豆類凝集素的功能及其種類分析

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)和生物物理策略對植物凝集素家族的研究極大地推動了該領(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模型框架。對豆類凝集素單體的分析表明，它們在序列和結(jié)構(gòu)上具有很高的相似性，而僅在環(huán)和鏈的長度上有微小的變化。單體結(jié)構(gòu)顯示膠狀基序，為25-30 kDa的三明治型，包含碳水化合物識別結(jié)構(gòu)域(CRD)和二價陽離子Ca2+和Mn2+的金屬結(jié)合位點。在一級、二級和三級結(jié)構(gòu)上很強的相似性和在四級結(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。這些變化因為指示多價聚糖結(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。

豆類凝集素被細分為2個類別，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，植物凝集素的初級序列被用于推斷進化的關(guān)系，豆科植物進化過程中是保守的，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)被用來治療由細菌和真菌引起的疾病，然而，越來越多的導(dǎo)致嚴(yán)重感染的機會微生物菌株對藥物產(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程中的基因突變或通過轉(zhuǎn)導(dǎo)、結(jié)合和轉(zhuǎn)化機制獲得的導(dǎo)入基因引起的。這些基因表達的蛋白質(zhì)可能通過不同的機制直接干擾微生物的生長、增殖和傳播[6]，就像凝集素的情況一樣，通過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和萌發(fā)。用大豆和普通扁豆凝集素進行的研究為這些作用提供了證據(jù)[7]。凝集素存在于細胞質(zhì)和細胞核結(jié)構(gòu)中，以及幾乎所有生命王國的細胞和組織的細胞外基質(zhì)中，與細胞膜表面的糖基成分相互作用的[8]。因此，植物凝集素被認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 細菌

凝集素的抗菌活性是由于它們與細菌細胞壁的多種復(fù)雜碳水化合物能夠相互作用。人們認為，植物凝集素不會改變膜結(jié)構(gòu)或者膜的通透性，也不會干擾被微生物入侵的細胞內(nèi)正常生理過程，而是會基于與細胞壁碳水化合物或細胞外多糖的相互作用對其產(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了革蘭氏陽性菌細胞膜上的毛孔的增多，以及革蘭氏陰性菌細胞壁上氣泡的存在形態(tài)的改變[10]。其他報道稱，凝集素的抗菌活性是通過凝集素與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性細菌細胞壁中的N-乙酰胞壁酸或存在于革蘭氏陰性細菌細胞壁中的脂多糖相連[11]。除了這些發(fā)現(xiàn)外，來自刀豆屬，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，但對浮游細胞的生長沒有影響 。由于細菌生物膜通過增加細菌對洗滌劑和抗生素的抵抗力而使消毒過程更加困難，豆類凝集素對生物膜形成和發(fā)展的抑制可能是通過抑制這些蛋白質(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胞壁或細胞膜到達真菌的細胞質(zhì)，因此凝集素不太可能直接抑制真菌的生長。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[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，因為聚糖可以用作使病毒易于被免疫系統(tǒng)識別的工具，因而易受免疫中和的影響。宿主和來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阻斷病毒的生命周期，或抑制病毒進入宿主細胞[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。在這樣的過程中，凝集素將阻止病毒進入和病毒與靶細胞結(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，并通過與HIV感染細胞的碳水化合物特異性相互作用來抑制其感染細胞與CD4細胞的融合[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，但還需要進一步的研究來探索識別不同糖結(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，它們可能會增加死亡率，延緩發(fā)育或成蟲的出現(xiàn)，并且會降低成蟲的繁殖力。殺蟲凝集素的作用方式：通常，凝集素可以通過與上皮細胞的圍食膜(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，可以通過紅粉甲蟲、紅錐葉蟲的PM到達內(nèi)營養(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它們與細胞上皮存在的糖結(jié)合物的直接相互作用來發(fā)揮。事實上，在昆蟲腸道上皮細胞表面富含糖蛋白對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程。雖然凝集素的關(guān)鍵受體可以定位在腸上皮細胞表面，但如果凝集素被內(nèi)化，它們可能與位于細胞內(nèi)空間的一組新靶點相互作用，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)對蛋白質(zhì)水解的抗性以及它們在較大pH范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。例如，殺蟲凝集素PF2對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凝集素形成對比，因此后者對該昆蟲沒有毒性 。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干擾昆蟲過程中的關(guān)鍵生理過程。這種干擾通?？梢酝ㄟ^缺乏營養(yǎng)吸收導(dǎo)致，當(dāng)中腸上皮細胞由于凝集素與位于細胞表面或內(nèi)部的靶糖作用而萎縮時，就會發(fā)生這種情況。目前對昆蟲腸道中靶糖和植物凝集素的識別研究有多種受細胞途徑影響的假設(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。以特定細胞為靶點的凝集素介導(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制、效價與分子特性的關(guān)系，以及它們對蛋白質(zhì)和基因表達的調(diào)節(jié)作用等更多的研究來探索和支持凝集素的廣泛使用。