止抗菌凝集素對宿主表達載體的影響（Canado等，2013）。另一種選擇是使用轉基因植物生產這些凝集素。農業損失是一個具有挑戰性的經濟和糧食安全問題，人口增長和作物病蟲害的出現和蔓延威脅著全球糧食安全，且隨著氣候變化，作物病蟲害顯著增加。克服病原體危害的策略包括化學處理、常規育種和轉基因方法，如綜合蟲害管理和使用轉基因作物，以避免這些作物的生產損失。表達凝集素基因的轉基因植物已被證明具有抗線蟲和昆蟲能力，因為凝集素的表達在轉基因植物中可對線蟲產生部分抗性，當這些凝集素被引入土壤時，它們有能力減少線蟲引起的土壤灼燒（Burrows等，1998）。但凝集素對線蟲的確切作用機制尚未闡明。此外，一些表達凝集素的轉基因植物對多種病原菌也表現出一定的抗性，在這種情況下，通過桿菌介導轉化，將大豆凝集素導入煙草植株，提高對煙草疫霉感染的抗性（Guo等，2013）。因此，凝集素可用于轉基因植物的研究。有報告描述，不同凝集素作為有絲分裂劑來鑒定血型，進而檢測細胞轉化，如在硫酸糖蛋白激素清除，糖蛋白生物合成控制，免疫系統中的細胞-細胞相互作用，并與各種感染性和自身免疫性疾病的易感性和嚴重程度相關（Rajoriya等，2014）。

在抗腫瘤領域，從羅馬螺中分離的凝集素已廣泛應用于組織病理學，因為它與乳腺癌和結腸癌組織切片的結合與患者最壞的預后相關，其識別含有僅存在于癌細胞系中的表位α- d - n -乙酰半乳糖胺（α-Gal-NAc），而凝集素與兩個與癌癥相關的包含Gal-NAc的表位抗原復合物的晶體結構表明，凝集素對Gal-NAc的特異性是由于一種特殊的氫鍵網絡，其中組氨酸殘基與苷合物發生疏水接觸，使Gal-NAc在α位置上具有額外的糖或氨基酸成為合理選擇（Lescar等，2007）。

3 小結

總之，來自動物和植物的凝集素不僅與碳水化合物結合，而且為生物技術開辟了新的和不尋常的可能性。它們確實是一種很有前途的自然工具，可以為農業發展和人類健康帶來諸多好處。