[科普中国]-凝集素

简介

凝集素是动物细胞和植物细胞都能够合成和分泌的、能与糖结合的蛋白质,在细胞识别和粘着反应中起重要作用,主要是促进细胞间的粘着。凝集素具有一个以上同糖结合的位点，因此能够参与细胞的识别和粘着,将不同的细胞联系起来。

凝集素（Lectin）是指一种从各种植物，无脊椎动物和高等动物中提纯的糖蛋白或结合糖的蛋白，因其能凝集红血球（含血型物质），故名凝集素。其常见种类见表6-1。常用的为植物凝集素（Phytoagglutin, PNA），通常以其被提取的植物命名，如刀豆素A（Conconvalina,ConA）、麦胚素（Wheat germ agglutinin, WGA）、花生凝集素（Peanut agglutinin, PNA）和大豆凝集素（Soybean agglutinin, SBA）等，凝集素是它们的总称。凝集素不是来源或参与免疫反应的产物，凝集素具有的某些“亲合”特性，能被免疫细胞化学技术方法所应用。因此，Ponder（1983）提出应称“凝集素组织化学”而不能称为“凝集素免疫组织化学”1。

虽然人们认为在植物中凝集素的功能是结合细胞表面上的糖蛋白，然而在动物中它的功能也包括结合可溶性的细胞外或细胞内糖蛋白。举例来说，有一种凝集素被发现在哺乳类动物肝细胞的表面上，能够专一性的识别乳糖残基。人们相信这些细胞表面上的接受器是负责将循环系统中的特定糖蛋白移除。另一个例子是甘露糖-6-磷酸接受器能够识别含有此种残基的水解酵素，随后标定这些蛋白将其送至溶小体。它们提供许多不同的生物功能——从细胞附着的调控，到糖蛋白合成，以及血液中蛋白质的浓度。凝集素也能够借由识别仅在病原中发现或是无法进入宿主细胞的的糖类而在免疫系统中扮演重要的角色。

植物凝集素植物凝集素是来源于植物的一类能凝集细胞和沉淀单糖或多糖复合物的非免疫来源的非酶蛋白质。由于其对于单糖或糖复合物特异性结合的能力，使得其在如信号转导、免疫反应、植物防御等诸多信号过程中均具有重要作用。同时植物凝集素具有细胞凝集、抗病毒、抗真菌及诱导细胞凋亡或自噬等多种能力，因此在生命科学、医学及农业方面均有较好的研究价值和应用前景2。

凝集素是指非免疫来源的糖结合蛋白或糖蛋白，并应有使细胞凝集或糖复合物沉淀的能力。此定义包含三个要点：(1) 凝集素是蛋白质或糖蛋白 ；(2) 凝集素必须有专一的与糖基结合的特性，但是排除了免疫来源的针对糖基的抗体 ；(3) 因为规定了能使细胞凝集或是糖复合物沉淀的特性，所以凝集素分子必须具有两个或更多糖结合位点，这样把一些虽有糖结合能力但是糖结合位点仅有一个的酶、转运蛋白、激素、毒素等排除在外。凝集素可以识别糖蛋白和糖脂中复杂的碳水化合物结构，也识别细胞膜表面的糖基，因此，凝集素可以作为研究细胞膜结构的有利工具。此外，凝集素由于具有多价结合能力，能与荧光素、酶、生物素、铁蛋白及胶体金等结合而不影响其生物活性，因此，凝集素也可用于免疫细胞化学的研究，以及肿瘤的诊断评价等。凝集素蛋白至少包含一个可以结合碳水化合物的结构域，基于此，凝集素可以被分成主要的四类，部分凝集素(merolectins)、全凝集素 (hololectins)、超凝集素 (superlectin)以及嵌合凝集素 (chimerolectins)2。

纯化的凝集素对于临床应用非常重要，因为它能够用来鉴定血型。有些存在人类红血球上的糖脂质以及糖蛋白能够经通过凝集素来鉴定。一种来自于双花扁豆（Dolichos biflorus）的凝集素，经鉴定后发现可识别A1血型。来自于植物Ulex europaeus（重瓣刺金雀/荆豆/乌乐树）的凝集素，经鉴定后发现可识别H血型抗原，而来自于植物Vicia gramineae（野豌豆属禾本科）的凝集素则可识别N血型抗原1。

凝集素在植物中的真正功能还有待研究，而是否仅具细胞附着功能依然还有疑问。凝集素在种子中大量表现（通常自种子中纯化），并且随着植物生长而减少，这显示其在植物发芽或种子自我生存中扮演了重要角色。

凝集素被视为免疫系统中的直接演化前身，而且它们至今依然在此扮演重要角色 - 凝集素补体激活途径、甘露糖结合凝集素、S、P、E凝集素,等等。

“高等”凝集素如自然杀手细胞接受器，对于简单的糖类具有较低的专一性，而对于模糊的寡糖结构显示高度亲和性。

豆科植物中的凝集素已被广泛的作为模式生物来了解蛋白质如何识别糖类的分子基础，因为它们相对容易取得而且具有广泛的糖类种类。许多凝集素的晶体结构也揭示了糖类与蛋白质之间的原子作用。

一个凝集素在生物学上强大的例子是生化战剂蓖麻毒素。蓖麻毒素是一种由两个功能结构域所组成而自从蓖麻中纯化的蛋白质。其一是一个能够结合细胞表面上的半乳糖残基而能够使蓖麻毒素进入细胞的凝集素，第二个功能结构域是一个能够将核糖体RNA中的碱基切除的N-glycosidase，该作用会抑制蛋白质的合成，并进而导致细胞死亡。

特性凝集素具有多方面的特性，在此我们仅简要提及其与免疫细胞化学技术方法应用有关的某些特性。我们知道，生物膜中含有一定量的糖类，主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。凝集素最大的特点在于它们能识别糖蛋白和糖肽中，特别是细胞膜中复杂的碳水化合物结构，即细胞膜表面的碳脂化合物决定簇。一种凝集素具有对某一种特异性糖基专一性结合的能力，如刀豆素与α—D—吡喃糖基甘露糖（α—D—Mannopyranosy）结合；麦芽素与N—乙酰糖胺（N—acetyl glucosamine）结合；菜豆凝集素与N—乙酰乳糖胺结合（见本章 表6—1）。 因此，凝集素可以作为一种探针来研究细胞膜上特定的糖基。另一方面，凝集素具有多价结合能力，能与荧光素、生物素、酶、胶体金和铁蛋白等示踪物结合，从而在光镜与/或电镜水平显示其结合部位1。

性质及应用应用一般认为细胞膜上特定的糖基可用以区别细胞的类型和反映细胞在分化、成熟和肿瘤细胞性变中的变化。仅在某些特殊的例子，其细胞结合凝集素的性能可以预先估计，如双花扁豆素之于血型A物质的特异性，荆豆凝集素之于血型O物质2—L—岩藻糖的特异性，然而在绝大多数情况下，关于由凝集素所识别的碳水化合物决定簇的种类，关于携带决定簇的分子的性质和机能，完全凭实验经验去发现。

分类凝集素可按糖的特异性、分子结构、结合位点和其功能进行分类。动物凝集素按分子结构分为C-型凝集素、S-型凝集素、P-型凝集素、I-型凝集素和正五聚蛋白（Pentraxins）。C-型凝集素是Ca2+依赖的凝集素；S-型凝集素是特异性识别β-半乳糖苷键的凝集素；P-型凝集素是特异性识别6磷酸甘露糖的凝集素；I-型凝集素是类似免疫球蛋白的凝集素；正五聚蛋白（Pentraxins）是有五个亚基的凝集素。

性质至今在无脊椎动物体内发现的凝集素均是糖蛋白，糖以共价键形式结合进凝集素中，糖的种类主要包括有甘露糖、氨基葡萄糖、半乳糖，而少见木糖，阿拉伯糖。动物凝集素所含糖的种类和植物、微生物凝集素所含糖的种类不一样，凝集素中蛋白质部分主要由天冬氨酸、丝氨酸和苏氨酸组成，少见含硫氨基酸。与部分凝集素活性相关的金属离子常是Ca2+和Mg2+，这是许多糖进行结合或凝集活动所必需的。很多凝集素(如C一类型凝集素)发生凝集的一个必不可少的条件就是存在Ca2+ 。在赏凝集素(Limulin)中需要C扩+以类钙调素形式进行生理活动;而在Anthocidariscr assispina中，则是Ca2+ 影响凝集素分子构型:Ca2+影响牡蛎凝集素则是通过改变蛋白质构型，而不是直接参与配体结合。有人认为Ca2+ 通过离子键与梭基等作用，以稳定结构，增强氢键和疏水基团的相互作用。

凝集素进行的凝集反应常被单糖所抑制，有的却需某些二糖、三糖或多糖，被抑制的敏感性差别较大。某些典型特效凝集素易被相应血型物质中部分糖类所抑制，如A型血抗原特效的凝集素被N-乙酰-D一半乳糖所抑制;O型特效的凝集素被L一岩藻糖所抑制。凝集素结合糖类的专一性范围不一。少数凝集素的结合范围相当窄。用蛋白酶，如胰蛋白酶、链霉蛋白酶等温和处理凝集素，可使其凝集活动的敏感性得到提高，一些添加剂、金属离子也影响凝集素活动。

研究意义凝集素在动、植物体内广泛存在。凝集素最大的特点是能识别糖蛋白和糖脂中，特别是细胞膜中复杂的碳水化合物结构，即细胞膜表面的糖基。一种凝集素具有只对某一种特异性糖基专一性结合的能力。因此，凝集素可以作为研究细胞膜结构的探针。凝集素在无脊椎动物血液中具有多种生物活性，可以选择凝集各种细胞，对肿瘤细胞有特异性凝集作用等，是免疫防御的重要体液因子之一。另一方面，凝集素具有多价结合能力，能与荧光素、酶、生物素、铁蛋白及胶体金等结合、而不影响其生物活性，可用于光镜或电镜水平的免疫细胞化学研究工作，在探索细胞分化、增生和恶变的生物学演变过程，显示肿瘤相关抗原物质，以及对肿瘤的诊断评价等方面均有一定的价值。此外，植物凝集素在植物体内也具有相当重要的作用，如在种子萌发过程中的作用；作为植物胚细胞的促有丝分裂因子；在作物害虫防治方面表现出的保护功能等等。研究凝集素的特异性有助于以分子或原子层次 (Molecular or atomic level) 了解生命现象或病理变化3。