APSB长篇综述（一）：蛋白质N糖基化在肿瘤中的作用

美国密西根大学医学中心的两位研究者在Acta Pharmaceutica Sinica B（IF:14.5）上发表了长篇综述《The role of N-glycosylation in cancer》。这篇综述详细总结了蛋白质N糖基化的过程及其在肿瘤中的作用。接下来，就让我们跟随文章，一起了解蛋白质N糖基化吧！

注，由于篇幅太长，我们将分多次发布。本次发布内容为1.引言及2. 癌症中的糖基化和糖链变化

尽管近年来对癌症发生发展的理解取得了进展，但全面的癌症糖蛋白质组特征描述仍然缺乏。糖蛋白在医学中扮演重要角色，并涉及包括癌症在内的多种人类疾病。糖链参与了细胞信号传导、侵袭、血管生成和转移等基本癌症过程。异常的N-糖基化显著影响癌症过程和临床靶向治疗。因此，理解肿瘤中的N-糖基化对于理解疾病进展和发现抗癌靶标及治疗监测和诊断的生物标志物至关重要。本综述介绍了蛋白质N-糖基化的基本过程，并总结了肿瘤细胞中的糖基化变化，包括末端唾液酸化增加、N-糖链分支增加和核心岩藻糖基化。此外，还讨论了N-糖基化在肿瘤信号传导途径、迁移和代谢中的作用。位点特异性的糖蛋白和糖肽作为早期癌症检测的潜在生物标志物已被报道。总的来说，理解和探索癌症糖蛋白组，以及其在医学中的作用、在癌症和其他人类疾病中的影响，提示了N-糖基化在肿瘤过程中的重要性，需要进一步研究潜在的抗癌靶标和生物标志物。

★  

  ★

癌症被广泛认为是全球最致命的疾病之一，2020年有1000万人死亡，几乎占所有死亡的六分之一。目前，治疗失败通常是由于癌症发展到晚期才被检测到、肿瘤复发、转移和耐药性，所有这些都与蛋白质糖基化有关。因此，发现早期癌症生物标志物和基于蛋白质糖基化的特定治疗靶标的鉴定至关重要。理解和识别癌细胞中蛋白质糖基化的改变可能是解开肿瘤发生、生物标志物发现和抗癌药物设计的关键。过去二十年来，对蛋白质糖基化的理解取得了显著进展，这也涉及连接有多样和异质糖链结构的肽段。与蛋白质和核酸合成不同，糖链合成是一个非模板催化过程，需要多种酶的协调参与，导致该领域有许多重要发现。据估计约有50%的蛋白质是糖基化的。

糖链的生物合成能力取决于糖基化酶的丰度和糖供体。大多数糖蛋白在内质网（ER）腔内翻译和初步成熟，而部分糖基化蛋白质需要在高尔基体中进一步修剪。成熟的糖蛋白随后被分配到不同的位置，如细胞膜或分泌到细胞外。蛋白质糖基化在许多细胞内和细胞间活动中发挥重要作用，如蛋白质折叠、细胞粘附、细胞间识别和宿主-病原体识别等。

越来越多的证据表明，糖蛋白的非典型糖基化，如截短的糖链结构、多分支N-糖链、核心岩藻糖基化和唾液酸化终止的增加，与恶性细胞转化和转移有关。肿瘤和正常患者血清糖蛋白的差异有望发现肿瘤生物标志物。某些非典型糖蛋白，如在临床中正在使用AFP的核心岩藻糖基化和糖类抗原19-9（CA19-9）的唾液酸化Lewis A抗原（SLe^A）作为血清癌症标志物。然而，它们的临床应用受到限制，许多特定过程仍有待明确定义。本综述旨在提供对癌症中蛋白质N-糖基化基本概念的清晰理解，并讨论其对癌症生物学的影响，以及作为潜在癌症生物标志物的新糖蛋白/糖肽。

★  

  ★

糖基化是一种常见的细胞膜蛋白和分泌蛋白的修饰方式。蛋白质糖基化包括在内质网（ER）中将糖链附着到未成熟蛋白质上，然后在高尔基体中进行修剪，这些反应由一系列糖基转移酶和糖苷酶催化。根据附着的氨基酸残基，蛋白质糖基化主要分为两种类型：(1) 糖链共价连接到天冬酰胺（Asn）残基，形成典型的保守序列N-X-S/T（X≠P），称为N-糖链；(2) O-糖基化连接到丝氨酸或苏氨酸残基的侧链羟基上。糖基化发生在转录后蛋白质穿过ER和高尔基体的过程中。在人类中，糖链结构主要由以下10种单糖组成：(1) N-乙酰-D-葡萄糖胺（GlcNAc），(2) D-甘露糖（Man），(3) L-岩藻糖（Fuc），(4) D-葡萄糖（Glc），(5) D-半乳糖（Gal），(6) N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac），(7) N-乙酰-D-半乳糖胺（GalNAc），(8) D-葡萄糖酸（GlcA），(9) L-艾杜糖醛酸（IdoA）和(10) D-木糖（Xyl）（图1）。N-糖肽发生在保守的氨基酸序列N-X-S/T（X≠P）中的Asn（天冬酰胺，N）残基上，具有一个常见但保守的五个单体糖核心结构GlcNAc2Man3，也称为核心糖链（图2A）。

通常，N-和O-糖链都以唾液酸终止。与DNA合成不同，非模板驱动的糖链合成产生了糖链结构的多样性和异质性。疾病的发生可能表现出不同形式的糖基化。因此，揭示疾病相关糖基化的变化对于更深入地理解疾病进展至关重要。因此，我们讨论了N-糖基化、岩藻糖基化、唾液酸化和多分支糖基化以及它们在癌症进展中的作用。

N-糖基化是一种翻译后修饰，对决定蛋白质的折叠状态和多聚化起着重要作用。这一过程在内质网（ER）中开始，其中GlcNAc2Man5-多萜醇磷酸由翻转酶从胞质侧翻转到ER腔侧。之后，向GlcNAc2Man5-多萜醇磷酸添加四个甘露糖和三个葡萄糖，形成Glc3Man9GlcNAc2-PP-多萜醇。然后，这个产物的糖链部分通过寡糖基转移酶（OST）复合体转移到新生肽链的N-X-S-T序列上。接着，从新生糖肽中移除三个末端葡萄糖和一个甘露糖，糖肽离开ER进入高尔基体进行进一步的修剪和分支化，产生具有多样糖链的糖肽（图3）。

根据侧链分支，糖链类型被分为三大类，分别是高甘露糖N-糖链（由甘露糖残基延长）、复杂N-糖链（在高尔基体中通过添加GlcNAc进一步链延长）和混合型N-糖链（在高尔基体中添加半乳糖或岩藻糖残基以及甘露糖）。人们认为N-糖基化是由一系列N-乙酰葡萄糖胺转移酶（称为GnTs，由MGAT基因编码）执行的，这些酶在保守的核心糖链结构上继续延伸糖链。分支增加以及岩藻糖基化和唾液酸化的添加被认为与肿瘤进展有关。FUT8（α1,6-岩藻糖基转移酶）通过形成α1,6-Fuc键，向N-糖链核心最内部GlcNAc添加一个岩藻糖，而唾液酸转移酶则通过形成α2,6-链特异性键形成末端唾液酸（图2B）。

癌症中存在异常的蛋白质糖基化在，涉及核心岩藻糖基化、外臂岩藻糖基化、多分支N-糖链、截短的O-糖链和多唾液酸化末端糖链（图4）。糖基化的变化源于几种机制，包括糖基转移酶和糖苷酶表达水平的变化，以及定位在涉及内质网和高尔基体分泌途径中的糖基转移酶的异常表达。此外，分子伴侣活性和供体底物可用性的变化也会导致糖基化的变化。分析这些变化已被用于发现生物标志物候选物，如从癌细胞分泌到血清中的糖蛋白的糖基化变化。一些血清糖蛋白已被用于癌症的诊断和监测，例如，携带SLe^A（唾液酸化Lewis A抗原）的CA19-9可用于胃肠道肿瘤的诊断，核心岩藻糖基化的AFP用于肝细胞癌的诊断。

唾液酸（N-乙酰神经氨酸，Neu5Ac），是一种九碳糖，通常占据糖蛋白糖链末端的位置，参与细胞间相互作用，并作为细胞与其周围基质之间的连接分子，异常的唾液酸化已被证明参与癌细胞粘附和侵袭。唾液酸转移酶位于高尔基体中，催化唾液酸添加到寡糖的最末端，使糖链具有更丰富的多样性。

越来越多的证据表明，癌细胞表面的糖蛋白是高唾液酸化的。这种细胞表面糖蛋白上增加的唾液酸化被认为是肿瘤转化的特征。在肿瘤细胞糖蛋白上能观察到增加的唾液酸化，这归因于唾液酸转移酶活性的增强或唾液酸酶活性的降低。因此，检测和监测体液中的糖蛋白可用于癌症进展的监测。

尽管已经发现了多达20种唾液酸转移酶（ST），都参与唾液酸与N-糖链或O-糖链的α-连接。似乎每种ST类型都可以催化形成特定的唾液酸化结构，例如ST3Gal III和ST3Gal IV催化的唾液酸化Lewis抗原。一个例子是携带唾液酸化Lewis A（sLe^A）抗原的CA19-9，可以归因于ST3Gal III和IV的过表达。探索靶向特定ST的抑制剂是影响肿瘤生长、侵袭和转移的合理策略。例如，ST的上调已被证明与用顺铂或紫杉醇治疗的耐药癌症相关。因此，这些抑制剂可以单独使用或与当前药物联合使用，以增强对耐药癌症的敏感性。

功能上，唾液化糖链长期以来被认为与多种细胞相互作用过程有关，如细胞识别和粘附。此外，它们也被报道参与肿瘤的侵袭和转移，以及一些免疫响应。例如，高度唾液化的整合素已被证明参与肺癌、结肠癌和卵巢癌的癌细胞迁移。

除了通过唾液酸转移酶的唾液酸化外，多分支糖链也有助于癌细胞粘附和转移。GnT-V（N-乙酰葡萄糖胺转移酶-V），由人类中的MGAT5基因编码，通过从尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）转移GlcNAc残基到保守的五糖核心结构（GlcNac2Man3）中的α1,6-连接甘露糖，形成它们之间的β1,6-连接。然而，由GnT-III活性产生的半乳糖和唾液酸以及平分型糖链可以抑制GnT-V将GlcNAc转移到保守五糖核心结构的甘露糖上。这种糖链分支扩展的糖蛋白在癌细胞表面的增加有助于癌症侵袭和转移，这使得GnT-V成为一个有希望的抗癌药物靶标。此外，观察到MGAT5 mRNA在各种癌症类型中的升高，其中MGAT5基因敲除可以减少肿瘤生长和转移。

Dennis等人在1987年首次报告了MGAT5和癌症转移之间的关系。对细胞系和恶性人类组织的研究显示，GnT-V增加了转移潜力。还观察到，缺乏GnT-V活性的肿瘤细胞生长缓慢，并且与野生型细胞相比具有较低的转移能力。此外，缺乏GnT-V的小鼠不能将N-糖链添加到形成β1,6-连接的甘露糖上，因此不形成三和四分支糖链。此外，缺乏GnT-V的小鼠不能正常发育，并患有自身免疫疾病，如增强的迟发型超敏反应。

Dennis团队还提出，生长因子受体的糖基化使它们更易于与凝集素（如胰岛素样生长因子受体（IGFR）、表皮生长因子受体（EGFR）、转化生长因子β受体（TGF-bR）和血小板衍生生长因子受体（PDGFR)）结合。这导致由糖蛋白和半乳糖凝集素组成的分子格（molecular lattice）的形成，抵抗糖蛋白内吞作用。因此，生长因子受体的糖基化增强了细胞信号传导、迁移和侵袭。

该团队进一步在上皮细胞中证明，蛋白质上的N-糖链数量以及GlcNAc分支活性有助于半乳糖凝集素与细胞膜糖蛋白的N-糖链结合。这需要细胞具有更高的GnT-V的活性形式底物UDP-GlcNAc的可用性。因此，具有大量N-糖链结构的细胞膜糖蛋白，特别是生长因子受体，如成纤维细胞生长因子受体（FGFR）、IGFR、EGFR和PDGFR，具有更高的凝集素结合能力，并且这些糖蛋白在细胞表面的表达增加将是响应UDP-GlcNAc浓度增加的结果。不同的是，带有少量N-糖链结构的细胞表面糖蛋白，如TGF-β和葡萄糖转运蛋白4（GLUT4），则对增加的UDP-GlcNAc反应延迟。这项研究表明，N-糖链的分支可以作为代谢传感器，调节细胞生长和停滞信号。因此，抑制GnT-V可能有助于肿瘤治疗。

核心岩藻糖基化，也称为α1,6-岩藻糖基化，由FUT8（α1,6-岩藻糖转移酶）介导，该酶将岩藻糖残基从GDP-岩藻糖转移到糖基化蛋白N糖链最内部的GlcNAc残基上。这种酶是动物体内发现的唯一的核心岩藻糖转移酶，其在大脑中的活性明显高于其他正常组织。

核心岩藻糖基化的糖蛋白广泛分布于人体组织，并参与多种疾病，如肝细胞癌。研究报道了FUT8表达与肿瘤大小和淋巴结转移之间的直接关联。此外，在非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系中，FUT8的上调被认为有助于癌症转移。相反，在侵袭性肺癌细胞系CL1-5和PC-5中，沉默FUT8可以显著抑制细胞增殖和侵袭，以及抑制小鼠的肿瘤生长和转移。此外，基因芯片和糖基化蛋白质组学研究表明，FUT8可以全局修饰许多参与癌症进展的糖蛋白，如粘附分子、受体和表面抗原。这些发现凸显了FUT8通过多种机制参与癌症进展。此外，核心岩藻糖基化的胎蛋白（AFP-L3）已应用于肝细胞癌的临床诊断，几个岩藻糖基化的糖肽显示出作为潜在癌症标志物的前景。这些核心岩藻糖基化研究的进展对于改进癌症诊断和治疗具有相当大的潜力。

后续综述内容，将持续发布，敬请期待。