植物凝集素的生物學(xué)功能與應(yīng)用*

王鈺清，邢雪聰，柴許然，楊耀宇，王振義，吳傳芳，鮑錦庫

(四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 610064)

0 引言

植物凝集素存在于大多數(shù)植物中，能與特異碳水化合物可逆結(jié)合，是一種非酶非免疫來源的蛋白或糖蛋白[1]。植物凝集素的研究始于19世紀末，Peter Hermann Stillmark在1888年的博士學(xué)位論文中描述了從蓖麻植物(Ricinuscommunis)種子中分離出一種劇毒血凝素蓖麻毒蛋白(Ricin)[2]。隨后不久Hellin H.在相思豆提取液中也發(fā)現(xiàn)了具有類似毒性的相思豆毒蛋白(Abrin)[3]。同時期 Paul Ehrlich發(fā)現(xiàn)蓖麻毒蛋白和紅豆因可以作為免疫學(xué)研究的模式抗原，具有很高的商業(yè)價值[4]。1936年，Summer和Howell[5]發(fā)現(xiàn)凝集素可以專一性地結(jié)合糖。1960年，Howell又發(fā)現(xiàn)在細胞有絲分裂過程中，植物凝集素起到促進作用[2]。1975年，Becker等首次解析出伴刀豆球蛋白 (Concanavalin A) 的三級結(jié)構(gòu)[2]。目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1 000多種植物凝集素[2]，不同的植物凝集素具有不同的分子結(jié)構(gòu)和生物學(xué)活性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征以及糖結(jié)合特異性等不同分類方法，可以將植物凝集素分成不同的類別[1，6-7](表1)。

植物凝集素特異性的分子識別能力使其在植物防御、信號傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)等各方面發(fā)揮了重要作用。并且由于其特殊的糖及糖復(fù)合物的結(jié)合特性，使得其具有細胞凝集、抗病毒、抗真菌、抗寄生蟲、誘導(dǎo)細胞凋亡或自噬等能力，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)以及生化檢測等方面有著廣泛的科研應(yīng)用前景與商業(yè)價值。

表1 不同分類依據(jù)下的植物凝集素分類

Table 1 Classification of plant lectin according to different base for classification

分類依據(jù)Base for classiffication類型Types亞基的結(jié)構(gòu)特征Structural characteristics of plant lectin subunits部分凝集素、全凝集素、超凝集素、嵌合凝集素Merolectins,hololectins,superlectin,chimerolectins碳水化合物的結(jié)合特異性Carbohydrate binding specificityD甘露糖或D葡萄糖凝集素、N乙酰氨基葡萄糖凝集素、N乙酰氨基半乳糖凝集素、D半乳糖凝集素、L巖藻糖凝集素、N乙酰神經(jīng)氨酸 (唾液酸) 凝集素Dmannose agglutinin or Dglucagglutinin,Nacetylglucosamine agglutinin,N acetylgalactose agglutinin,Dgalactose agglutinin,Lfucosine agglutinin,Nacetylneurine (sialic acid) agglutinin序列相似性及其之間的進化關(guān)系Sequence similarity and evolution-ary relationship雙孢蘑菇家族、莧科植物家族、幾丁質(zhì)酶相關(guān)蛋白家族、藍藻凝集素家族、歐矛家族、雪花蓮家族、橡膠蛋白家族、木菠蘿家族、豆科家族、具有賴氨酸基序的蛋白、煙草凝集素家族、蓖麻毒蛋白B家族Agaricus bisporus agglutinin (ABA),Amaranthin,Chitinaserelated agglutinin (CRA),Cyanovirin,Euonymus euro-paeus,Galanthus nivalis agglutinin,Hevein,Jacalins,Legume lectin,Lysin motif,Nictaba,RicinB families

1 植物凝集素的主要生物學(xué)功能

1.1 特異性的碳水化合物結(jié)合能力

植物凝集素最初被人類發(fā)現(xiàn)是由于其凝結(jié)血細胞造成凝血毒性，隨后的研究揭示了其凝集細胞的作用機制：植物凝集素通常具有兩個或兩個以上的糖結(jié)合位點，可以同時與多個細胞表面的糖受體結(jié)合，使原本游離的單細胞凝集成團(如精子、淋巴細胞、細菌、真菌等)[8-9]。植物凝集素本身不具有催化活性，但是其特異結(jié)合單糖或寡聚糖的能力[10]使其可以結(jié)合在可溶的碳水化合物，或者帶有糖鏈結(jié)構(gòu)的糖蛋白或糖脂等糖綴合物的糖殘基上，從而引發(fā)一系列的下游級聯(lián)反應(yīng)[11]。植物凝集素與受體糖的結(jié)合具有以下特性：(1) 植物凝集素對識別的糖分子種類和構(gòu)象具有特異性(如蓖麻毒素只與含D-半乳糖的凝集素受體結(jié)合)；(2) 植物凝集素對識別的糖分子受體結(jié)合位點周圍的結(jié)構(gòu)具有特異性，即與植物凝集素結(jié)合的受體糖分子結(jié)合位點的大小、形狀、在糖鏈中的位置以及糖苷鍵的類型都會影響植物凝集素與受體糖分子的結(jié)合；(3) 植物凝集素與糖的作用是動態(tài)的，即隨著細胞發(fā)展階段的不同，細胞膜上植物凝集素的結(jié)合位點、種類和數(shù)量都會發(fā)生變化。

1.2 廣泛的抗蟲活性

植物凝集素對鞘翅目、雙翅目、鱗翅目、膜翅目、等翅目和同翅目等多種不同種類的昆蟲都具有殺傷作用[12-13]，盡管尚不完全清楚植物凝集素殺蟲作用的確切機制，但許多研究表明，植物凝集素的碳水化合物識別特性參與了這種作用的介導(dǎo)[13]。植物凝集素與昆蟲的腸道周圍營養(yǎng)層結(jié)構(gòu)或腸道中部的幾丁質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用從而發(fā)揮其毒性，抑制消化吸收，使得昆蟲無法獲得營養(yǎng)，從而導(dǎo)致其死亡[14]。也有其他的報道表明，植物凝集素還可以通過減少昆蟲食量、干擾昆蟲血淋巴中存在的內(nèi)源性凝集素作用、抑制細胞增殖等方式對昆蟲造成傷害[15-16]。不論植物凝集素究竟如何發(fā)揮其毒性，都必須規(guī)避消化酶對其的降解，并顯示對昆蟲腸道中同化蛋白的抗性，這些與植物凝集素結(jié)合昆蟲腸道糖綴合物的能力密不可分[13]。

此外，植物凝集素還具有抗寄生蟲活性。目前有報道稱少數(shù)幾種植物凝集素具有抗寄生蟲活性，如木菠蘿素可以用于治療克氏錐蟲的感染[17]，其通過與寄生蟲中存在的特定碳水化合物結(jié)合，從而對該碳水化合物的生物過程造成干擾[18]。

1.3 獨特的抗細菌、抗真菌、抗病毒活性

除了殺蟲特性外，植物凝集素還對多種細菌、真菌和病毒具有抗性。植物凝集素通過結(jié)合在微生物入侵的作用位點，與微生物細胞膜表面的糖組分相互作用來達到抑制微生物粘附、遷移或生長的作用[19]，盡管凝集素不能改變膜的結(jié)構(gòu)和滲透性，或阻斷微生物入侵細胞的過程，但它們通過對微生物凝集和固定化等方式來輔助宿主殺滅這些侵入的微生物[13]。

植物凝集素抗真菌活性主要通過與真菌表面的幾丁質(zhì)和其他聚糖結(jié)合影響真菌的存活或其他生命活動，從而表現(xiàn)出殺菌作用。如植物凝集素附著于菌絲后，影響?zhàn)B分吸收和孢子萌發(fā)[13，20]；植物凝集素的結(jié)合還可引起殼質(zhì)在細胞壁中的合成或沉積[21]。同時，植物凝集素還可以引起菌絲的膨大，細胞空泡化以及菌絲細胞壁的溶解，增加真菌對滲透壓等各種脅迫條件的敏感性[20-22]。

植物凝集素對病毒的抵抗活性主要通過結(jié)合病毒包膜糖蛋白上存在的聚糖，阻止其傳播和滲透進入宿主細胞[23-24]。此外，植物凝集素還可以通過交聯(lián)病毒的表面聚糖，阻止其與其他共受體相互作用。不同的植物凝集素具有不同的抗病毒活性及能力，這取決于其碳水化合物結(jié)合特異性[25-26]。

1.4 潛在應(yīng)用前景的抗腫瘤活性

關(guān)于植物凝集素能夠誘導(dǎo)哺乳動物細胞，特別是腫瘤細胞凋亡的報道可以追溯至20世紀90年代，植物凝集素通過Caspase途徑或線粒體途徑誘導(dǎo)細胞凋亡和自噬來達到抗腫瘤活性的目的[13]，抑制腫瘤血管生成[27]或阻斷細胞周期[28]等方式也有報道。近年來關(guān)于植物凝集素抗腫瘤活性的研究主要集中于應(yīng)用方面，在腫瘤檢測、靶向載體、免疫佐劑等方面都展現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)用前景，而關(guān)于作用機理的研究大多集中在10年前(表2)。

表2 主要植物凝集素的抗腫瘤活性研究統(tǒng)計

Table 2 Statistics of anticancer activity of major phytolectins

類別Class名稱Name細胞系Cell line凋亡活自噬途徑Apoptotic or autophagic pathways報道時間Published time豆科植物凝集素Legume lectin伴刀豆蛋白AConcanavalin A (Con A)人黑色素瘤細胞A375Human melanoma cell A375Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[29]人白血病細胞HL60、人急性淋巴細胞白血病細胞Molt4Human leukemia cell HL60 and acute lympho-blastic cell Molt4線粒體膜電位途徑Collapse of mitochondrial potential2012[30]刀豆蛋白BrCanavalia brasiliensis (ConBr)人白血病細胞 Molt4和HL60細胞系Human leukemia cell Molt4 and cell line HL60線粒體膜電位途徑Collapse of mitochondrial potential2012[30]大豆凝集素Soybean agglutinin(SBA)人組織細胞淋巴瘤細胞U937、急性早幼粒白血病細胞HL60Human cultured monocytelike cell line U937,human leukaemia cell HL60抑制生長和DNA合成Reduced the growth and DNA syn-thesis2001[28]苦參凝集素Sophora flavescenslectin (SFL)道爾頓氏淋巴瘤(DL)攜帶小鼠Dalton's lymphoma (DL) bearing mice活性氧依賴凋亡途徑ROSdependent apoptosis pathway2014[31]豌豆凝集素Pisum sativumagglutinin (PSA)人宮頸癌細胞HeLaHuman cervical cancer cell HeLaCaspase依賴的死亡受體途徑Caspasedependent apoptosis mechanism2008[32]艾氏腹水癌細胞Ehrlich ascites carcinoma cellG2/M期細胞周期阻斷,誘導(dǎo)凋亡途徑G2/M cell cycle block,and induced apoptosis pathway2013[33]菜豆凝集素Phaseolus vulgarisagglutinin (PHA)人乳腺癌細胞MCF7Human breast cancer cell MCF7死亡受體依賴的凋亡途徑Death receptormediated apoptosis pathway2010[34]相思子凝集素Abrus agglutinin(AGG)道爾頓淋巴瘤Dalton's lymphoma tumor model降低Bcl2和Bax蛋白的表達比例,釋放細胞色素c激活caspase3Apoptosis was mediated by reduction in ratio of Bcl2 and Bax protein ex-pression,and activation of caspase3 through release of cytochromec2008[35]人肝癌細胞HepG2和人角質(zhì)形成細胞HaCaTHuman hepatoma cell HepG2 and the immortal-ized human keratinocyte cell HaCaTCaspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2014[36]人臍靜脈內(nèi)皮細胞HUVECs和人乳腺癌細胞MDAMB231Human umbilical vein endothelial cell HUVECs and human breast cancer cell MDAMB231活性氧依賴凋亡途徑ROSdependent apoptosis pathway2016[37]

續(xù)表2

Continued table 2

類別Class名稱Name細胞系Cell line凋亡活自噬途徑Apoptotic or autophagic pathways報道時間Published time人咽鱗癌細胞FaDuHuman pharyngeal squamous cancer cell FaDu活性氧依賴凋亡途徑ROSdependent apoptosis pathway2017[38]人宮頸癌細胞HeLaHuman cervical cancer cell HeLa通過活性氧的產(chǎn)生誘導(dǎo)細胞凋亡信號,降低Bcl2/Bax比值,從而誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)變,進而激活caspase3Induced the apoptosis signal via gen-eration of reactive oxygen species and decrease in the Bcl2/Bax ratio thereby inducing mitochondrial per-meability transition with consequent activation of caspase32008[39]黃芪凝集素Astragalus mongholicus lectin (AML)人宮頸癌細胞系HeLa、人成骨樣細胞系MG63、人白血病細胞系K562Human cervical carcinoma cell line (HeLa),human osteoblastlike cell line (MG63) and human leukemia cell line (K562)細胞周期阻斷Cell cycle arrest2009[40]荷包豆凝集素Phaseolus coccineus L.lectin (PCL)鼠纖維肉瘤細胞L929Mouse fibrosarcoma cell L929Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[41]鼻咽癌細胞系HONE1Nasopharyngeal carcinoma cell line HONE1細胞周期阻滯和外源凋亡途徑Cell cycle arrest and extrinsic apopto-sis pathway2016[42]白蕓豆凝集素White kidney bean lectin (WKBL)人肝癌細胞HepG2、人乳腺癌細胞MCF7和肝細胞WRL68Human hepatoma cell HepG2,human breast cancer cell MCF7 and hepatocytes WRL68Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2016[42]花生凝集素Peanut agglutinin(PNA)人宮頸癌細胞HeLa和道爾頓淋巴瘤小鼠模型Human cervical cancer cell HeLa and Dalton's lymphoma (DL) bearing mice model活性氧依賴凋亡途徑ROSdependent apoptosis pathway2014[43]百脈根凝集素Lotus corniculatuslectin (LCL)人急性髓性白血病THP1Human leukemic cancer cell THP1細胞周期阻斷Cell cycle arrest2013[44]人肝癌細胞Hep3BHuman hepatocellular carcinomas cell Hep3B活性氧(ROS)顯著增加,線粒體膜丟失。線粒體過渡滲透率劇變(MTP)、Bax易位、細胞色素c釋放、caspase3活性和PARP降解Significant increase in reactive oxy-gen species (ROS) and loss of mito-chondrial membrane potential rapid changes in mitochondrial transition permeability (MTP),Bax transloca-tion,cytochrome c release,caspase3 activity,and PARP degradation2004[45]Ⅱ型核糖體失活蛋白Type Ⅱ ribo-some inactivating protein槲寄生凝集素Mistletoe lectin (ML)人唾液腺腫瘤細胞A253Human salivary adenoma tumor cellA253通過活化caspase3誘導(dǎo)凋亡細胞死亡,通過轉(zhuǎn)錄下調(diào)hTERT抑制端粒酶活性Activation of caspase3 and the inhi-bition of telomerase activity through transcriptional downregulation of hTERT2004[46]CLY/HT29下調(diào)特定miRNADown regulated specific miRNA2010[47]人外周血單核細胞Human peripheral blood monouclear cell (PBMC)Caspase和MAPK依賴途徑Caspasedependent pathway and MAPKdependent pathway2011[48]

續(xù)表2

Continued table 2

類別Class名稱Name細胞系Cell line凋亡活自噬途徑Apoptotic or autophagic pathways報道時間Published time人白血病T淋巴細胞Jurkat、B淋巴細胞BJABHuman leukemic T lymphocyte Jurkat and B lymphocyte BJAB不依賴受體的線粒體途徑以及Caspase依賴的凋亡途徑Receptorindependent mitochondriacontrolled apoptosis pathway and caspasedependent apoptosis pathway2018[49]人肝癌細胞SMMC7721Human hepatoma cell SMMC7721Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2012[50]米糠凝集素Rice bran agglutinin (RBA)人單核細胞白血病細胞U937Human monoblastic leukemia cell U937 細胞周期阻斷及Caspase依賴的凋亡途徑Antiproliferative activity and caspasedependent apoptosis pathway2001[51]苦瓜凝集素Momordica charantia lectin(MCL)鼻咽癌細胞CNE1 和 CNE2Nasopharyngeal carcinoma (NPC) cells CNE1 and CNE2G(1)期細胞周期阻斷,線粒體損傷,Caspase和MAPK途徑G(1)phase arrest,and mitochondri-al injury,caspasedependent pathway and MAPKdependent pathway2012[52]蓖麻毒蛋白Ricin霍奇金淋巴瘤細胞L540Human Hodgkin's lymphomaderived cell line L540Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[53]幾丁質(zhì)結(jié)合凝集素Chitinbinding lectin小麥胚芽凝集素Wheat germ aggluti-nin (WGA)F344大鼠結(jié)腸癌Colon carcinogenesis in F344 rats減少腫瘤數(shù)量Reduce the number of tumors2001[54]馬鈴薯凝集素Solanum tuberosum lectin (STL)人骨髓白血病細胞系U937Human myeloid leukaemia cell line U937抗增殖活性Antiproliferative activity2014[55]雪花蓮類似凝集素Galanthus nival-is agglutinin(GNA)大蒜凝集素Allium sativumLlectin (ASL)人組織細胞淋巴瘤細胞U937、急性早幼粒白血病細胞HL60Human cultured monocyte like cell lineU937,human leukaemia cell HL60抑制生長和DNA合成Reduced the growth and DNA syn-thesis2001[28]黃精凝集素Polygonatum cyrtonema lectin (PCL)人宮頸癌細胞HeLaHuman cervical cancer cell HeLa凋亡途徑Apoptosis pathway2008[56]人類黑色素瘤細胞A375Human melanoma cell A375線粒體介導(dǎo)的ROSp38p53途徑Mitochondriamediated ROSp38p53 pathway2008[57]人非小細胞肺癌細胞A549Human lung adenocarcinoma cell A549活性氧介導(dǎo)MAPK和NF κB激活Reactive oxygen species mediated MAPK and NFκB activation2016[58]金縷梅凝集素Lycoris aureaagglutinin (LAA)人乳腺癌細胞MCF7Human breast cancer cell MCF7Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[59]人非小細胞肺癌細胞A549Human lung adenocarcinoma cell A549G2/M細胞周期阻斷以及抑制PI3KAkt存活途徑G2/M cell cycle arrest and inhibiting PI3KAkt survival pathway2013[60]麥冬凝集素Ophiopogon japonicuslectin (OJL)人乳腺癌細胞MCF7Human breast cancer cell MCF7Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[59]羊耳蒜凝集素Liparis noversa lectin (LNL)人乳腺癌細胞MCF7Human breast cancer cell MCF7Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2009[59]

續(xù)表2

Continued table 2

類別Class名稱Name細胞系Cell line凋亡活自噬途徑Apoptotic or autophagic pathways報道時間Published time玉竹凝集素Polygonatum odoratum lectin (POL)人非小細胞肺癌細胞A549Human nonsmall cell lung cancer A549 cells抑制AktNFκB通路以及活性氧依賴凋亡途徑Inhibiting AktNFκB pathway and ROSrelated apoptosis pathway2014[61]鼠纖維肉瘤細胞L929Murine fibrosarcoma cell L929增加FasL和FADD相關(guān)蛋白水平,導(dǎo)致caspase8活化、線粒體跨膜電位崩潰和細胞色素c釋放,導(dǎo)致caspase9和caspase3活化Increased the levels of FasL and FasAssociated protein with Death Do-main (FADD) proteins and resulted in caspase8 activation,mitochondrial transmembrane potential collapse and cytochrome c release,leading to acti-vations of caspase9 and caspase32009[62]木菠蘿凝集素Jacalin面包樹果實凝集素Frutalin (FTL)人宮頸癌細胞HeLaHuman cervical cancer cell HeLa細胞毒性Cytotoxic effects2011[63]香蕉凝集素Musa acuminata(Del Monte banana) lectin (BanLec)鼠白血病細胞L1210Leukemia cell L1210死亡受體介導(dǎo)凋亡途徑Death receptormediated apoptosis pathway2009[64]人肝癌細胞Hep3BHuman hepatoma cell Hep3B 死亡受體介導(dǎo)凋亡途徑Death receptormediated apoptosis pathway2009[64]桑葉凝集素Morus alba leaf lectin (MLL)人乳腺癌細胞MCF7Human breast cancer cells MCF7抑制纖維連接蛋白介導(dǎo)的整合素FAK信號以及Ras和P38 MAPK的激活I(lǐng)nhibiting fibronectin mediated inte-grinFAK signaling through ras and activation of P38 MAPK2017[65]菠蘿蜜凝集素Artocarpus heterophyllus (Jackfruit) lectin (ArtinM)白血病細胞系NB4,K562,U937leukemia cell lines NB4,K562,U937細胞生長抑制和線粒體膜電位破壞Cell growth suppression and disrup-tion of mitochondrial membrane po-tential2011[66]單子植物甘露糖結(jié)合凝集素Monad mannose binding lectin半夏凝集素Pinellia ternataagglutinin (PTA)人肝癌細胞Bel7404Human hepatoma cell Bel7404細胞毒性Cytotoxicity2014[67]川木通凝集素Clem-atis montanalectin (CML)鼠纖維肉瘤細胞L929Murine fibrosarcoma cell L929Caspase依賴的凋亡途徑Caspasedependent apoptosis path-way2014[68]

1.5 良好的免疫活性

先天免疫系統(tǒng)是抵御各種病原體感染的第一道防線。該系統(tǒng)由少數(shù)蛋白質(zhì)和某些吞噬細胞組成，這些吞噬細胞識別特定的病原相關(guān)模式分子(PAMPs)引發(fā)免疫反應(yīng)。宿主先天免疫的激活是機體對任何病原體產(chǎn)生特異性免疫的前提。植物凝集素作為識別這些病原相關(guān)模式分子的識別受體(PRRs)，在植物防御中發(fā)揮著重要作用，同時在動物體內(nèi)也可以作為良好的先天免疫調(diào)節(jié)劑。它們能夠調(diào)節(jié)細胞因子的分泌和其他免疫介質(zhì)的產(chǎn)生，例如活性氧(ROS)和活性氮中間體(RNI)，以提高宿主抵抗微生物感染的防御能力[69-70]。

植物凝集素介導(dǎo)的免疫活性可以通過以下兩種方式表現(xiàn)出來：(1)植物凝集素通過直接結(jié)合在細菌細胞表面，抑制細菌與宿主細胞的結(jié)合。(2)植物凝集素結(jié)合到免疫細胞表面，誘導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活免疫反應(yīng)[71]。這些植物凝集素具有增強免疫細胞吞噬活性的能力，從而抵抗細菌感染后細胞因子的產(chǎn)生[72]。如Con A在鼠類巨噬細胞中可以通過JNK、p38和NF-κB依賴性信號傳導(dǎo)途徑增加各Toll樣受體(TLR)的表達[70-73]。ConBr在鼠脾細胞中誘導(dǎo)了IL-2、IL-6和IFN-γ等細胞因子的產(chǎn)生，但卻抑制了IL-10，并產(chǎn)生了NO[74]，它還在體內(nèi)激活淋巴細胞，引起凋亡，并且在外周血單核細胞(PBMC)中產(chǎn)生TNF-α，并從肥大細胞中釋放組胺[75-76]。這些都顯示其具有良好的免疫活性。

2 植物凝集素的應(yīng)用

2.1 植物凝集素在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

關(guān)于植物凝集素在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，報道最多的是抗腫瘤藥物的相關(guān)研發(fā)，目前主要集中在將植物凝集素作為免疫佐劑或載體制劑方面。在藥物研發(fā)中，利用植物凝集素與糖鏈特異性結(jié)合的特性，可以使藥物靶向結(jié)合到相應(yīng)的腫瘤細胞表面[77]。許多腫瘤組織中都存在異常的糖基化，從而可以將載有抗癌藥物的納米顆粒表面連接上植物凝集素或者抗體，進一步將藥物靶向結(jié)合到腫瘤細胞表面[77]，以增強對腫瘤細胞的殺傷力，減少副作用[77-78]。

除了在載體制劑中的應(yīng)用外，許多植物凝集素在體外實驗中都有直接抑制腫瘤細胞生長的作用。研究發(fā)現(xiàn)槲寄生凝集素可以通過下調(diào)Bcl-2,調(diào)節(jié)細胞色素C的釋放，通過線粒體途徑引起膽管癌細胞ICC-9810的細胞凋亡[79]。人乳腺癌細胞系(MCF-7,231)以及人肝癌細胞系(HepG2)在菜豆凝集素的作用下，生長狀況也受到抑制，且具有劑量依賴性[80]。一種從曲序南星(Arisaematortuosum)中提取的凝集素，也被證實對人癌細胞系HT29、SiHa 和OVCAR-5有抑制作用[81]。

同樣地，由于腫瘤細胞中存在異常糖基化，這些異常的糖蛋白可以作為腫瘤的生物標志物，利用植物凝集素與糖鏈特異性結(jié)合的特點，可以開發(fā)檢測這些腫瘤生物標志物的試劑[78]。植物凝集素芯片是植物凝集素研究發(fā)展的產(chǎn)物，它可以快速且靈敏地對各種聚糖進行高通量的檢測。芯片表面上固定有不同的已知植物凝集素，這些植物凝集素會與待測樣品中的寡糖特異性結(jié)合，對與樣品結(jié)合后的芯片進行掃描，可以得到點陣數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)和已知植物凝集素的寡糖結(jié)合特異性進行分析，從而推斷出樣品中寡糖的組成[82]。植物凝集素的應(yīng)用還可以為臨床上疾病的診斷提供證據(jù)。例如由于肝細胞癌患者的唾液糖蛋白糖鏈發(fā)生改變，因此特異性結(jié)合巖藻糖基的凝集素AAL對肝癌患者的唾液糖蛋白結(jié)合能力減弱，由此可以區(qū)分肝細胞癌患者和乙肝患者或者乙肝后肝硬化患者[83]。

除在腫瘤醫(yī)學(xué)方面的作用外，植物凝集素在其他醫(yī)學(xué)方面也顯示出重要作用。在抗病毒方面，研究表明，不同的植物凝集素可以抑制HIV的侵入、逆轉(zhuǎn)錄或是整合等生物學(xué)過程，從而達到抗HIV的作用[84]。針對外源植物凝集素在臨床應(yīng)用中可能面臨的免疫原性和促淋巴細胞有絲分裂活性等副作用，可采用定點突變技術(shù)獲得低免疫原性的凝集素[84]。在生殖醫(yī)學(xué)方面，植物凝集素也展現(xiàn)出避孕和抗早孕的作用，有文獻證實，植物凝集素可以導(dǎo)致精子在體外相互凝集，失去運動能力，從而阻止受精[85]。有學(xué)者認為，植物凝集素可以通過干擾精子與透明帶的識別結(jié)合，干擾胚胎著床以及使胚胎發(fā)育停止或退化等機制來達到避孕效果[86]。植物凝集素還可以作為免疫調(diào)節(jié)佐劑添加進疫苗中，以增強和指導(dǎo)針對特定疾病的免疫反應(yīng)[87]。同時一些植物凝集素(如SBA、PNA、Con A和PHA等)還可以與巨噬細胞或樹突狀細胞上的糖基化TLR受體相互作用，因此可以作為TLR激動劑使用[88-89]。

2.2 植物凝集素在分析測試方法中的應(yīng)用

近年來，植物凝集素已廣泛用于結(jié)構(gòu)和功能糖組學(xué)領(lǐng)域。與儀器技術(shù)相比，植物凝集素的特異性和敏感性使其進一步成為生化檢測的重要工具[90]。

2.2.1 酶聯(lián)凝集素測定(ELLA)技術(shù)

酶聯(lián)凝集素測定法可以用于檢測未固定細胞表面的特定碳水化合物單元。該測定采用酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)的原理，唯一的不同就是將ELISA中的抗體替換為植物凝集素。因為植物凝集素對寡糖的不同結(jié)構(gòu)具有很高的特異性，因此ELLA技術(shù)可用于檢測各種組織樣品中的寡糖表達譜。該技術(shù)使用樣本較少且具有高通量潛力，易于操作，成本低[91]。

2.2.2 凝集素印跡技術(shù)

凝集素印跡技術(shù)是蛋白質(zhì)印跡技術(shù)的擴展，其中唯一的不同就是將蛋白質(zhì)印跡技術(shù)中的抗體替換為植物凝集素。使用不同的聚糖特異性凝集素探針檢測聚糖結(jié)構(gòu)，具有高特異性、高敏感性，而且可以非常方便地篩選復(fù)雜蛋白質(zhì)樣品[92]。

2.2.3 固定凝集素親和色譜技術(shù)

固定化凝集素親和色譜技術(shù)是一種可用于糖蛋白分離和富集的方法。植物凝集素的固定化和糖蛋白的結(jié)合洗脫是這一技術(shù)的關(guān)鍵。使用質(zhì)譜分析可以鑒定許多蛋白質(zhì)的特異性糖基化位點[93]。

2.2.4 基于凝集素陣列的聚糖譜分析

生物識別元件的研究為基于凝集素陣列的聚糖譜分析技術(shù)打下基礎(chǔ)[94]。凝集素陣列技術(shù)可以快速靈敏地表征糖結(jié)合物上的碳水化合物。通過使用固定在固相支持物上的高密度植物凝集素，可以檢測單個樣品中糖蛋白或糖脂中碳水化合物含量的不同[91]。

2.2.5 流式細胞儀

流式細胞儀是一項強大的技術(shù)，能夠?qū)旌衔镏胁煌愋图毎慕Y(jié)構(gòu)特征進行定量，而某些類型細胞的獨特細胞表面聚糖結(jié)構(gòu)，可以通過使用經(jīng)過化學(xué)修飾的植物凝集素來輔助流式細胞儀進行表征[95]，該技術(shù)也可用于細胞分選。

2.2.6 電化學(xué)阻抗譜技術(shù)(EIS)

通過將植物凝集素用作分子識別元件而開發(fā)的電化學(xué)阻抗譜技術(shù)，具有靈敏度好、特異性高、穩(wěn)定性好等特點，可用于制成便攜的生物傳感系統(tǒng)，是一種通過識別碳水化合物來進行分子表征、檢測表面改性、生物識別的有效工具[96]。該技術(shù)可以方便地鑒定區(qū)分甲胎蛋白[97]。

2.3 植物凝集素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.3.1 轉(zhuǎn)凝集素基因獲得抗性植株

很多植物本身含有凝集素，而且在對抗捕食者的過程中擁有不俗的效果，而通常情況下植物內(nèi)源凝集素對其自身沒有影響，只是對昆蟲具有毒性。因此可以通過轉(zhuǎn)基因的方法，將某些特定的植物凝集素導(dǎo)入到其他植物中使其獲得抗蟲特性。其中，豆科植物一直是凝集素的最大貢獻物種，例如將從豆科植物國槐中克隆的凝集素基因轉(zhuǎn)入到煙草中，可以使煙草對小菜蛾的抗性達到62.2%，同時大豆凝集素基因lec-s的煙草實驗也證明其對甜菜夜蛾有很大的抑制作用。類似地，凝集素也可以被應(yīng)用到水稻、油菜、馬鈴薯、甜菜、煙草、小麥番茄中去[98-99]，以增強特定物種對多種菌株的抗菌活性。除直接轉(zhuǎn)基因到其他物種中，凝集素轉(zhuǎn)基因制品也可以用于幫助植株抵御病蟲害，例如利用pET-28a質(zhì)粒構(gòu)建豆科凝集素Le4基因的原核表達載體，再將得到的凝集素產(chǎn)物涂在小麥葉片上，可以很好地抵御蚜蟲的侵擾[100]。

2.3.2 轉(zhuǎn)凝集素基因提高生物固氮能力

根瘤菌是一種專一性寄生菌，可以輔助豆科植物固氮。而豆科植物的凝集素可以促進根瘤菌結(jié)合附著在含有豆科凝集素的植物根部[101]，在共生固氮中具有引導(dǎo)作用[102-103]。如利用基因工程技術(shù)將豇豆凝集素基因(psl)轉(zhuǎn)導(dǎo)入白三葉草根中之后，對豇豆根毛專一結(jié)合的根瘤菌也可以結(jié)合到白三葉草根中。這為將根瘤菌定植到其他非豆科植物，引導(dǎo)共生固氮提供思路[104]。將豆科凝集素基因轉(zhuǎn)入擬南芥、煙草、苜蓿、水稻、沙棘等植物均可以使其成功結(jié)瘤或長出瘤狀類似物[105]，證明凝集素引導(dǎo)共生固氮具有普適性。因此轉(zhuǎn)凝集素基因獲得固氮植株在減少化肥施用、增加作物產(chǎn)量、提升效率和保護環(huán)境等方面都具有很好的前景。

3 展望

植物凝集素具有特異性識別糖鏈的作用，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等多個領(lǐng)域都有大量的研究成果，具有廣泛的研究前景。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，植物凝集素主要被用于開發(fā)診斷試劑或芯片、靶向藥物載體、免疫佐劑等方面，具有很高的經(jīng)濟及研究價值，但不可否認的是，在對腫瘤細胞有抑制作用的同時，有些植物凝集素對正常的細胞也有很強的毒性[2]。因此，將植物凝集素作為藥物前體進行修飾和改造，從而研發(fā)新藥將成為未來的研究熱點。

在農(nóng)業(yè)上，利用基因工程將凝集素基因轉(zhuǎn)入農(nóng)作物中，從而構(gòu)建出抗蟲抗病或是有固氮能力的轉(zhuǎn)基因植物已經(jīng)成為研究的熱點，這將會對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展、解決糧食短缺和環(huán)境污染等問題做出重大貢獻。利用原核表達系統(tǒng)獲得轉(zhuǎn)基因凝集素產(chǎn)物并涂抹到植株表面，可以使植株在非轉(zhuǎn)基因狀態(tài)下獲得相應(yīng)的抗病蟲害或固氮效果，具有一定的研究價值，但關(guān)于涂抹凝集素失效時間、施用成本等方面還有待改進。

在生化研究方面，植物凝集素已廣泛用于結(jié)構(gòu)和功能糖組學(xué)領(lǐng)域。與儀器技術(shù)相比，植物凝集素的特異性和敏感性使其具有不可替代的優(yōu)勢，利用植物凝集素開發(fā)或改進新型生化檢測方法，對糖生物學(xué)研究的深入具有深遠的意義。

植物凝集素作為分布最廣、種類最多的一種凝集素，是一座天然的寶庫，無論是對其本身進行深入研究還是進行修飾改造都有著誘人的前景，相信關(guān)于凝集素的研究一定會進一步為人類的科技進步和社會發(fā)展做出貢獻。