方 妍

(福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002)

1 豆類凝集素

豆類凝集素是最大的碳水化合物結(jié)合蛋白家族，其理化和生物學(xué)特性已被廣泛研究。使用更新的生物化學(xué)和生物物理策略對(duì)植物凝集素家族的研究極大地推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，并為研究蛋白質(zhì)-碳水化合物相互作用提供了一個(gè)模型框架。對(duì)豆類凝集素單體的分析表明，它們?cè)谛蛄泻徒Y(jié)構(gòu)上具有很高的相似性，而僅在環(huán)和鏈的長(zhǎng)度上有微小的變化。單體結(jié)構(gòu)顯示膠狀基序，為25-30 kDa的三明治型，包含碳水化合物識(shí)別結(jié)構(gòu)域(CRD)和二價(jià)陽(yáng)離子Ca2+和Mn2+的金屬結(jié)合位點(diǎn)。在一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)上很強(qiáng)的相似性和在四級(jí)結(jié)構(gòu)上顯示出的較大變化影響單體-單體相互作用的變化和蛋白質(zhì)修飾的存在與否，例如糖基化。這些變化因?yàn)橹甘径鄡r(jià)聚糖結(jié)合的特異性，具有功能含義[1-2]。大多數(shù)豆科植物凝集素以均二聚體或均四聚體(二聚體的二聚體)的形式聚集，其穩(wěn)定性歸于疏水作用力、氫鍵和離子鏈。

豆類凝集素被細(xì)分為2個(gè)類別，具有不可區(qū)分的或幾乎不可區(qū)分的亞基，以及具有各種可區(qū)分亞基[3]。另一方面，植物凝集素的初級(jí)序列被用于推斷進(jìn)化的關(guān)系，豆科植物進(jìn)化過(guò)程中是保守的，其廣泛的同源性反映了這些植物之間的分類關(guān)系。例如直接氨基酸測(cè)序顯示野生沙漠豆科植物縊蟶(A.constraca)[4]和特索塔(O.tesota)中凝集素的同源性，以及更多的家養(yǎng)種，如普通豆科植物和球根豆科植物。此外，抗PHA抗體顯示出與來(lái)自縊蟶、普拉克斯和卡拉德尼亞的凝集素的反應(yīng)性[4]。豆類凝集素的抗菌作用見表1。

2 抗菌活性

抗菌素已經(jīng)被用來(lái)治療由細(xì)菌和真菌引起的疾病，然而，越來(lái)越多的導(dǎo)致嚴(yán)重感染的機(jī)會(huì)微生物菌株對(duì)藥物產(chǎn)生耐藥性[5]。微生物耐藥性是一種導(dǎo)致藥物治療有效性降低的遺傳現(xiàn)象，它可能是由微生物繁殖過(guò)程中的基因突變或通過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)、結(jié)合和轉(zhuǎn)化機(jī)制獲得的導(dǎo)入基因引起的。這些基因表達(dá)的蛋白質(zhì)可能通過(guò)不同的機(jī)制直接干擾微生物的生長(zhǎng)、增殖和傳播[6]，就像凝集素的情況一樣，通過(guò)凝集微生物使其固定化。植物凝集素常存在于微生物入侵的潛在部位，它們與真菌結(jié)構(gòu)的結(jié)合抑制了真菌的生長(zhǎng)和萌發(fā)。用大豆和普通扁豆凝集素進(jìn)行的研究為這些作用提供了證據(jù)[7]。凝集素存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核結(jié)構(gòu)中，以及幾乎所有生命王國(guó)的細(xì)胞和組織的細(xì)胞外基質(zhì)中，與細(xì)胞膜表面的糖基成分相互作用的[8]。因此，植物凝集素被認(rèn)為在植物免疫防御中發(fā)揮重要作用，并成為潛在的抗菌藥物治療候選藥物。

2.1 細(xì)菌

凝集素的抗菌活性是由于它們與細(xì)菌細(xì)胞壁的多種復(fù)雜碳水化合物能夠相互作用。人們認(rèn)為，植物凝集素不會(huì)改變膜結(jié)構(gòu)或者膜的通透性，也不會(huì)干擾被微生物入侵的細(xì)胞內(nèi)正常生理過(guò)程，而是會(huì)基于與細(xì)胞壁碳水化合物或細(xì)胞外多糖的相互作用對(duì)其產(chǎn)生間接影響[9]。電子顯微鏡研究表明，用南芥菜凝集素處理促進(jìn)了革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞膜上的毛孔的增多，以及革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁上氣泡的存在形態(tài)的改變[10]。其他報(bào)道稱，凝集素的抗菌活性是通過(guò)凝集素與N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰胞壁酸和四肽的相互作用而發(fā)生的，這些凝集素與存在于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌細(xì)胞壁中的N-乙酰胞壁酸或存在于革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁中的脂多糖相連[11]。除了這些發(fā)現(xiàn)外，來(lái)自刀豆屬，花生，木豆，菜豆和豌豆的豆類凝集素被證明能夠抑制變形鏈球菌的生物膜形成，但對(duì)浮游細(xì)胞的生長(zhǎng)沒有影響 。由于細(xì)菌生物膜通過(guò)增加細(xì)菌對(duì)洗滌劑和抗生素的抵抗力而使消毒過(guò)程更加困難，豆類凝集素對(duì)生物膜形成和發(fā)展的抑制可能是通過(guò)抑制這些蛋白質(zhì)的作用。

表1 豆類凝集素的抗菌作用

2.2 真菌和酵母

盡管有相當(dāng)數(shù)量的凝集素已被鑒定，只有少數(shù)顯示出具有抗真菌作用。由于植物凝集素不能穿透細(xì)胞壁或細(xì)胞膜到達(dá)真菌的細(xì)胞質(zhì)，因此凝集素不太可能直接抑制真菌的生長(zhǎng)。盡管如此，凝集素附著在真菌表面的幾丁質(zhì)和其他聚糖上產(chǎn)生的間接反應(yīng)可能影響真菌存活或其他活動(dòng)[12-13]。

2.3 病毒

具有抗病毒活性的植物凝集素具有重要的治療作用，如對(duì)逆轉(zhuǎn)錄病毒HIV和其他病毒具有顯著的活性，其表面覆蓋有高度糖基化的病毒編碼糖蛋白，例如gp120(含有高甘露糖和/或混合聚糖)和gp41[14]。這些蛋白質(zhì)上的碳水化合物特別重要，因?yàn)榫厶强梢杂米魇共《疽子诒幻庖呦到y(tǒng)識(shí)別的工具，因而易受免疫中和的影響。宿主和來(lái)自病毒包膜的蛋白質(zhì)之間的相互作用也可以被特異性識(shí)別并被結(jié)合多糖的化合物改變。此外，凝集素可以交聯(lián)表面的病毒聚糖，從而防止與其他共受體的相互作用。

大多數(shù)當(dāng)前的抗病毒療法是通過(guò)阻斷病毒的生命周期，或抑制病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞[15]。植物凝集素的抗病毒活性因其碳水化合物的特異性而有很大差異。如冠狀病毒對(duì)甘露糖特異凝集素高度敏感，甘露糖特異凝集素在復(fù)制周期的早期階段干擾病毒的附著，并可以在病毒感染周期結(jié)束時(shí)結(jié)合抑制病毒的發(fā)育[16]。大多數(shù)情況下，將抗病毒凝集素并入陰道和直腸凝膠、乳膏或栓劑中，作為阻止艾滋病傳播的屏障。在這樣的過(guò)程中，凝集素將阻止病毒進(jìn)入和病毒與靶細(xì)胞結(jié)合，從而避免感染。其他非豆科植物凝集素也具有抗病毒活性，包括藍(lán)藻抗病毒蛋白和香蕉凝集素等。幾種豆科凝集素具有抗病毒活性，像劍齒蛇根草凝集素、小扁豆凝集素、蠶豆凝集素、香菜凝集素和紅腰豆凝集素等凝集素與包膜糖蛋白gp120結(jié)合，并通過(guò)與HIV感染細(xì)胞的碳水化合物特異性相互作用來(lái)抑制其感染細(xì)胞與CD4細(xì)胞的融合[17]。此外，G. max凝集素抑制HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶活性[18]。雖然病毒糖蛋白含高甘露糖，但還需要進(jìn)一步的研究來(lái)探索識(shí)別不同糖結(jié)構(gòu)的凝集素，如唾液酸、巖藻糖和n -乙酰氨基葡萄糖，以期在病毒生物學(xué)領(lǐng)域開發(fā)新的方法和治療方法。

3 殺蟲活性

豆科植物凝集素對(duì)包括鞘翅目、雙翅目、鱗翅目、膜翅目、等翅目、脈翅目和同翅目在內(nèi)的多個(gè)科目的昆蟲是有毒的。大量的豆科植物凝集素具有殺蟲活性，包括青霉、蘿卜、黑麥草、單葉皂莢、鐵索他和莫南德拉[19-21]。這些凝集素在昆蟲的不同發(fā)育階段(幼蟲和成蟲)顯示出有害的影響。在這方面，它們可能會(huì)增加死亡率，延緩發(fā)育或成蟲的出現(xiàn)，并且會(huì)降低成蟲的繁殖力。殺蟲凝集素的作用方式：通常，凝集素可以通過(guò)與上皮細(xì)胞的圍食膜(PM)、圍食凝膠(PG)或者刷狀邊緣微絨毛結(jié)合而發(fā)揮毒性作用[22]。在大多數(shù)昆蟲中，PM、PG是一種圍繞食物丸的薄膜，由幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。一些具有殺蟲活性的非豆科凝集素，如根霉菌凝集素和黑穗菌凝集素II，可以通過(guò)紅粉甲蟲、紅錐葉蟲的PM到達(dá)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)空間，這種能力是由分子的尺寸和PM孔隙的電荷和大小決定的[23]。在昆蟲缺乏PM的情況下，凝集素的殺蟲作用可能通過(guò)它們與細(xì)胞上皮存在的糖結(jié)合物的直接相互作用來(lái)發(fā)揮。事實(shí)上，在昆蟲腸道上皮細(xì)胞表面富含糖蛋白對(duì)腸道功能起決定性作用，還提供許多可用于凝集素結(jié)合的目標(biāo)，而凝集素的殺蟲活性依賴于與昆蟲腸道上皮細(xì)胞表面糖的結(jié)合特性；昆蟲中凝集素與不同糖蛋白或糖鏈結(jié)構(gòu)的相互作用干擾昆蟲的重要生理過(guò)程。雖然凝集素的關(guān)鍵受體可以定位在腸上皮細(xì)胞表面，但如果凝集素被內(nèi)化，它們可能與位于細(xì)胞內(nèi)空間的一組新靶點(diǎn)相互作用，從而使凝集素干擾特定的代謝途徑。另外使凝集素避免被昆蟲腸道消化酶降解是讓它在昆蟲體內(nèi)發(fā)揮作用的一個(gè)重要步驟。一些凝集素殺蟲效果的穩(wěn)定性歸因于這些蛋白質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)水解的抗性以及它們?cè)谳^大pH范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。例如，殺蟲凝集素PF2對(duì)昆蟲消化酶的體外蛋白水解具有抗性。這與在酶孵育4h后被消化的PHA-E凝集素形成對(duì)比，因此后者對(duì)該昆蟲沒有毒性 。其他具有殺蟲活性的凝集素具有不同抗蛋白酶水解的共同特征，包括單葉凝集素、歐洲烏賊凝集素和蒙納德拉凝集素。對(duì)消化酶的抵抗程度取決于凝集素與昆蟲腸道糖復(fù)合物結(jié)合的能力。單葉凝集素突變體凝集素缺乏結(jié)合碳水化合物的能力，對(duì)消化酶水解敏感，從而導(dǎo)致毒性喪失[24]。綜上所述，植物凝集素表現(xiàn)出的殺蟲作用是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，它依賴于凝集素的能力來(lái)干擾昆蟲過(guò)程中的關(guān)鍵生理過(guò)程。這種干擾通?？梢酝ㄟ^(guò)缺乏營(yíng)養(yǎng)吸收導(dǎo)致，當(dāng)中腸上皮細(xì)胞由于凝集素與位于細(xì)胞表面或內(nèi)部的靶糖作用而萎縮時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。目前對(duì)昆蟲腸道中靶糖和植物凝集素的識(shí)別研究有多種受細(xì)胞途徑影響的假設(shè)。這些途徑因昆蟲類型和凝集素的不同而不同，與公認(rèn)的多糖或受體類型有關(guān)，并且可能包括能量代謝、氧化還原和離子穩(wěn)態(tài)的效應(yīng)器。

4 結(jié)論

從豆科植物資源中篩選和鑒定新的凝集素能夠發(fā)現(xiàn)具有很大可能將特定的多糖與在各種生物中發(fā)現(xiàn)的糖靶的多樣性區(qū)分開來(lái)的蛋白質(zhì)。豆類凝集素可能是基于具有可變特異性的蛋白質(zhì)-碳水化合物相互作用開發(fā)工具的潛能。以特定細(xì)胞為靶點(diǎn)的凝集素介導(dǎo)的藥物可能成為有前景的抗癌和抗菌治療新方法，這將直接影響經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域，如制藥和食品工業(yè)以及農(nóng)業(yè)。此外，使用凝集素防治害蟲可以提供一種可持續(xù)的害蟲控制形式。需要研究凝集素的作用機(jī)制、效價(jià)與分子特性的關(guān)系，以及它們對(duì)蛋白質(zhì)和基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用等更多的研究來(lái)探索和支持凝集素的廣泛使用。