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病毒与宿主细胞的糖基化修饰及相关功能
向田, 章晓联     
武汉大学病毒学国家重点实验室,湖北省过敏及免疫相关疾病重点实验室,武汉大学医学研究院,武汉大学基础医学院免疫学系,武汉 430071
摘要: 病毒的复制和对宿主的入侵与自身结构蛋白的糖基化修饰密切相关.对于宿主而言,在病毒感染宿主和宿主抗病毒的过程中,宿主的糖基化过程一方面可抑制病毒的复制和入侵,另一方面可促进病毒对宿主的感染,抑制宿主糖苷酶可抑制病毒的复制.从病毒方面来看,由于病毒自身缺乏糖基化修饰系统,病毒的糖基化过程是借宿主细胞内的合成系统对自身进行糖基化修饰.病毒的糖基化过程对病毒蛋白的折叠与稳定、病毒的感染和入侵、参与识别宿主细胞受体和参与病毒的免疫逃逸等过程起着重要的作用.随着糖基化研究技术的发展,以糖基化为基础的功能应用也越来越深入:如新型病毒疫苗和新型抗病毒药物的研制,以糖蛋白质组学研究为基础的质谱技术和生物信息学方法的发展,以及利用糖基化对病毒性疾病的诊断和治疗等,这些均为糖基化深入研究发展奠定了基础.本文就病毒与宿主细胞糖基化过程、相关功能以及研究应用等进展作一综述.
关键词: 糖基化修饰     病毒     宿主    
Glycosylation Modification and Related Functions of Virus and Host Cells
XIANG Tian, ZHANG Xiao-Lian     
State Key Laboratory of Virology, Hubei Province Key Laboratory of Allergy and Immune-Related Diseases, Medical Research Institute, Department of Immunology of Wuhan University School of Basic Medical Sciences, Wuhan 430071, China
*This work was supported by a grant from The National Natural Science Foundation of China(21572173, 31370197)
** Corresponding author: ZHANG Xiao-Lian, Tel: 86-13871445963, E-mail: zhangxiaolian@whu.edu.cn
Received: June 8, 2017 Accepted: September 5, 2017
Abstract: The glycosylation modification of virus structural protein is implicated in virus replication and virus invasion of host cells. For host, in virus infection and host antiviral processes, the host glycosylation process can, on the one hand, inhibit virus replication and invasion, on the other hand promote the virus infection of the host. For virus, as virus lacks glycosylation modification system, viral glycosylation modification process exploits the synthesis system of the host cells. The glycosylation modification of virus plays an important role in viral protein folding, virus infection and invasion of the host, virus recognition of host cell receptors, and is involved in virus immune escape. With the development of glycosylation investigation technology, glycosylation-based functional applications are becoming more and more intensive: such as the development of new viral vaccines and novel antiviral drugs, mass spectrometry and bioinformatic techniques based on glycoprotein proteomics studies, and the application of glycosylation for viral disease diagnosis and treatment, which lay the foundation for further development of glycosylation research. Here we reviewed the virus and host cell glycosylation modification and its related functions and its application.
Key words: glycosylation modification     virus     host    

病毒作为威胁人类健康的罪魁祸首之一,已经引起了人类足够的警觉.在如今糖生物学快速发展的背景下,糖基化在病毒感染宿主和宿主抗病毒免疫方面起到了越来越重要的作用.糖基化是真核细胞中最广泛存在的蛋白质修饰形式之一,对蛋白质的各种性质及多种生理病理过程(例如免疫防御、病毒复制和细胞间的黏附等)具有重要影响[1].糖基化过程是蛋白质与聚糖的翻译后修饰的过程,这一过程普遍存在于真核生物中,参与其必要的代谢过程[2].蛋白质糖基化过程在蛋白质的折叠和分泌、蛋白质-蛋白质、蛋白质-细胞间相互作用中发挥关键作用[3-4].病毒入侵宿主的过程涉及到糖蛋白的参与,病毒依赖于宿主糖蛋白合成机制来完成其感染周期已成为不争的事实[5-7].此外,病毒依靠宿主细胞生物系统合成自身的所有组分,其相关糖基化过程也与人和动物相同,经过复杂的糖基化作用形成.病毒的糖蛋白在感染宿主时,尤其是在识别宿主细胞以及侵入细胞后与细胞内的其他分子相互作用过程中起重要作用,而被侵入的宿主细胞又会通过其表面的糖苷将此信号传递给其他细胞,从而启动免疫应答产生抗病毒生物活性物质或者对免疫应答进行抑制.

1 宿主蛋白的糖基化修饰与病毒感染

由碳水化合物组成的聚糖链是细胞的基本组分之一,通常与细胞表面上的蛋白质或脂质等缀合,通过糖基化过程形成糖共价化合物.虽然哺乳动物体内聚糖结构是保守的,但是其特异性会发生变化,而这些变化可能参与病毒-受体之间的相互作用,决定着特定生物对感染性病原体的易感性[8].糖基化修饰是一个重要的过程,在病毒与宿主细胞受体之间的相互作用中扮演十分重要的角色.从宿主方面来看,宿主的糖基化修饰过程一方面可抑制病毒的复制和入侵,另一方面可促进病毒对宿主的感染.

1.1 宿主蛋白糖基化过程

在真核细胞中,蛋白质糖基化有3个主要途径:N-糖基化、O-糖基化,以及糖基磷脂酰肌醇锚定物(GPI)在多肽C端的糖基化(其中代表性的N-链糖苷和O-链糖苷见图 1).N-链糖苷是通过N-糖苷键以氨基酸残基(通常Asn)的共价形式连接到N原子上的.N-乙酰葡萄糖胺-天冬酰胺(GlcNAc-β-Asn)类型的糖苷代表着大部分N链蛋白糖基化的形式[9].O-链糖苷则是通过O-糖苷键以氨基酸残基(通常Ser或Thr)的共价形式连接到O原子上,N-乙酰半乳糖胺-丝/苏氨酸(GalNAc-α-Ser/Thr)或黏液型O型糖苷则是大部分O链蛋白糖基化形式的代表[10].不同糖基化过程产生的聚糖与细胞中蛋白质或脂质残基的类型有关,当N-糖结合到位于N-X-S/T基序中蛋白质的N残基的特定区域时形成N-聚糖,而O-聚糖则是附着于丝氨酸和苏氨酸残基的特定区域[11].线性糖胺聚糖也是由丝氨酸和苏氨酸连接的,但通常是高度硫酸化[12].另外值得注意的是,脂质糖基化也是糖脂(也称为糖鞘脂,包括有含唾液酸的神经节苷脂)在分泌过程中重要的修饰过程[13].

Fig. 1 Representative N-linked and O-linked glycans on the surface of a cell 图 1 细胞表面代表性的N-糖苷和O-糖苷示意图

在哺乳动物细胞中,N-糖基化的过程起始于内质网,在糖基转移酶的作用下,寡糖被装配连接到目标蛋白的Asn残基上[14].作为蛋白质上的核心结构,寡糖不断地被连接到Man9GlcNAc2结构上,Man9GlcNAc2结构在内质网中被葡萄糖苷酶和α-1, 2半乳糖苷酶剪切成Man8GlcNAc2结构片段,接着被送往高尔基体中[15].进入高尔基体后,在一系列糖苷外切酶和葡萄糖转移酶作用下,将Man8GlcNAc2片段的核心寡糖改造成为糖链的混合物.这些糖基化的修饰,对蛋白质构象的稳定和功能至关重要[16].

另外一种比较常见的糖基化修饰是O-糖基化修饰,它是单个GlcNAc以O-糖苷键与蛋白质的丝氨酸或苏氨酸的羟基相连接,不会形成寡糖链.O-糖基化修饰发生于细胞核和细胞质中,而不是在内质网和高尔基体上,所以被O-GlcNAc修饰的对象为胞浆蛋白或核蛋白.其修饰的整个过程只有N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(OGT)、N-乙酰葡萄糖苷酶(OGA)两种酶催化,是一种动态、可诱导、可调控的修饰方式.

在生物体合成和装配糖复合物的过程中GPI锚蛋白也发挥着重要作用,其主要由3部分组成:磷脂酰肌醇(PI)、糖链和磷脂酰乙醇胺(EtN-P).GPI在生物体内的合成主要分为两步,即首先在内质网膜组装GPI供体,包括合成PI结构、脂酰化等过程,合成后的GPI锚通过转氨酶作用加到相应的蛋白质上,最后经过EtN-p等修饰形成成熟的GPI锚蛋白.经过上述复杂的装配和转移后,形成多样性的糖复合物.

1.2 宿主蛋白聚糖和糖基化修饰可直接影响病毒对宿主的感染

在病毒的致病机制中,宿主的聚糖成分可促进病毒的感染.不同的病毒在入侵宿主后,可能导致机体不一样的结局,病毒的增殖情况和疾病进展取决于病毒和宿主细胞受体之间的相互作用关系.这些相互作用的分子机制可以是一些带电荷的聚糖部分,例如宿主细胞表面的唾液酸成分是一种带电荷的成分,其容易被一些细胞病毒识别,如轮状病毒[17]和流感病毒[18]可能就是通过识别宿主表面的唾液酸组分进行入侵的,而硫酸乙酰肝素则容易被疱疹病毒[19]和细小病毒识别[20],另外一些中性聚糖,如组织血型抗原,容易与轮状病毒[21]和诺瓦病毒[22]结合.此外,一种人类多瘤病毒(JCV)对宿主细胞的感染依赖于与细胞表面天冬酰胺连接的唾液酸和5-羟色胺2A受体(5-HT2AR)的相互作用.宿主细胞的5-HT2AR通过N端的5个潜在糖基化位点参与JCV的结合.而用一种N-连接糖基化抑制剂衣霉素处理5-HT2AR表达细胞后,可明显减少JCV的感染[23].不同的病毒对于聚糖的识别具有显著的多样性,这种不同可能是由遗传差异引起,并决定着病毒在物种间的传播和发病机制.

另一方面,宿主蛋白糖基化修饰有时也可抑制病毒的感染.一种病毒限制因子,BST-2(也被称为tetherin,CD317或HM1.24),是一种干扰素诱导的糖基化蛋白,主要定位于细胞膜,其糖基化过程对机体抵御病毒感染发挥着关键作用.BST-2通过形成二聚体,一端插入病毒包膜中,另一端连接在多囊泡体(MVB)膜上,将病毒阻滞在MVB中,从而抑制病毒的释放[24].在人类免疫缺陷病毒1 (HIV-1) 的研究中发现,BST-2的糖基化可能影响病毒感染的包膜释放功能,如在HIV-1感染体内的巨噬细胞中,用电子显微镜和免疫荧光发现,病毒颗粒在多囊泡体(MVB)重组装聚集,而BST-2能作用于HIV-1,从而抑制HIV-1病毒的作用[25].

1.3 抑制宿主糖苷酶可抑制病毒的复制

α-糖苷酶参与人类N-糖基化通路中聚糖合成途径的第一步,控制一些相关病毒的感染过程,有研究显示,如果抑制宿主的α-糖苷酶后,病毒的复制会得到抑制[26].由于糖苷酶抑制剂不影响蛋白质和核酸的合成,仅仅抑制蛋白质的糖基化过程,可以作为一种良好的抗病毒策略.

另外,在体内、外模型的研究显示,内质网α-糖苷酶的抑制剂是一种有效的抗病毒剂,其主要作用是破坏病毒相关蛋白的糖基化,而避免影响宿主糖基化过程.它的一种活性抑制剂为粟草精胺(CST),其属于四羟基化生物碱,能抑制脱葡萄糖基化过程.在体外的研究表明,CST通过影响病毒糖蛋白的异常成熟等方式,能显著地减少麻疹病毒颗粒的合成[27].此外CST对控制登革热病毒的感染[28]、抑制丙型肝炎病毒的复制等[29]都有重要作用.

值得一提的是,另一种葡萄糖苷酶Ⅰ和Ⅱ的竞争性抑制剂N-DNJ(N-丁基脱氧野尻霉素)对乙型肝炎病毒感染后的包膜有很强的抑制作用[30].此外,N-DNJ也能够在体外抑制HIV进入宿主细胞,影响病毒包膜组分的合成[31].这种作用可能的机制是通过N-DNJ降低HIV病毒包膜蛋白gp120与T淋巴细胞表面的CD4分子的结合,对抑制HIV感染入侵宿主细胞起着重要作用[32].最近有相关报道显示,N-DNJ能够通过抑制埃博拉病毒的装配和分泌从而抑制埃博拉病毒的感染.在抗击埃博拉病毒感染的研究中,N-DNJ化合物的功能和机制研究也在不断的深入[33].

另外,在最近的研究中,有2种亚氨基糖CM-9-78和CM-10-18,均显示出了对登革热病毒的抗病毒活性,通过特异性地抑制葡糖苷酶Ⅰ和Ⅱ,影响登革热病毒的活性[34].葡萄糖苷酶Ⅱ的另一种抑制剂,溴代肾上腺素(BCD)能显著抑制Junin病毒的产生以及病毒蛋白的表达,其机制可能是形成了不稳定的中间体低聚糖,增加了水解敏感度[35].

2 病毒蛋白的糖基化修饰与其功能性质

作为结构简单的原核生物,病毒结构蛋白的糖基化修饰与病毒的生存以及毒力息息相关.但是病毒缺少糖基化修饰系统,它利用寄生宿主(如真核细胞)的糖基化修饰系统合成其病毒的糖蛋白,然后进行包装,形成的病毒颗粒分泌到细胞外.病毒包膜蛋白的糖基化修饰很普遍,病毒的糖苷对于受体的识别、肽链的折叠以及蛋白质的空间构象的形成都起着重要的作用.病毒的糖基化参与了病毒对细胞的识别,促进了病毒与细胞膜融合以及病毒蛋白的分泌,并且诱导机体天然免疫和适应性免疫应答,另外病毒的糖基化也可以诱导机体的免疫耐受.

2.1 病毒糖基化

病毒蛋白是利用宿主的内质网以及高尔基体进行糖苷的修接和加工,以生成病毒粒子所需的糖蛋白和蛋白质.典型的糖蛋白受糖苷酶和糖基转移酶的有序调控,首先生成的是Man5GlcNAc2的聚糖.在高尔基体中的进一步剪接和加工导致了各种各样杂合型和复合型糖苷的产生.所以病毒的糖基化位点呈现多样性,如在HIV中,包膜蛋白gp120有多达20~30个糖基化位点,在丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)和甲型流感病毒(influenza A virus,IAV)中,也有多个糖基化位点.流感病毒的包膜蛋白HA有5~11个不等的糖基化位点,且常位于头部.很多病毒包膜蛋白是以高甘露糖型糖苷为主,同时还有复合型糖苷和唾液酸等结构[36-37].几种常见病毒包膜糖基化情况如表 1所示.

Table 1 Several common viral envelope proteins glycosylation 表 1 几种常见病毒包膜糖基化情况
2.2 糖基化修饰促进病毒蛋白折叠与稳定

蛋白质是发挥生命功能的重要物质,蛋白质的折叠影响着蛋白质的功能,许多生物学过程均可影响蛋白质折叠过程.因糖苷所在部位的不同,或者蛋白质种类和宿主的不同,从而使糖苷对蛋白质折叠的影响有所不同.

有研究表明,糖基化修饰对蛋白质的折叠有着重要的作用,它能稳定折叠后的结构域,增加蛋白质的溶解性,防止蛋白质在折叠中产生不必要的聚集.大部分病毒的表面蛋白或者包膜蛋白都是利用钙锌蛋白和/或钙网蛋白来进行折叠并促使其糖基化修饰[37].在病毒进化的过程中,添加或删除糖基化位点极大地影响病毒生存和传播.一个糖基化位点的变化就可能影响病毒蛋白的折叠构象从而影响整个分子结构.当细胞内的糖基化修饰过程被糖苷酶抑制剂阻断后,一些蛋白质出现错误折叠而失去生物学功能[43].如在HCV的研究中发现,HCV的包膜糖蛋白E1和E2蛋白糖基化缺失后,蛋白质不能转运到膜上或者不能分泌到细胞外[44-45].在乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)的研究中发现,病毒包膜的3种糖蛋白L、M和S抗原糖基化缺失后,乙型肝炎病毒HBV包膜的形成受到抑制.常见病毒包膜蛋白的糖基化缺失对其折叠影响如表 2所示.

Table 2 Glycosylation deletion affect virus envelope protein folding 表 2 病毒包膜蛋白的糖基化缺失对其折叠影响
2.3 糖基化修饰影响病毒的入侵和感染力

病毒入侵宿主细胞的过程包括吸附、穿入、生物合成、装配和裂解等,病毒入侵的过程中,是通过包膜糖蛋白与受体相互作用完成,糖苷在其中发挥着关键作用.在大多数情况下,糖苷作为病毒的受体或者共受体参与到细胞表面黏附和病毒的进入.有研究中发现,流感病毒的HA可以介导病毒对宿主细胞的吸附以及宿主细胞对病毒的内吞作用,其主要是依赖于宿主细胞上唾液酸的多糖受体作用,而当去除特定的糖苷后,会导致流感病毒生长减缓,但致病效应增强[52].流感病毒蛋白糖基化修饰对于维持病毒生命周期非常重要,HA用糖苷酶EndoH消化后,禽类细胞表面α-2, 3唾液酸受体与之结合的亲和性增加,但HA与受体结合的空间位阻增大而导致特异性降低[53].HCV的E1和E2蛋白的糖基化位点可能直接参与了病毒与细胞受体的结合,这种结合对病毒粒子的入侵产生重要的影响,如E1和E2蛋白缺失后,病毒粒子入侵细胞的效率明显降低[54].

病毒感染一方面影响宿主蛋白糖基化,另一方面其自身的糖基化也影响其稳定性和感染能力,N-糖基化在HIV、HCV和流感病毒的感染中参与其稳定性、抗原性和感染性的调节.如果HA裂解位点附近的糖类增加,就可以阻止蛋白酶的裂解和病毒的入侵[55].Klenk等[56]证明受体结合位点糖基化改变了病毒的受体亲和力和结合特异性从而影响病毒的复制和释放.如DC-SIGN是识别登革热病毒(Dengue virus) E蛋白的N-糖基化位点的重要结合受体,该蛋白糖基化位点第67位天冬酰胺缺失后,在哺乳动物细胞内会影响该N-糖苷与DC-SIGN之间的相互作用,从而阻断了病毒与DC之间的抗原提呈,使其无法产生新的感染性颗粒[57-58].表 3展示了部分病毒糖基化修饰对其入侵和感染力的影响.

Table 3 Glycosylation modifications affect viral infection and invasion 表 3 糖基化修饰影响病毒的感染和入侵
2.4 病毒蛋白糖基化参与和宿主细胞的相互识别

宿主的一些模式识别分子可参与病原体糖苷的识别,使病毒内化、降解,在宿主对病毒清除等过程中发挥作用.如一些可溶性的蛋白SP-A和SP-D可能参与宿主对流感病毒的识别并进一步激活补体级联反应;凝集素受体L-ficolin能特异性识别并结合HCV表面的包膜糖蛋白E1和E2,导致HCVcc和HCVpp的中和[60](如表 4所示).反过来病毒蛋白的N-糖苷也是多种病毒结合及侵入细胞的载体.哺乳炎病毒可以引起人类严重的出血热,其感染的关键在于病毒的进入,该过程主要利用其包膜糖蛋白GP1与宿主细胞的受体结合,进而将病毒与靶细胞膜融合[61].甲型流感病毒与宿主的唾液酸受体末端N-乙酰神经氨酸结合,使病毒粒吸附在细胞表面,细胞膜内陷包裹病毒颗粒,通过包涵素依赖的胞饮作用形成内吞体进入细胞[62].HIV感染时,病毒通过与宿主细胞表面甘露糖受体(MMR)结合,将其作为一个潜在的摄取受体从而进入靶细胞[37],病毒附着于这些受体,增加了其感染性.

Table 4 Host receptor recognition of viral glycosides 表 4 宿主受体识别病毒糖苷
2.5 糖基化修饰介导病毒的免疫逃避/耐受

包膜病毒(HBV、HCV和HIV)以及宿主细胞表面和免疫分子均属于含有丰富糖链的糖蛋白.机体对抗原刺激的免疫应答最终均由免疫分子所介导,几乎所有参与固有免疫和适应性免疫的免疫分子均为糖蛋白,且免疫分子合成相关的转录分子也多为糖蛋白,糖基化的过程也能影响抗体的功能和免疫系统的稳态[66].包膜病毒表面有着丰富的糖苷修饰,这些糖苷将病毒关键组分包裹,许多针对病毒的抗体无法直接作用于病毒,而抑制了中和性抗体的作用,参与病毒免疫逃逸[67].HIV的免疫逃逸机制就是其中最有代表性的例子,HIV的gp120分子高度糖基化,其表面的糖基化侧链可以使机体免疫系统误将gp120分子识别为自身分子或者通过空间位阻作用使病毒更易于逃避中和抗体的中和作用[68].天然糖蛋白的抗原表位受糖链的保护,尤其对大分子聚糖而言,蛋白的去糖基化修饰能增强抗体与蛋白的结合能力[50].HCV包膜糖蛋白E1和E2在免疫逃逸、持续感染中发挥重要作用[69-70],章晓联实验室前期发现,HCV的包膜糖蛋白gE2/gE1的某些N-糖基化修饰去除后的缺失突变体,可增强体液免疫和CD8+ CTL功能,说明HCV的包膜糖蛋白上的N-糖苷可影响某些抗原表位而抑制适应性免疫应答,使病毒逃逸机体的免疫攻击[69-70].

另一方面,当有外界压力的筛选时(如中和性抗体存在时),病毒包膜表面的糖蛋白分子可以通过糖苷移位等方式遮盖蛋白质上的抗原位点,从而躲避机体免疫分子等的识别[71].例如,HIV包膜一种重要糖蛋白gp120,其N-糖基化位点突变后(由Asn变为Gln),该位点会发生去糖基化修饰,由此增加机体对gp120的抗原性的识别,这可能的机制是由于突变导致糖基化寡糖链的移除使原来被遮盖的抗原表位暴露[72].尽管HCV的包膜蛋白E1、E2结构相对保守,但是在抗体的选择压力下,其也会发生糖苷的移位等糖基化位点的改变,改变糖基化修饰位点成了HCV发生免疫逃逸的重要手段[73].从进化的角度看,病毒通过改变某些糖基化位点成为病毒逃逸机体免疫系统攻击的重要手段.

3 病毒与宿主蛋白糖基化功能的应用

糖基化是一个复杂的生物学过程,糖基化的功能研究也才刚起步,对于病毒和宿主蛋白糖基化关系的研究也不够成熟,但随着技术的发展,糖基化的研究也会更进一步.在可遇见的未来,利用糖基化研制新型的病毒疫苗或开发一些抗病毒的药物都是一件十分可期待的事,从糖蛋白质组学的研究方面着手,利用质谱技术和生物信息学方法,揭示病毒与宿主间糖基化修饰的过程,也可为病毒与宿主细胞相互作用机制打开新的视野,经糖基化修饰的糖蛋白,在为病毒性疾病的诊断和治疗中提供新的工具.

3.1 新型病毒疫苗的研究

糖基化修饰是一把双刃剑,既有利于宿主对病毒进行识别并清除,又能够成为病毒逃逸宿主免疫的工具.阐明病毒感染过程中蛋白质糖基化修饰的机制,有助于发掘与重要病原感染和免疫逃避相关的糖基化修饰的新型分子靶标,创建以异常糖基化修饰为靶点的抗感染的新策略,也是研发疫苗的新途径.研制疫苗的一个思路是如何打破这种平衡,改变病毒的糖基化修饰,诱导机体产生强有力的中和性抗体并使病毒的免疫反应朝着更利于机体的方向发展.本实验室研究发现,HCV E2上第2个糖基化缺失后能够增强E2蛋白的免疫原性,基于突变体的DNA疫苗能够提供更好的免疫保护反应,并诱导抗HCV感染的中和抗体产生[74].另外,不同于细菌和真菌的糖苷直接覆盖在病原体表面,病毒的糖苷是生物合成中被宿主加工并处理的,一方面以宿主细胞的异常糖基化修饰为靶点,进行新型抗病毒疫苗的研究是一种新的思路[75].另一方面也可以通过基因重组改造这些病毒及其感染的宿主细胞异常糖基转移酶导致的糖基化修饰,以删除遮盖抗原表位的糖链,研发能增强免疫原性的新型糖疫苗.

3.2 抗病毒药物的研究

现代常用的传统抗病毒药物主要是金刚烷胺和利巴韦林等.金刚烷胺是离子通道型阻断剂,通过阻止病毒的脱衣壳来抑制病毒复制,而利巴韦林是一种核苷类药物,它通过干扰病毒复制所需的RNA的代谢而用于抗病毒治疗,但这些药物常引发胃肠道和神经毒副作用等不良反应,而病毒产生的耐药作用也很棘手.考虑到在许多病毒感染过程中糖苷与凝集素相互作用的重要角色,在抗病毒治疗的过程中,以这些相互作用分子作为药物靶点已引起重视,且已经被很多相关的研究所证明并用于抗病毒研究中.

病毒感染的细胞或病毒诱导的肿瘤细胞也常常伴随着糖基转移酶表达水平上升或功能的改变,并参与免疫逃避.针对α-糖苷酶抑制剂的CST和针对葡萄糖苷酶Ⅰ和Ⅱ竞争性抑制剂的N-DNJ等分别能抑制HCV和HIV病毒感染.由于这些糖苷酶的抑制剂并不影响宿主细胞的蛋白质和核酸的合成,仅仅针对于糖基化合成过程,作为抗病毒治疗药物有着广泛的前景[72].

3.3 糖蛋白研究技术的发展

蛋白质的糖基化修饰是一种极其重要的翻译后修饰,细胞中约80%蛋白都有糖基化修饰,主要由位于内质网和高尔基体中的糖基转移酶和糖苷酶有序调控完成.随着糖蛋白质分析鉴定技术的发展,对解析糖链结构和鉴定糖的拓扑结构的研究也在不断的进步[76].常用的糖蛋白质分析技术如下:质谱技术可以高通量、高灵敏度地对生物样品中糖类物质进行糖组学分析;糖基因芯片技术可以用于检测在糖生物合成过程中涉及到的糖相关基因与糖结合蛋白基因的表达情况,以及高通量地研究糖生物合成过程中糖相关基因的变化情况;糖探针技术可在高分辨率下,高特异性且无伤害性地进行病原致病机理的探索等.这些新起的技术不仅有利于揭示蛋白质上发生糖基化修饰的过程,也对病毒感染宿主和宿主抗病毒过程中的机制研究有很高的价值[77].如本实验室通过糖质谱学技术比较分析了肝癌细胞感染HCV前后N-糖链的表达差异,并通过凝集素芯片等技术筛选了一些差异表达的糖蛋白分子,进一步揭示了一种催化活性的岩藻糖基转移酶FUT8在HCV感染过程中扮演的角色[75].

3.4 对疾病的诊断和治疗

机体内蛋白质的糖基化修饰程度的改变可以反映机体生理或病理的状态,一些糖蛋白可参与疾病发生、发展等[78].糖基化修饰可参与一些疾病和肿瘤的发生、发展过程,在疾病的诊断和治疗等方面发挥着重要作用.越来越多的研究表明糖蛋白异常糖基化修饰,尤其是N-糖基化修饰可作为生物标志物用于多种疾病(包括癌症)的诊断和预后评估.在肿瘤的研究中,一些重要的糖蛋白成为诊断的标志物及治疗的靶标,已被用于临床的肿瘤相关抗原糖蛋白,如前列腺癌中的PSA抗原、乳腺癌中的Her2/neu抗原和肝癌中的AFP抗原等[79],这些标志分子在肿瘤的诊断和治疗中扮演着重要的角色.

另外,病毒感染后宿主细胞的N-糖表达谱的变化和糖识别模式的转变在一定程度上可以反映病毒感染的进展,有望作为病毒感染的诊断和治疗的新靶点.如核心岩藻糖修饰的ANXA2与肝癌潜在性转移相关,可以作为预测肝癌转移的分子标记物[75],血清中的ANXA2和甲胎蛋白(AFP)联合起来进行检测,可以大幅度提高肝癌的诊断率[80].总之,随着对糖基化研究的深入,还会有更多、更特异性的抗原糖蛋白标志分子出现,相信攻克难治的疾病和肿瘤的时日也将不会遥远.

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中国科学院生物物理研究所和中国生物物理学会共同主办
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文章信息

向田, 章晓联
XIANG Tian, ZHANG Xiao-Lian
病毒与宿主细胞的糖基化修饰及相关功能
Glycosylation Modification and Related Functions of Virus and Host Cells
生物化学与生物物理进展, 2017, 44(10): 898-907
Progress in Biochemistry and Biophysics, 2017, 44(10): 898-907
http://dx.doi.org/10.16476/j.pibb.2017.0214

文章历史

收稿日期: 2017-06-08
接受日期: 2017-09-05

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