馮 利，郝永輝，曹 珍

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北石家莊 050091）

凝集素是一組復(fù)雜的非免疫來源的蛋白質(zhì)或糖蛋白，具有至少一個非催化結(jié)構(gòu)域，其可逆、特異性的與單糖、低聚糖和糖綴合物結(jié)合，這些蛋白質(zhì)也被命名為凝集素或紅血球凝集素，它們?yōu)閱误w、同型和異型二聚體、同型和異型四聚體分子，在自然界中廣泛分布（朱月，2005）。凝集素是普遍存在的蛋白質(zhì)，可從病毒、真菌、細菌、無脊椎動物、單細胞生物、動物和植物中分離出來。凝集素與碳水化合物結(jié)合意味著這些蛋白質(zhì)形成了一個大的異構(gòu)群（郭忠武，1997）。研究表明，一些抗菌肽具有凝集素樣活性，即能識別并結(jié)合含碳水化合物的表面分子。盡管植物凝集素已被廣泛研究，但在動物來源中也發(fā)現(xiàn)了凝集素的存在。凝集素的作用包括載體糖蛋白的內(nèi)吞作用、細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運機制、誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡、阻斷HIV感染、調(diào)節(jié)細菌細胞粘附、遷移，以及控制血中蛋白質(zhì)水平等（韓丹等，2013）。凝集素可識別只在病原體中存在的碳水化合物，或在宿主細胞中無法獲得的碳水化合物，被認(rèn)為在免疫系統(tǒng)中具有重要作用。因此，凝集素功能的高度多樣性為其在多個領(lǐng)域的生物技術(shù)應(yīng)用開辟了新的前景，包括人類和動物的健康。本文綜述了植物和動物凝集素的分布、功能和結(jié)構(gòu)特征，重點介紹了凝集素在生物技術(shù)中的研究進展。

1 凝集素的分類與結(jié)構(gòu)特征

1.1 凝集素分類 凝集素在許多植物類群中都有發(fā)現(xiàn)，包括單子葉植物和雙子葉植物，但在豆科和植物發(fā)現(xiàn)最多。凝集素分布于樹皮、球莖、果實、乳膠、葉片、根瘤、整株、韌皮部液、根莖、種子、莖、組織培養(yǎng)、塊莖、花、子房等多種組織中，具有不同的細胞定位和分子特性，許多植物都含有凝集素，如小麥、水稻、土豆、番茄、大豆和大豆等不同的糧食作物（Van Damme等，1998）。植物凝集素在抵御微生物攻擊時發(fā)揮重要作用，這些凝集素已被證明可抑制幾種植物致病性和非致病性真菌的生長，同時，一些植物凝集素的靶點是真菌，其細胞壁中存在幾丁質(zhì)，從而抑制這些微生物的生長發(fā)育（Koo 等，1998）。Lannoo 和 Van Damme（2014）詳細介紹了7個最著名的植物凝集素組，將它們分為具有凝集素結(jié)構(gòu)域的膜結(jié)合蛋白和可溶性蛋白，其中膜結(jié)合凝集素包括凝集素受體激酶，可溶性蛋白包括莧菜素、鈣網(wǎng)蛋白/鈣連蛋白等。

植物凝集素受體激酶（LecRKs）由2個由跨膜區(qū)域分隔的結(jié)構(gòu)域組成：N端細胞外凝集素結(jié)構(gòu)域和C端胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域。根據(jù)其C端區(qū)域的凝集素結(jié)構(gòu)域組成，LecRK蛋白通常分為3種類型 ：G-、C- 和 L -（Singh 和 Zimmerli，2013）。在植物防御方面，莧菜紅素對蚜蟲表現(xiàn)出明顯的作用，在轉(zhuǎn)基因棉花和馬鈴薯中，莧菜紅素誘導(dǎo)蚜蟲顯著死亡，降低了蚜蟲種群增長（Rahbe等，1995）。此外，花椒素相關(guān)凝集素是一組具有一個或多個結(jié)構(gòu)域與花椒素蛋白同源的植物凝集素，其有2個亞家族：半乳糖結(jié)合型和甘露糖結(jié)合型，而與半乳糖結(jié)合的花椒蛋白存在于植物細胞的液泡中，而與甘露糖結(jié)合的花椒蛋白存在于植物細胞的核質(zhì)室中（Peumans等，2000）。

動物凝集素在宿主對微生物防御中發(fā)揮重要作用，它們對真菌的防御作用與宿主反應(yīng)相關(guān)，其中在抗菌防御中，凝集素與成孔活性相關(guān)，導(dǎo)致細菌膜通透（肖敏和徐洪來，2013）。一些凝集素對革蘭氏陽性菌具有特異性，而對革蘭氏陰性菌沒有特異性，這是由于脂多糖對孔活性的抑制。此外，凝集素通過激活抗菌自噬和泡液溶解，在宿主對病原體的防御中發(fā)揮重要作用。在病毒感染中，凝集素會參與結(jié)合和抑制擴散和復(fù)制，并檢測病毒的病原體相關(guān)分子模式（Kawamura等，2014）。相反，一些病毒因凝集素的存在而增殖。

1.2 凝集素的結(jié)構(gòu)特征 植物凝集素由幾個具有保守識別位點的科系組成。許多凝集素的結(jié)構(gòu)已通過X射線衍射得到解決。大多數(shù)情況下，凝集素的三級結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為β-折疊結(jié)合和α-螺旋的存在，α-螺旋也可能不存在。盡管凝集素具有廣泛的結(jié)構(gòu)多樣性，但在每個多肽鏈中至少有一個碳水化合物鏈接的特定位點被觀察到。從豆科植物凝集素中可以發(fā)現(xiàn)，凝集素-碳水化合物相互作用存在一個碳水化合物識別域，該域可能定位于蛋白質(zhì)分子的表面（Elgavish和Shaanan，1997）。在碳水化合物配體活性位點，相互作用模式是由凝集素-碳水化合物復(fù)合體形成所需的氫鍵指導(dǎo)的。一些關(guān)于碳水化合物和植物凝集素的特異性研究表明，大多數(shù)不表現(xiàn)出對單糖有親和力，這種較低的親和力也可在一些與糖蛋白結(jié)合的紅藻凝集素中觀察到，這些凝集素不需要二價陽離子，分子量較低（Rogers和 Hori，1993）。此外，植物凝集素通常以單體、二聚體、三聚體和四聚體的形式出現(xiàn)。另一個有趣的結(jié)構(gòu)特征表明，碳水化合物結(jié)合活性可改善存在的一些離子，如在凝集素組中觀察到Ca2+和Mn2+兩種重要離子的存在，這是糖結(jié)合所必需的。

對動物凝集素進行三維結(jié)構(gòu)鑒定，這些蛋白質(zhì)也存在鈣結(jié)合位點，這似乎主要與結(jié)構(gòu)有關(guān)，而不是與配體結(jié)合（Schrag等，2001）。二價離子在凝集素中可促進結(jié)構(gòu)修飾，在碳水化合物中引起識別，穩(wěn)定配體位點，引導(dǎo)氨基酸在碳水化合物配體中的空間位置，從而解釋了二價離子存在時的生物活性。

2 凝結(jié)素的生物技術(shù)應(yīng)用潛力

近年來，許多研究人員已經(jīng)提出使用大量凝集素作為生物技術(shù)工具，特別是由于它們具有高度特異性能區(qū)分糖。植物和動物凝集素表現(xiàn)出豐富的深袋狀疏水氨基酸區(qū)，這種疏水功能允許凝集素和不同碳水化合物之間相互作用，形成多種功能，如抗菌素作用。Barre等（2002）對42種植物凝集素進行研究顯示，32%的疏水結(jié)構(gòu)相同，表明其具有明顯的結(jié)構(gòu)保守構(gòu)象。但從凝集素中開發(fā)抗生素是一個真正的挑戰(zhàn)，因為凝集素具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)支架和大量的二硫化物鍵，其生產(chǎn)成本高，化學(xué)合成復(fù)雜。一種選擇是生產(chǎn)異源系統(tǒng)，包括細菌載體（如大腸桿菌或枯草芽孢桿菌）或酵母載體（如不同的畢赤酵母），但由于有些凝集素具有殺菌或殺菌劑作用，必須采取選擇性策略來阻止抗菌凝集素對宿主表達載體的影響（Canado等，2013）。另一種選擇是使用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)這些凝集素。農(nóng)業(yè)損失是一個具有挑戰(zhàn)性的經(jīng)濟和糧食安全問題，人口增長和作物病蟲害的出現(xiàn)和蔓延威脅著全球糧食安全，且隨著氣候變化，作物病蟲害顯著增加?？朔≡w危害的策略包括化學(xué)處理、常規(guī)育種和轉(zhuǎn)基因方法，如綜合蟲害管理和使用轉(zhuǎn)基因作物，以避免這些作物的生產(chǎn)損失。表達凝集素基因的轉(zhuǎn)基因植物已被證明具有抗線蟲和昆蟲能力，因為凝集素的表達在轉(zhuǎn)基因植物中可對線蟲產(chǎn)生部分抗性，當(dāng)這些凝集素被引入土壤時，它們有能力減少線蟲引起的土壤灼燒（Burrows等，1998）。但凝集素對線蟲的確切作用機制尚未闡明。此外，一些表達凝集素的轉(zhuǎn)基因植物對多種病原菌也表現(xiàn)出一定的抗性，在這種情況下，通過桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化，將大豆凝集素導(dǎo)入煙草植株，提高對煙草疫霉感染的抗性（Guo等，2013）。因此，凝集素可用于轉(zhuǎn)基因植物的研究。有報告描述，不同凝集素作為有絲分裂劑來鑒定血型，進而檢測細胞轉(zhuǎn)化，如在硫酸糖蛋白激素清除，糖蛋白生物合成控制，免疫系統(tǒng)中的細胞-細胞相互作用，并與各種感染性和自身免疫性疾病的易感性和嚴(yán)重程度相關(guān)（Rajoriya等，2014）。

在抗腫瘤領(lǐng)域，從羅馬螺中分離的凝集素已廣泛應(yīng)用于組織病理學(xué)，因為它與乳腺癌和結(jié)腸癌組織切片的結(jié)合與患者最壞的預(yù)后相關(guān)，其識別含有僅存在于癌細胞系中的表位α- d - n -乙酰半乳糖胺（α-Gal-NAc），而凝集素與兩個與癌癥相關(guān)的包含Gal-NAc的表位抗原復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)表明，凝集素對Gal-NAc的特異性是由于一種特殊的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，其中組氨酸殘基與苷合物發(fā)生疏水接觸，使Gal-NAc在α位置上具有額外的糖或氨基酸成為合理選擇（Lescar等，2007）。

3 小結(jié)

總之，來自動物和植物的凝集素不僅與碳水化合物結(jié)合，而且為生物技術(shù)開辟了新的和不尋常的可能性。它們確實是一種很有前途的自然工具，可以為農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類健康帶來諸多好處。