糖基轉移酶與膀胱癌關系的研究進展

張 晗，汪淑晶

(大連醫科大學 生物化學與分子生物學教研室 糖生物研究所，大連116044)

近年來，糖生物學對于了解腫瘤發生機制發揮了重要作用，同時它也為診斷和治療提供了一系列靶點，許多蛋白質、脂類以及化學小分子藥物都存在不同的糖基化修飾，而這些糖基化修飾的產物在新藥開發領域具有重要意義。因此，糖生物學在腫瘤研究方面的重要性不斷增加。在人類與疾病的關系中,糖基化作為一個關鍵的調節機制控制多個病理生理過程，它的缺陷表明哺乳動物糖組中包含了大量值得關注的生物信息[1]。

1 糖基轉移酶概述

糖基轉移酶是糖蛋白以及糖脂中糖鏈生物合成的關鍵酶之一,其活性的異常表達與腫瘤以及免疫系統疾病的發生、發展有密切關系[2]。真核生物中超過50%的蛋白質都具有糖基化修飾。目前發現的糖基轉移酶有100多種，它們主要分布在高爾基體和內質網，作用是把與其相應的活性供體(如二磷酸核苷NDP-糖等)的單糖部分轉移到糖、脂類及蛋白質等，進而對后者進行糖基化加工，實現其生物學功能[3]。

1.1 糖基轉移酶的分類及結構

根據糖鏈與蛋白質的不同連接方式可將糖蛋白分為兩種，N-連接糖蛋白和O-連接糖蛋白。O-連接糖蛋白糖鏈的生物合成主要在高爾基體內進行, 是將單糖以核苷酸糖的形式逐漸加在多肽的絲氨酸或蘇氨酸上[4]。N-糖鏈的合成一般需要借助一個磷酸多萜醇形成共同的脂多糖前體:Glc3Man9(GlcNAc)2-P-P-Dol, 并將其加在新生多肽糖基化位點Asn-X-Ser /Thr中的Asn上(X是除脯氨酸外的任意氨基酸)。在內質網膜上的相應糖基轉移酶催化下形成的該前體中的寡糖。 這些寡糖是以核苷二磷酸糖為供體，按順序加上GlcNAc (N-乙酰氨基葡萄糖)、Man (甘露糖)、Glc(葡萄糖)形成的，然后再經兩步糖苷酶作用形成(Man) 5 (GlcN Ac) 2-P-PDol-Asn, 之后再從內質網運送至高爾基體, 經過一系列的糖苷酶及糖基轉移酶進一步加工后形成最終的糖蛋白[5]。

1.2 糖基轉移酶的功能

糖基化是蛋白質翻譯后重要的修飾形式之一，糖鏈對于生長發育等生理功能具有調節作用。抑制細胞表面糖鏈的形成會導致細胞生長行為的改變，黏附和遷移能力的減弱，更有一些N-型糖鏈直接參與了細胞與細胞外基質的接觸和黏附，這對腫瘤轉移具有十分重要的意義[6]。但是在細胞中，不同功能階段可能會存在著不同的糖鏈結構表達，而這也同樣影響著細胞的生物學功能。細胞內的糖基轉移酶催化合成不同的糖鏈，它的表達水平及活性的高低更是直接決定了糖鏈的合成。例如：細胞發生惡變時,由于糖基轉移酶或者糖苷酶的失活或者某些在胚胎時期活躍成熟后趨于靜止的酶被激活,并由此引起細胞表面糖結構發生變化[7]。因此,深入探索研究這些腫瘤相關糖基轉移酶的表達量改變,對于腫瘤的早期診斷、監測、預后評估以及新的治療靶點探尋都具有重要意義。

2 糖基轉移酶與膀胱癌

膀胱癌是發生在膀胱黏膜上皮組織上的一種惡性腫瘤，其發病率位于男性腫瘤第4位，女性腫瘤第11位[8]。膀胱癌是泌尿系統中最常見的腫瘤，其早期診斷和個性化治療是治療取得成功的關鍵[9]。根據2012年的分析監測和流行病學統計數據，其術后復發率高，預后不良等問題仍未解決，相關化療藥物價格昂貴、并發癥嚴重以及副作用多的問題仍然存在[10]。因此尋找一個有效的診斷及治療靶點仍是當下研究的熱點，糖生物學令膀胱癌生物學行為的研究及新的相關腫瘤標志物的發現成為了可能[11]。

2.1 巖藻糖基轉移酶與膀胱癌

巖藻糖基轉移酶是催化核苷二磷酸巖藻糖將巖藻糖基轉移至受體分子的一類己糖基轉移酶。目前已知的巖藻糖基化轉移酶有13個[12]。分4類：第1類，包括Fut1和Fut2，與α-1,2巖藻糖苷鍵合成有關；第2類，包括Fut3、4、5、6、7和9，與α-1,3/4巖藻苷鍵合成有關；第3類，主要是Fut8，與α-1,6巖藻糖苷鍵合成有關；第4類，包括Fut10和Fut11[13]。巖藻糖基轉移酶表達量的異常在腫瘤生長、侵襲、轉移、免疫逃逸以及藥物敏感性方面發揮作用。α-1,6巖藻糖基轉移酶(FUT8)是唯一一個能夠催化核心巖藻糖合成的糖基轉移酶，而核心巖藻糖的修飾是糖蛋白轉錄后修飾的重要方式，它的表達量變化更與腫瘤的發生發展密切相關。當前已有研究發現，在肺癌[14]、肝癌[15]及卵巢癌[16]等腫瘤組織中都有FUT8的高表達。雖然巖藻糖基轉移酶與膀胱癌的研究還相對缺乏，但已有研究證明，它在膀胱癌中表達量異常增加[17-18]。如：Fut1在膀胱癌中表達水平受鈣網蛋白調控，鈣網蛋白能夠通過Fut1對β1整合素進行α1，2-巖藻糖基化修飾從而調節細胞黏附和膀胱移行細胞癌的轉移，而在這個過程中，Fut1的表達量異常增加。

2.2 N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶與膀胱癌

N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶(GlcNAcT或GnT)是一類重要的糖基轉移酶, 它是一組催化轉移GlcNAc的酶。在腫瘤發生過程中，β-1,6-分支型N連接聚糖在腫瘤細胞中的表達量增加經常發生。GnT-V是由β-1,6-N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶5基因編碼，MGAT5的表達是由RAS-RAF-MAPK信號傳導途徑調節，它在腫瘤發生時被激活。研究發現，GnT-V表達與腫瘤分級和分期相關，影響這種生物學行為的主要原因可能是它能夠改變細胞表面某些糖蛋白如鈣黏蛋白、整合素及細胞表面生長因子受體的β-1,6-分支結構，從而影響了腫瘤的生物活性。而N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶Ⅲ (GnT-Ⅲ)則是一種能夠催化生成N-聚糖核心β1,4-甘露糖上的平分型乙酰氨基葡萄糖糖基轉移酶并且抑制N-聚糖合成過程中其他糖基轉移酶的作用的特殊糖基轉移酶,它通過影響N-聚糖結構,調節糖蛋白的功能。已有研究表明，GnT-Ⅲ能夠抑制腫瘤的遷移與侵襲能力[19]，并在腎癌等多種腫瘤中表達量減少。在膀胱癌中，GnT-V在低級/淺表性膀胱癌中的表達量明顯高于高級/侵襲性癌，GnT-V高表達與GnT-V低表達的腫瘤患者相比，生存期明顯延長[20-21]。GnT-V同時也被發現與肝癌[22]，非小細胞肺癌[23]等相關。同時也有研究認為另一種β-1,6-N-乙酰葡萄糖胺基轉移酶GnT-IX也與膀胱癌有關，它可能增加了正常膀胱上皮中β-1,6-分支鏈寡糖的表達量。

2.3 唾液?；D移酶與膀胱癌

唾液酸是一種位于糖鏈末段的帶有負電荷的九碳單糖，能夠與細胞膜表面脂蛋白、糖蛋白的脂質結合，是重要的生物信息傳遞分子。唾液?；D移酶是一類能夠將唾液酸通過α2,3-和α2,6-兩種連接方式連接在Gal或GalNAc上，也可以α2,8-的連接方式結合唾液酸蛋白上的糖基轉移酶[24]。根據轉移唾液?；笮滦纬傻牟煌擒真I類型把唾液?；D移酶進一步分為4類: ST3Gal I-VI、ST6Gal I-II、ST6GalNAc I-VI 以及ST8Sia I-VI[25]。與腫瘤相關的其他主要唾液酸化抗原是SLEa和SLex，經證實其在許多惡性腫瘤中高表達，并與腫瘤預后不良有關[26]。

2.3.1 α-2，3連接唾液酸與膀胱癌

α-2,3-連接的唾液?；D移酶ST3Gal III, ST3Gal IV和ST3Gal VI是介導SLea和SLex合成的關鍵酶。SLea和SLex是選擇素配體，屬于C-型凝集素家族的血管細胞黏附分子。在腫瘤中，SLex通過加強內皮細胞與選擇素相互作用從而調節轉移。ST3Gal Ⅲ優先作用于I型鏈[Gal(β1-3)GlcNAc]并參與SLea合成，但它也可催化參與II型鏈[Gal(β1-4)GlcNAc]的唾液酸化并參與SLex合成。 另一方面，ST3Gal IV唾液酸化Ⅲ型[Gal(β1-3)GalNAc]單元并且由II型單元進行SLex合成的。 ST3Gal VI對II型結構進行唾液酸化[27]。研究發現，ST3Gal在非肌層浸潤性膀胱癌中的mRNA水平顯著高于正常對照尿路上皮組織,而在肌肉侵犯型膀胱癌中又明顯高于非肌肉侵犯型[28]。同時，ST3Gal的異常表達還與腫瘤相關T抗原有關，腫瘤相關T 抗原是一類以Gal NAc-selr /Thr 或Galβ1-3 GalNAc-ser/ Thr 為核心、通過不同的糖基轉移酶協同作用而形成的一系列O-聚糖結構[29], 被稱為Thomsen -Friedenreieh抗原的就是它的核心結構，也可簡稱為TF抗原或T抗原。ST3Gal-I負責T抗原的不可逆轉性的唾液酸化從而形成STn抗原[30]。因此ST3Gal-I與膀胱癌的惡性行為密切相關。

2.3.2 α-2,6連接唾液酸與膀胱癌

α-2,6-唾液?；D移酶通常在細胞表面進行表達,它能夠催化已活化的唾液酸通過α-2,6-糖苷鍵連接在細胞膜表面的N-乙酰乳糖胺上，并由此成為腫瘤細胞與細胞外基質進行相互識別的重要受體。研究表明，ST6Gal系列唾液酸?；D移酶在腫瘤組織，特別是轉移癌中呈高表達。目前發現，ST6Gal I的表達與活性在很多惡性腫瘤，如結腸癌、乳腺癌、肝癌等均存在不同程度的上調[31]。臨床研究表明，ST6Gal I表達的增高預示著預后不良，而在膀胱癌中ST6Gal I表達量減少，經過進一步實驗研究發現這與ST6Gal I的啟動子甲基化相關，這表明ST6Gal I在進展期膀胱癌中可能發揮著抑癌作用[32]。另一種α-2,6-唾液酸?；D移酶ST6GalNac I則被發現在惡性度較高的膀胱癌組織中過表達，這種改變與STn抗原有關[33]。

2.3.3 α-2,8連接唾液酸與膀胱癌

ST8Sia唾液?；D移酶能將CMP-Sia上的唾液酸以α-2,8-糖苷鍵的形式轉移到糖鏈末端。目前發現ST8Sia唾液?；D移酶的異常表達與多聚唾液酸結構有密切聯系。多聚唾液酸結構以α-2,8-糖苷鍵相互串聯的十幾個唾液酸共同構成的一種均一的多聚線性結構，主要是由ST8Sia II(也稱為STX)與ST8Sia4VI(也成為PST)催化合成的。這種線性結構導致細胞膜上黏附分子距離增大，黏附能力減弱，促進腫瘤細胞轉移。ST8Sia唾液?；D移酶的表達還與神經節苷脂的合成密切相關[34]，神經節苷脂中的唾液酸結構能與Siglec結合，介導腫瘤細胞的體內轉移。

3 小結與展望

綜上所述，糖基化修飾的蛋白質、脂質及核酸等化合物在體內承擔著重要的生物學功能，而細胞膜表面的異常糖基化修飾又與糖基轉移酶的異常表達密切相關，并由此進一步影響細胞的生物學行為。當前研究表明，在腫瘤發生發展的增殖、分化、血管形成及遷移侵襲等不同階段均有不同的糖基轉移酶表達異常，而不同的糖基轉移酶轉錄機制各不相同，故而對其相關機制的進一步深入探索研究具有重要意義。近年來，隨著聚糖分析的新技術和新方法的出現，許多腫瘤相關的糖基轉移酶被發現。針對腫瘤相關聚糖抗原的血清抗體已作為生物標志物用于早期癌癥檢測的潛能。由于糖生物學領域新知識的不斷發掘，糖基轉移酶調節生理功能機制不斷探索，糖基轉移酶作為新的膀胱癌診斷及治療靶點具有重要意義。

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