Современная гликобиология и медицина
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Вестник ДВО РАН. 2004. № 3
Биохимия, биотехнология, фармакология
П.А.ЛУКЬЯНОВ, Н.В.ЖУРАВЛЕВА
Современная гликобиология
и медицина
Предметом исследования гликобиологии являются углевод–зависимые процессы, происходящие в
клетке. Особое внимание уделяется состоянию гликозилирования протеинов и липидов, а также
трансмембранной передаче сигнала, основанной на углевод–белковом взаимодействии. Нарушение экс-
прессии и функции углевод–связывающих рецепторов и ферментов углеводного обмена в клетке приво-
дит к различным патологиям. Частичные нарушения гликозилирования белков и липидов отражаются
в задержке развития, спонтанных абортах, дисфункции печени, расстройстве пищеварительной сис-
темы и др. Точное определение строения и роли углеводных цепей в гликопротеинах имеет важное зна-
чение для медицины, так как создает основу для разработки новых лекарственных препаратов, напри-
мер тканевых активаторов плазминогена, иммуномодуляторов, антивирусных лекарственных ве-
ществ, применяемых в препаратах отвлекающей терапии аутоиммунных заболеваний. При некоторых
дисфункциях возможна замещающая терапия с блокадой соответствующих рецепторов орально при-
меняемыми моносахаридами — фукозой, маннозой или N–ацетилглюкозамином. Теоретически возмож-
на и генная терапия, направленная на восстановление биосинтеза гликанов или их рецепторов.
Основное внимание, уделяемое коллективом лаборатории химии неинфекционного иммунитета
ТИБОХ ДВО РАН в области гликобиологии, направлено на изучение структуры гликопротеинов — он-
кофетальных антигенов и белков острой фазы, разработку иммунохимических тест–систем для их оп-
ределения в биологических жидкостях. Разрабатываются новые тест–системы с использованием лек-
тинов морских беспозвоночных для выявления нарушений гликозилирования секретируемых и мемб-
ран–связанных клеточных гликоконъюгатов. Проводятся исследования углевод–зависимых процессов
адгезии, пролиферации и ферментативной активности в экспериментах in vitro на первичных культу-
рах клеток онкопациентов и линиях клеток различной этимологии.
The current glycobiology and medicine. P.A.LUKYANOV, N.V.ZHURAVLEVA (Pacific Institute of
Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).
The subject of glycobiology is the carbohydrate–dependent processes occurring in a cell. The special
emphasis is placed on the glycosylation status of proteins and lipids as well as the transmembrane signal trans-
duction based on the carbohydrate–protein interactions. Alteration of expression and function of the carbohyd-
rate–binding receptors and enzymes of the carbohydrate biosynthesis in a cell results in different pathologies.
The partial alternation in the protein and lipid glycosylation is accompanied by various symptoms, which
include the development delay, spontaneous abortions, liver dysfunction, frustration of a digestive system, and
others. Exact definition of structure and role of the carbohydrate chains in glycoproteins is important for med-
icine since it provides a basis for development of new therapeutical agents, for example, plasminogene activa-
tors, immunomodulators, and antiviral substances and formulations used in distracting therapy of the autoim-
munological diseases. Under some dysfunctions, replacing therapy with blockade of appropriate receptors is
possible by oral use of monosaccharides, namely, fucose, mannose and N–acetylglucosamine. The gene thera-
py directed to recovery of the glycan biosynthesis or their receptors is theoretically possible too.
The basic research in glycobiology carried out at the Laboratory of Chemistry of Noninfectious Immunity
of the Pacific Institute of Bioorganic Chemistry of FEB RAS is directed to studying the structure of glycopro-
teins, such as the oncofetal antigenes and acute phase proteins, and developing the diagnostic kits for their
ЛУКЬЯНОВ Павел Александрович — доктор химических наук, ЖУРАВЛЕВА Наталья Владимировна
(Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток).
24detection in the biological fluids. New test–systems for investigating the alternations in glycosylation of secret-
ed and membrane–binding glycoconjugates are developed with using the marine invertebrate lectins. The car-
bohydrate–dependent processes of adhesion, proliferation and enzyme activities are studied in vitro in the ini-
tial cell cultures took from the cancer patients and in different cell lines of various etymologies.
В последние несколько лет достижения в области гликобиологии позво-
лили по–новому взглянуть на роль углеводов. В настоящее время система угле-
вод–белкового узнавания рассматривается как дополнительная к генетическому
коду, суть которой заключается в следующем. Углеводы в живых организмах пред-
ставлены в виде гликопротеинов, гликолипидов и полисахаридов, которые облада-
ют огромным потенциалом кодирования биологической информации. Если в пеп-
тидах или олигонуклеотидах информация кодируется числом аминокислот или
нуклеотидов и их последовательностью, то в случае углеводных структур — так-
же аномерной конфигурацией и положением связи. Так, две молекулы одного мо-
носахарида (например, глюкозы) могут образовать 11 различных дисахаридов, тог-
да как две молекулы одной аминокислоты или нуклеотида могут образовать, соот-
ветственно, только один дипептид или один динуклеотид. Благодаря этому угле-
водные цепи обладают уникальными возможностями кодирования информации.
В эукариотических организмах углеводы присоединены к белкам (гликопроте-
ины), липидам (гликолипиды), являются частью нуклеотидов. Процесс присоеди-
нения сахаров известен как гликозилирование. Гликозилирование белков может
проходить двумя путями. В первом случае N–ацетилглюкозамин связан с аспара-
гином (N–гликозилирование), во втором — N–ацетилгалактозамин или N–ацетил-
глюкозамин, фукоза или манноза образуют связь с серином или треонином (О–гли-
козилирование). Пути
гликозилирования отли-
±Manα1 2Manα1
чаются друг от друга: 6
N–связанные олигосаха- Manα1
6
риды формируются на 3
липидной мембране до ±Manα1 2Manα1 Manβ 1 4GlcNAcβ 1 4GlcNAc Asn
3
того, как произойдет их (Manα1 2)0-2Manα1
А
связывание с белком в
эндоплазматическом ре-
тикулуме, в то время как
O–связанные олигосаха-
риды надстраиваются на ±Manα1 6
± GlcNAcβ 1 ±Fucα1
белок шаг за шагом бла- Manα1
годаря гликозилтрансфе- 6
4 6
3
разам аппарата Гольджи. Manα1 Manβ 1 4GlcNAcβ 1 4GlcNAc Asn
Типичные углеводные (R GlcNAc) Manα1 3
1-2 Б
цепи гликопротеинов по-
казаны на рис. 1 и 2.
Лучше изучена регу-
ляция N–гликозилирова- ±GlcNAcβ 1 ±Fucα1
ния. Известны амино- Manα1 6
кислотные последова- 4 6
(R GlcNAc)1-5 { Manβ 1 4GlcNAcβ 1 4GlcNAc Asn
тельности, ответствен-
ные за этот процесс. Ре- 3
гуляция О–гликозилиро- Man α 1 В
вания, вероятно, зависит Рис. 1. Главные типы N–связанных углеводных цепей гликопротеи-
от комплексного взаимо- нов: А — высокоманнозный, Б — комплексный, В — гибридный
25Ser/Thr
GlcNAcβ1-3GalNAc- GalNAc- (Tn) SAα2-6GalNAc- (SA-Tn)
(Core 3)
GlcNAcβ1-3GalNAc- Galβ1-3GalNAc- (Core 1) (TF)
β1-6
GlcNAc SAα2-3Galβ1-3GalNAc- (SA-TF)
(Core 4)
Galβ1-3GalNAc- (SA-TF)
α2-6
SA
SAα2-3Galβ1-3GalNAc- (diSA-TF)
α2-6
SA
SO4Galβ1-3GalNAc- (SO4-TF)
Fucα1-2Galβ1-3GalNAc- (Fuc-TF)
Galβ1-3GalNAc- Galβ1-3GalNAc-
(Core 2) β1-6 β1-6
GlcNAc GalNAcβ1-3GlcNAc
Galβ1-3GalNAc Galβ1-3GalNAc-
β1-6 β1-6
Galβ1-4GlcNAc SAα2-3Galβ1-4GlcNAc
Galβ1-3GalNAc-
β1-6
Galβ1-4GlcNAc-
α1-3
Fuc
SAα2-3Galβ1-3GalNAc-
β1-6
Galβ1-4GlcNAc
Рис. 2. Главные типы О–связанных углеводных цепей гликопротеинов
действия между аминокислотной последовательностью белка, который будет гли-
козилирован, доступностью субстрата (нуклеотидных углеводов), концентрацией
и местоположением гликозилтрансфераз аппарата Гольджи, ответственных за про-
цесс гликозилирования. В некоторых случаях процесс усложняется дальнейшей
модификацией с помощью гликозидаз.
Олигосахаридные цепи гликопротеинов, или гликаны, чрезвычайно разнооб-
разны. Они отличаются по длине, моносахаридной последовательности, положе-
нию связи, конфигурации аномерного центра, разветвлению и замещению суль-
фатной или О–ацетильной группы в сиаловых кислотах. Это позволяет получить
огромное разнообразие структур.
Гликаны теплокровных построены из семейства шести моносахаридов: манно-
зы, галактозы, фукозы, N–ацетилглюкозамина, N–ацетилгалактозамина и нейрами-
новой кислоты. В состав О–гликозидных цепей манноза не входит (за исключени-
ем некоторых минорных О–гликанов, найденных в нервной ткани). В зависимости
от размера белка олигосахариды могут составлять до 70 % веса некоторых муци-
нов и маскировать антигенные детерминанты белкового кора.
26Гликозилирование обычно усиливает стабиль- Manα1 3
ность конформации белка. Присутствие сиаловых
Manα1 4GlcNH2-PI
кислот, обычно N–ацетилнейраминовой, и (или)
сульфатных остатков придает отрицательный за- 6
Manα1
ряд молекуле гликопротеина. Таким образом, гли-
козилирование имеет огромное значение для био- Рис. 3. Структура кора гликозилфос-
логической функции белков. Необходимо отме- фатидилинозита
тить, что важность этого процесса не может быть
полностью оценена до тех пор, пока не будут изучено О–гликозилирование, так же
как и N–гликозилирование, и оценена их роль в функционировании клетки.
Гликозилированные липиды клеточной мембраны представлены двумя типа-
ми — сфингогликолипидами (СГЛ) и гликозилфосфатидилинозитами (ГФИ)
(рис. 3). Олигосахариды в СГЛ связаны через глюкозу с церамидом. Во многих
клетках СГЛ содержатся в высоких концентрациях в плазматической мембране.
СГЛ формируют огромные кластеры на внешней поверхности липидного бислоя,
которые располагаются независимо от кластеров трансмембранных гликопротеи-
нов [11]. В нормальных клетках большое разнообразие антигенных структур,
включая групповые вещества крови и антигены Льюиса, экспрессированы на СГЛ
и на гликопротеинах. Сфингогликолипиды участвуют в процессах дифференци-
ровки клеток, клеточной адгезии и трансмембранной передаче сигнала в клетке.
Глобальные изменения в экспрессии их углеводных структур отмечаются при диф-
ференцировке, эмбриогенезе и онкогенезе [12]. Олигосахариды ГФИ богаты ман-
нозой, галактозой и глюкозамином. Они связаны через дисахаридный кор с фосфа-
тидилинозитом [29]. Основная функция ГФИ заключается в удерживании белков,
полисахаридов или небольших олигосахаридов в клеточной мембране, что позво-
ляет стабилизировать эти молекулы в липидном бислое. Такие иммобилизованные
в мембране белки являются ферментами, молекулами клеточной адгезии, они уча-
ствуют в создании гликокаликса клетки [18].
Далее мы расскажем о медицинских вопросах, для решения которых необходи-
мо знание данных гликобиологии, и областях наших интересов в данной пробле-
матике.
Межклеточные
и клеточно–матриксные взаимодействия
Большинство белков клеточной поверхности гликозилированы, включая
E–кадгерин (посредник межклеточной адгезии в эпителиальной ткани) и рецептор
CD44 (посредник клеточно–матриксной адгезии). Обе эти молекулы могут значи-
тельно изменять свои функции при нарушении гликозилирования. Действие спе-
цифических гликозилтрансфераз, например GlcNAc–трансферазы типа III, приво-
дит к увеличению количества β(1→4)–связанного N–ацетилглюкозамина на
N–гликанах E–кадгерина и других гликопротеинах. Это уменьшает доступность
субстрата для конкурирующих трансфераз (GlcNAc–трансферазы типа V) и, сле-
довательно, уменьшает образование GlcNAc–β(1→6)–антенн, которые формируют
мультиантенные структуры на N–cвязанных олигосахаридах E–кадгерина. Это
усиливает адгезию между клетками опухоли и, как было показано, значительно
снижает метастатический потенциал клеточной линии меланомы мыши [32]. Ре-
цептор CD44 принадлежит к семейству молекул адгезии, которые связывают гиа-
луроновую кислоту межклеточного матрикса. Индукция экспрессии антигена Н
27групповых веществ крови на CD44 с помощью трансфекции раковых клеток с
α–(1→2)–фукозилтрансферазным геном показала огромное увеличение метастати-
ческого потенциала клеток рака кишечника крысы [9].
Гликозилирование является важным процессом для функции интегринов. При
ингибировании N–гликозилирования происходит диссоциация α– и β–субъединиц
интегринов с последующей потерей функции связывания фибронектина [34].
Молекулы E–кадгерина и интегрины являются посредниками взаимодействия
между контактирующими клетками. Но начальное сродство между клетками, про-
являющееся в их движении друг к другу, происходит благодаря углевод–связыва-
ющим белкам — лектинам или селектинам. Они инициируют оседание циркули-
рующих клеток крови на эндотелиум. Были определены несколько семейств таких
селектинов: Е (эндотелиальные), L (лейкоцитные) и Р (тромбоцитарные). Селекти-
ны L и Е специфически связываются с сиалированными или сульфатированными
антигенами Льюиса X (Lex). Эта структура групповых веществ крови расположе-
на на нескольких различных гликопротеинах клеточной мембраны, включающих
GlyCAM–1 (гликозилированная молекула клеточной адгезии 1), PSGL–1 (P–селек-
тиновый лиганд гликопротеина 1) и трансмембранный муцин MUC1. Взаимодей-
ствие может быть конкурентно блокировано сульфатированными олигосахарида-
ми, например гепаринами [19], или при помощи сульфатированных фуканов (фу-
коиданов) [10]. Такие молекулы имеют значительный терапевтический потенциал
как противовоспалительные вещества.
Онкопатологии
Существует обширная статистика, показывающая связь между наруше-
ниями гликозилирования и развитием онкопатологии. Но, к сожалению, пока изве-
стно немного о биологических механизмах, приводящих к таким последствиям.
С онкопатологией связаны в основном два типа нарушений гликозилирования бел-
ков: усечение коротких олигосахаридных структур, которые получаются даже бо-
лее короткими, чем онкофетальные углеводные антигены, и модификация перифе-
рических структур — антигенов Льюиса и групповых веществ крови АВО. Одной
наиболее хорошо изученной онкофетальной углеводной структурой является анти-
ген Томсена–Фриденритча (TF) — галактозил–β–(1→3)–α–N–ацетилглюкозамин,
который обычно экспрессируется на O–гликанах эмбрионального эпителия, но его
экспрессия подавляется в здоровых тканях у взрослых. Более простые структуры,
связанные с онкопатологиями, такие как сиалилированный Tn антиген (N–ацетил-
галактозаминил–α–1–O–серин/треонин), являются следствием снижения О–аце-
тилирования остатков сиаловой кислоты. Другие изменения, связанные с развити-
ем онкопроцессов, включают увеличение экспрессии ди– и трисиалилпроизвод-
ных антигена Lex, уменьшение сульфатирования муциновых олигосахаридов и
значительное уменьшение длины олигосахаридных цепей. Изменение экспрессии
групповых веществ крови зачастую приводит к развитию опухоли. Большинство
этих модификаций, вероятно, происходят вследствие нарушения биосинтеза гли-
козилтрансфераз. Например, в клетках линии аденокарциномы с повышенным ма-
лигнизирущим потенциалом понижена экспрессия GlcNAc–трансферазы, ответст-
венной за создание олигосахаридной структуры кора. Также в этих клетках было
отмечено снижение активности галактозилсульфотрансферазы [30].
Некоторые нарушения гликозилирования, связанные с онкопатологиями, напри-
мер изменение статуса сиалирования и фукозилирования антигенов Льюиса, явля-
28ются общими как для гликопротеинов, так и для гликолипидов. Дополнительные из-
менения гликолипидов включают накопление ганглиозидных и глобозидных пред-
шественников. Такие изменения затрагивают не только межклеточное взаимодейст-
вие, но и адгезию клеток к молекулам межклеточного матрикса, а также трансмемб-
ранную передачу сигнала через тирозинкиназные рецепторы или киназу C [12].
Нарушенное гликозилирование раковых клеток коррелирует с их малигнизиру-
ющим потенциалом. Было предположено, что способность клеток колоректально-
го рака к метастазированию в печень может быть следствием увеличения экспрес-
сии олигосахаридов с терминальными остатками галактозы. Эти олигосахариды
являются лигандами для асиалогликопротеиновых рецепторов гепатоцитов — га-
лактоз–связывающих лектинов. Кроме того, при метастазировании клеток рака
кишечника обнаружено увеличение сиалирования TF антигена и антигенов Льюи-
са по сравнению с начальными стадиями опухолевого процесса у одних и тех же
пациентов [4]. Выявляемые нарушения гликозилирования, в частности увеличение
экспрессии антигенов Льюиса, их сиалированных производных Lea и Lex, онкофе-
тальных антигенов и муцинов, — признаки неблагоприятного прогноза течения
болезни. Некоторые из антигенов Льюиса, например частично сиалированные Lea
и Lex, могут функционировать как лиганды для селектинов и, таким образом, осу-
ществлять взаимодействие между раковыми и другими клетками в процессах ин-
вазии при метастазировании. Раковые клетки могут непосредственно экспрессиро-
вать лектины. Клетки млекопитающих содержат семейство галактоз–связываю-
щих лектинов — галектинов, чьи природные лиганды и функции большей частью
не известны. Экспрессия галектина–3 на поверхности клетки, который связывает
раковоэмбриональный антиген и молекулы адгезии LAMP–1, обусловливает их
малигнизирующий потенциал. Экспериментально показано, что обратная регуля-
ция приводит к значительному снижению метастатического потенциала клеток ко-
лоректального рака [5]. Групповые вещества крови могут также взаимодейство-
вать друг с другом. Взаимодействие Lex–Lex является определяющим фактором
аутоагрегации клеток опухоли с последующей микроэмболией и метастазировани-
ем [16]. Антигены Ley, экспрессируемые раковыми клетками, могут также взаимо-
действовать с фукозными детерминантами групповых веществ крови H на клетках
эндотелия. Эти антигены участвуют в первичных этапах метастазирования клеток
опухоли. Муцины являются относительно сильными ингибиторами межклеточно-
го взаимодействия. Хотя есть предположение, что это в большей степени зависит
от белкового кора муцинов, чем от их олигосахаридных компонентов [2].
Частичное нарушение гликозилирования может быть обнаружено еще в предра-
ковых изменениях, таких как метаплазия и дисплазия. Например, в этом случае от-
мечается нарушение гликозилирования клеток слизистой оболочки кишечника, воз-
можным функциональным следствием которого является привлечение к слизистой
поверхности пищевых или микробных лектинов. В поддержку этой концепции гово-
рит факт увеличения более чем на 40 % пролиферации в ректальной слизистой обо-
лочке у пациентов с экспрессией TF антигена после недельной арахисовой диеты,
богатой TF–связывающими лектинами [28]. TF–связывающие лектины съедобных
грибов ингибируют пролиферацию раковых клеток, не вызывая их гибели [33].
Структурно–функциональные взаимоотношения нарушений гликозилирова-
ния, приводящих к онкопатологиям, имеют потенциальное значение для терапии
последних. Множество раковых клеток имеют на клеточной поверхности олигоса-
хариды с терминальными остатками галактозы. Такие олигосахариды включены в
адгезию метастатических клеток или в привлечение митогенных лектинов. В свя-
29зи с этим было предположено, что галактоз–содержащие полисахариды могут
иметь терапевтическое или защитное действие. Так, при добавлении в пищевой ра-
цион пектина цитрусовых, со значительным количеством терминальных остатков
галактозы, было обнаружено уменьшение образования метастазов в модели рака
простаты мышей [24] и постулировано, что овощные волокна, обогащенные галак-
тозой, имеют защитное действие против рака толстой кишки [28].
Болезни слизистой оболочки
Свойства слизи, защищающей поверхность оболочки кишечника и
бронхов от микробного воздействия, определяются в большой степени гликопро-
теинами слизи, или муцинами. Это очень большие белки с молекулярными масса-
ми до 20 МДа в гликозилированной форме. Более 80 % массы муцинов составля-
ют O–связанные олигосахаридные цепи. Они защищают белковый кор от действия
протеаз, хотя некоторые муцины расщепляются протеазами на низкомолекулярные
фрагменты. За исключением нескольких эндогликаназ, которые могут расщеплять
дисахарид кора гликанов, бактериальные ферменты способны только к последова-
тельному отщеплению олигосахаридов в периферических областях. Во многих му-
цинах терминальные остатки сиаловой кислоты зачастую О–ацетилированы, что
делает их устойчивыми к действию сиалидаз, если в среде не присутствует О–аце-
тилаза. Сульфатирование олигосахаридов является традиционным в местах скоп-
ления большого количества бактерий, например в толстой кишке. В этом случае
такие модифицированные гликаны устойчивы к действию гликозидаз (в отсутст-
вии соответствующих сульфатаз).
При язвенных колитах слизистый слой истончается, и существует пока не
подтвержденная гипотеза, что это связано с генетическими дефектами синтеза
или секреции муцинов [6, 27]. Это инициировало исследование слизи и наруше-
ний гликозилирования слизистых компонентов при колитах и других воспали-
тельных процессах в кишечнике, например болезни Крона. Нарушения гликози-
лирования отмечены при обоих заболеваниях и схожи с изменениями при коло-
ректальном раке, а в некоторых случаях идентичны им. Так, олигосахаридные
цепи муцинов при колоректальных онкопатологиях укорочены почти наполови-
ну по сравнению с их обычной длиной у здоровых доноров. Кроме того, в них
снижена степень О–ацетилирования сиаловых кислот на 50 %, увеличена экс-
прессия TF и сиалил–Tn антигенов, понижен уровень сульфатирования. Некото-
рые из этих изменений могут быть тесно связаны: уменьшение сиалирования
или сульфатирования, например, может сопровождаться увеличенной экспресси-
ей TF антигена, или увеличенная экспрессия сиалил–Tn антигена, вероятно, яв-
ляется результатом пониженного О–ацетилирования остатков сиаловой кислоты.
Даже если большинство или все эти нарушения гликозилирования являются ско-
рее вторичными по отношению к заболеванию, они неизбежны и будут иметь
важные функциональные последствия. Уменьшение длины олигосахаридной це-
пи муцинов, уменьшение количества О–ацетилирования сиаловых кислот и сте-
пени сульфатирования будут увеличивать восприимчивость муцинов к действию
бактериальных ферментов. В большинстве случаев нарушение гликозилирова-
ния муцинов совмещено со схожими изменениями в гликозилировании гликопро-
теинов клеточной поверхности эпителиальных клеток. Это показывает, что одни
и те же гликозилтрансферазы вовлечены в гликозилирование различных белков.
Последующее увеличение экспрессии онкофетальных углеводных антигенов
гликопротеинами поверхности клетки, возможно, приводит к изменениям флоры
30слизистой. Например, она пополняется бактериями с лектинами, которые специ-
фичны к TF антигену или к сиалил–Tn антигену. Интересно, что патогенная аме-
ба Entamoeba histolytica обладает TF–связывающим лектином, который исполь-
зуется ею для адгезии к клеткам человека. Поэтому можно предположить, что па-
циенты с воспалительным заболеванием кишечника и с увеличенной экспресси-
ей компонентами слизистой TF антигена склонны к развитию амебной дизенте-
рии в эндемических регионах. Некоторые изменения гликозилирования могут
привести к предраковым состояниям, а хронические воспалительные процессы в
кишечнике — почти к десятикратному увеличению риска заболевания колорек-
тальным раком. Экспрессия сиалил–Tn антигена, выявляемая моноклональными
антителами TKH2, была предложена как маркер для выявления пациентов груп-
пы риска с хроническими колитами [14].
Кистозный фиброз (КФ) связан с увеличением сульфатирования муцинов. Ис-
следование слизистой оболочки мыши с КФ показало увеличение степени глико-
зилирования и сульфатирования компонентов слизи. Механизм этих изменений до
конца не изучен. Одна из гипотез предполагает, что дефект переноса хлорид–иона
при кистозном фиброзе приводит к изменениям в pH–градиенте аппарата Гольджи
с последующим воздействием на функции гликозилтрансфераз и сульфотрансфе-
раз. У пациентов с хроническим бронхитом, как и у пациентов с КФ, увеличивает-
ся степень сульфатирования и сиалирования муцинов бронхов, связанная с увели-
чением экспрессии α(2→3)–сиалилтрансферазы [7].
Взаимодействия патоген–хозяин
Лектин–углеводные взаимодействия используются патогенными микро-
организмами для адгезии к гликоконъюгатам слизистой оболочки. Некоторые из уг-
леводных структур являются гликолипид–специфичными, например дисахаридная
конструкция Gal–α(1→4)–Gal является рецептором для уропатогенной бактерии
Escherichia coli. Хотя углеводная специфичность клеточных рецепторов большинст-
ва изученных патогенов хорошо известна, мало внимания уделялось роли наследст-
венных или приобретенных нарушений в гликозилировании компонентов слизи в
восприимчивости клеток хозяина к таким патогенам. Устойчивая связь была отме-
чена между секреторным статусом, кодируемым гликозилтрансферазным геном, и
восприимчивостью к гриппу, респираторному синцитиальному вирусу, риновирусу
и эховирусу. Известно, что адгезия клеток Candida sp. и Neisseria meningitidis уси-
ливается к несекретируемым компонентам клеточной мембраны [25]. Механизмы
этих взаимодействий не установлены, хотя было показано, что патогенность виру-
са гриппа коррелирует с его продукцией нейраминидазы. Вирус использует этот
фермент для отщепления остатков нейраминовой кислоты сиалогликопротеинов
слизи, что является предпосылкой к проникновению в клетку хозяина [31].
Во многих случаях специфичность микробных лектинов к углеводным лигандам
хозяина определяет инвазию микробных патогенов. Например, клетки E. coli K–99
связываются с остатками N–гликолилнейраминовой кислоты мукозных секретов
свиньи. Люди с дефицитом гидроксилазы, превращающей N–ацетилнейраминовую
кислоту в N–гликолилнейраминовую, не восприимчивы к этому микроорганизму.
Углевод–опосредованная адгезия патогенов была использована для разработки но-
вых профилактических и терапевтических приемов. Например, диарею у телят, вы-
зываемую E. coli K–99, можно предотвратить добавлением в питьевую воду глико-
пептидов, которые идентичны экспрессируемым клетками E. сoli. Патогенность и
инвазивность вируса иммунодефицита человека или бактерии Vibrio cholerae также
зависят от начального связывания с гликолипидами клеточной поверхности хозяина.
31Таким образом, существует огромный потенциал для развития будущих исследова-
ний синтетических гликоконъюгатов в качестве ингибиторов адгезии патогенов при
разработке профилактики и терапии инфекционных заболеваний.
Нарушение гликозилирования
циркулирующих гликопротеинов
Возможно, все циркулирующие белки, за исключением альбумина, гли-
козилированы. Известно, что утрата сиалирования циркулирующими гликопроте-
инами приводит к увеличению доступности остатков галактозы. В результате эти
гликопротеины удаляются из циркуляции при помощи асиалогликопротеиновых
рецепторов гепатоцитов, которые являются непосредственно галактоз–связываю-
щими лектинами. Свидетельством функциональной значимости этого гликозили-
рования являются наследственные углевод–дефицитные гликопротеиновые синд-
ромы (УДГС). Были описаны четыре различных синдрома. УДГС первого типа
изучен более чем у 100 пациентов. Мутации были определены в двух фосфоман-
номутазных генах 22q13 и 16p13 [17]. Фибробласты и лейкоциты таких пациентов
лишены фосфоманномутазы — фермента, ответственного за превращение манно-
зо–6–фосфата в маннозо–1–фосфат, необходимой в синтезе ГДФ–маннозы. При
этом отмечается значительный дефект в N–гликозилировании. Он связан с умень-
шением экспрессии N–концевых сиалоолигосахаридов и может быть определен по
изменению подвижности сывороточных гликопротеинов при изоэлектрофокусиро-
вании. Вероятно, существуют также дефекты синтеза ГДФ–фукозы, которые затра-
гивают процесс О–гликозилирования. Эти дефекты имеют аутосомно–рецессив-
ное наследование и приводят к неврологическим нарушениям с атаксией, задерж-
кой в развитии, прогрессирующей мышечной атрофией, различными дисфункция-
ми печени, патологией свертываемости крови и анатомическими изменениям. Был
описан похожий синдром, который возникал при нарушении синтеза долихола
[23]. Выявлены также наследственные дефекты, приводящие к классической га-
лактозамии, которая определяется дефицитом УДФ–галактозы. При УДГС типа IB
вследствие точечной мутации полностью отсутствует активность фосфоманноизо-
меразы. Клиническая картина в этом случае отличается от УДГС типа IA выявля-
емыми нарушениями утилизации белков и кишечными кровотечениями. Терапия
орально применяемой маннозой была эффективной при УДГС типа IB, но не при-
водит к положительным результатам при лечении УДГС типа IА. УДГС типа II воз-
никает вследствие дефицита N–ацетилглюкозаминтрансферазы II, необходимой
для синтеза биантенных N–гликанов. Пациенты с таким синдромом имеют задерж-
ку в развитии и гипотонию. УДГС типа III и IV связаны с неврологическими ано-
малиями и характеризуются присутствием изоформ трансферрина с различной
изоэлектрической подвижностью. Вероятно, список типов УГДС будет значитель-
но расширен благодаря дополнительным исследованиям.
Основные направления, развиваемые в лаборатории
химии неинфекционного иммунитета
в области гликобиологии
Традиционно в нашей лаборатории исследуется структура онкофеталь-
ных антигенов и белков острой фазы как маркеров опкопатологий и различных
воспалительных процессов, а также разрабатываются иммунохимические тест–си-
стемы для их определения в биологических жидкостях. Тест–система для опреде-
ления трофобласт–специфического бета–1–гликопротеина (ТБГ) в сыворотке кро-
32ви универсальна и пригодна для определения сроков беременности и ее патологии.
На основе наших реактивов НПО «Вектор–Бест» (Новосибирск) с 1999 г. выпуска-
ет эти наборы и распространяет в клиниках по всей России. Разработанная новая
тест–система для определение уровня ТБГ и нарушений его гликозилирования на
основе GalNAc/GlcNAc–специфичного лектина, выделенного нами из асцидии
Didemnum ternatanum, позволяет проводить дифференциальную диагностику зло-
качественного процесса (пузырного заноса и хорионэпителиомы) и нормально
протекающей беременности, а также вести контроль за эффективностью лечения
трофобластических онкологических заболеваний.
Лектины (углевод–связывающие белки) являются универсальным инструмен-
том в исследовании структуры углеводных цепей и выявлении нарушений их гли-
козилирования при различных патологиях. В лаборатории постоянно проводится
скрининг новых лектинов среди гидробионтов Мирового океана. Описано и оха-
рактеризовано более десятка лектинов с различной специфичностью. Некоторые
лектины проявляют перспективные биологические свойства в усилении адгезии
клеток, модуляции их роста и морфологии, открывающие перспективы их исполь-
зования в биотехнологии [3, 15, 21, 22]. Выделены и такие лектины, которые обла-
дают высокой антивирусной активностью, они способны блокировать прикрепле-
ние вируса иммунодефицита человека и его репликацию в экспериментах in vitro
в диапазоне концентраций 6—40 нг/мл [1]. Кроме того, изучение особенностей
взаимодействия лектинов с природными мультивалентными гликоконъюгатами
позволяет понять механизм функционирования лектинов человека в норме и пато-
логии [8, 13, 15, 20, 26].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ли Вэй. Маннан–связывающие лектины из морского червя Serpula vermicularis и GlcNAc/GalNAc
специфический лектин из колониальной асцидии Didemnum ternatanum: Автореф. дис. … канд. биол.
наук. Владивосток, 2004. 24 с.
2. Agrawal B., Krantz M.J., Redish M.A., Longenecker B.M. Cancer–associated MUC1 mucin inhibits
human T–cell proliferation, which is reversible by IL–2 // Nature Medicine. 1998. Vol. 4, N 1. P. 43—49.
3. Belogortseva N., Molchanova V., Glazunov V., Evtushenko E., Lukyanov P. N–Acetyl–D–glu-
cosamine–specific lectin from the ascidian Didemnum ternatanum // Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1380,
N 2. P. 249—256.
4. Bresalier R.S., Ho S.B., Schoepner H.L. Enhanced sialylation of mucin–associated carbohydrate struc-
tures in human colon cancer metastasis // Gastroenterology. 1996. Vol. 110, N 3. P. 1354—1367.
5. Bresalier R.S., Mazurek N., Sternber L.R. Metastasis of human colon cancer is altered by modifying
expression of the beta–galactоside–binding galectin–3 // Gastroenterology. 1998. Vol. 115, N 1. P. 287—296.
6. Corfield A.P., Myersough N., Gough M., Brockhausen I., Schauer R., Paraskeva C. Glycosylation pat-
terns of mucins in colonic diseases // Biochem. Soc. Trans. 1995. Vol. 23. P. 840—845.
7. Davril M., Degroote S., Humbert P. The sialylation of bronchial mucins secreted by patients suffering
from cystic fibrosis or from chronic bronchitis is related to the severity of airway infection // Glycobiology.
1997. Vol. 9, N 1. P. 311—321.
8. Furtak V., Hatcher F., Ochieng J. Galectin–3 mediates the endocytosis of beta–1 integrins by breast car-
cinoma cells // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2001. Vol. 289, N 4. P. 845—850.
9. Goupille C., Halloin F., Meflak K., Le Pendu J. Increase of rat colon carcinoma cell tumorigenicity by
alpha (1–2) fucosyltransferase gene transfection // Glycobiology. 1997. Vol. 7, N 4. P. 221—229.
10. Granert C., Raud J., Xie X., Lindquist L., Lindbom L. Inhibition of leukocyte rolling with polysac-
charide fucoidin prevents pleocytosis in experimental meningitis in the rabbit // J. Clin. Invest. 1994. Vol. 93,
N 7. P. 929—936.
11. Hakomori S.I. Structure and function of sphingoglycolipids in transmembrane signaling and cell–cell
interaction // Biochem. Soc. Trans. 1993. Vol. 21. P. 583—595.
12. Hakomori S. Tumor malignancy defined by aberrant glycosylation and sphingoglycolipid metabolism //
Cancer Res. 1996. Vol. 56, N 3. P. 5309—5318.
3313. Kang S.–G., Choi K.–S., Bulgakov A.A., Kim Y., Kim S.–Y. Enzyme–linked immunosorbent assay
(ELISA) used in quantification of reproductive output in the pacific oyester, Crassostrea gigas, in Korea //
J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 2003. Vol. 282. P. 1—21.
14. Karlen P., Young E., Brostorm O. Sialyl–Tn antigen as a marker of colon cancer risk in ulcerative coli-
tis: relation to dysplasia and DNA aneuploidy // Gatroenterology. 1998. Vol. 155, N 4. P. 1395—1404.
15. Kobelev S., Molchanova V., Belogortseva N., Luk’yanov P. Interaction of a lectin from the mussel
Crenomytilus grayanus with polyvalent neoglycoconjugates // Abstr. GLYCO XVI Symp. Hague, 2001. P. 100.
16. Kojima N., Fenderson B.A., Stroud M.R. Further studies on cell adhesion based on Lex–Lex interac-
tion with new approaches: embryoglycan aggregation of F9 teratocarcinoma cell, and adhesion of various
tumor cells based on Lex expression // Glycoconj. J. 1994. Vol. 11, N 7. P. 238—248.
17. Matthijs G., Schollen E., Pardon E. Mutations in PMMM2, a phosphomannomutase gene on chromo-
some 16p13, in carbohydrate–deficient glycoprotein type I syndrome // Nature Genetics. 1997. Vol. 16, N 2.
P. 88—92.
18. McConville J., Ferguson M.A. The structure, biosynthesis, and function of glycosylated phospha-
tidilinositols in the parasitic protozoa and higher eukaryotes // Biochem. J. 1993. Vol. 294, N 3. P. 305—324.
19. Nelson R.M., Cecconi O., Roberts W.G., Aruffo A., Linhardt R.J., Revilacqua M.P. Heparin oligosac-
charides bind L– and P–selectins and inhibit acute inflammation // Blood. 1993. Vol. 82, N 3. P. 3253—3258.
20. Ochieng J., Furtak V., Lukyanov P. Extracellular functions of galectin–3 // Glycoconj. J. 2002. Vol. 19,
N 7—9. P. 527—535.
21. Odintsova N.A., Belogortseva N.I., Ermak A.V., Molchanova V.I., Lukyanov P.A. Adhesive and
growth properties of lectin from ascidian Didemnum ternatanum on cultivated marine invertebrate cells //
Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vol. 1380, N 2. P. 240—256.
22. Odintsova N.A., Belogortseva N.I., Khomenko A.V., Chikalovets I.V., Lukyanov P.A. Effect of lectin
from the ascidian on the growth and the adhesion of HeLa cells // Mol. Cell Biol. 2001. Vol. 221. P. 133—138.
23. Ohkura T., Fukushima K., Kurisaki A. A partial deficiency of dehydrodolichol is cause of carbohyd-
rate–deficient glycoprotein syndrome type 1 // J. Biol. Chem. 1997. Vol. 272, N 11. P. 6868—6875.
24. Pienta K.J., Naik H., Akhtar A. Inhibition of spontaneous metastasis in a rat prostate cancer model by
oral administration of modified citrus pectin // J. Nat. Cancer Inst. 1995. Vol. 87, N 2. P. 348—353.
25. Raza M.V., Blackwell C.C., Molyneux P. Association between secretor status and respiratory viral ill-
ness // Brit. Med. J. 1991. Vol. 303, N 17. P. 815—818.
26. Ray S., Lukyanov P., Ochieng J. Members of the cystatin superfamily interact with MMP–9 and pro-
tect it from autolytic degradation without affecting its gelatinolytic activities // Biochim. Biophys. Acta. 2003.
Vol. 1652, N 2. P. 91—102.
27. Rhodes J.M. Unifying hypothesis for inflammatory bowel disease and related colon cancer: sticking
the pieces together with sugar // Lancet. 1996. Vol. 343, N 3. P. 40—44.
28. Ryder S.D., Jacuna M.R., Levi A.J., Rizzi P.M., Rhodes J.M. Eating peanuts increases rectal prolifer-
ation in individuals with mucosal expression of peanut lectin receptors // Gastroenterology. 1998. Vol. 114,
N 2. P. 44—49.
29. Thomas R.J., Dwek R.A., Rademacher T.W. Structure, biosynthesis and function of glycosylphos-
phatidylinositols // Biochem. 1990. Vol. 29, N 1. P. 5413—5422.
30. Vavasseur F., Dole K., Yang J. O–glycan biosynthesis inhuman colorectal adenoma cells during pro-
gression to cancer // Eur. J. Biochem. 1994. Vol. 222, N 12. P. 415—424.
31. Von Itzstein M., Wu W.Y., Kok G.B. Rational design of potent sialidase–based inhibitors of influenza
virus replication // Nature. 1993. Vol. 363, N 2. P. 418—423.
32. Yoshimura M., Ihara Y., Matsuzawa Y., Taniguchi N. Aberrant glycosylation of E–cadherin enhances
cell–cell binding to suppress metastasis // J. Biol. Chem. 1996. Vol. 271, N 13. P. 13811—13815.
33. Yu L.G., Fernig D.G., White M.R.H. Edible mushroom (Agaricus bisporus) lectin, which reversibly
inhibits epithelial cell proliferation, blocks NLS–depend nuclear protein import // J. Biol. Chem. 1996.
Vol. 274, N 5. P. 4890—4899.
34. Zheng M., Fang H., Hakomori S. Functional role of N–glycosylation in α5β1 integrin receptor:
de–N–glycosylation induces dissociation or altered association of α5 and β1 subunits and concomitant loss of
fibronectin binding activity // J. Biol. Chem. 1994. Vol. 269, N 27. P. 12325—12331.
34Вы также можете почитать
