天然免疫的美妙靶标

cyq 发表于 2010-06-09 10:20 | 来源： | 阅读

半乳凝素是活性多样的碳水化合物结合蛋白，但对于它们的首要生理学角色却没有统一的图景。如今，半乳凝素以自发杀菌因子的身份出现，而前所未料的发现可能指出，这些蛋白质在天然免疫方面扮演了重要角色。

外源凝集素是一类蛋白质，它们可以识别和结合特异的碳水化合物部分，参与大范围的生物学进程，比如细胞黏附、胞内信号传导以及受精。外源凝集素介导的碳水化合物结合也可以使一个有机体在所处的环境中以一种特异的方式与各种元素相互作用。例如，在微生物和宿主之间复杂的相互影响中，高特异性的外源凝集素-碳水化合物结合反应常对微生物粘附和免疫识别有重要作用。

在《自然医药》（Nature Medicine）中，Stowell等人报道了外源凝集素在细菌表面结合特异性糖类的令人出乎意料的研究结果。这种由一种叫做半乳凝素（一组经深入研究的哺乳动物外源凝集素）的成员所介导的相互作用可以灭菌，并可作为宿主依靠天然免疫系统来发挥防御机制的新范例。

半乳凝素是进化学意义上古老而高度保守的外源凝集素家族。哺乳动物的这个家族有15个成员已被识别。半乳凝素在自身的碳水化合物识别域（CRD）中享有一致序列，并且这些序列都有对半乳糖苷的亲和力。自1994年半乳凝素这个名字出现后，人们对这个多面的蛋白质家族的理解有了实质性进步。这个家族的成员在许多种生理和病理过程，包括炎症、免疫和癌症中有着变化繁多的功能。

在他们的新工作中，Stowell等人为不同的外源凝集素筛选了结合数据，结果发现人类半乳凝素-3（Gal-3）、Gal-4和Gal-8可以结合人类A型血和B型血的碳水化合物结构。这3种半乳凝素还可以结合大肠埃希杆菌O86（Escherichia coli O86）。O86是致肠病的细菌株，它能表达与人类B型血抗原基本等同的一种抗原（作为该菌株表面脂多糖的侧链）。

Gal-4和Gal-8与抗原的结合导致细菌活力和繁殖力的快速损耗（图1）。电子显微镜数据显示了细菌膜的破裂以及表面泡的形成，这意味着大肠埃希杆菌（E. coli）被防御素（一组由吞噬性粒细胞和上皮细胞表达的抗微生物肽）杀灭。此外，作者还确定了羧基端CRD可以充分保证结合活动和杀菌活动。半乳凝素结合依赖于E. coli O86表达的B型血相关抗原，而且受测的半乳凝素并没有束缚或影响其它菌种的活力与繁殖力。

Gal-4：半乳凝素-4；Gal-8：半乳凝素-8；lectin：外源凝集素；galectin：半乳凝素；
CRD（carbohydrate-recognition domains）：碳水化合物识别域；carbohydrates：碳水化合物；
intestinal epithelium：小肠上皮；bacteria：细菌；lipopolysaccharide：脂多糖；
viability：活力与繁殖力；blebs：泡；
图1 Gal-4和Gal-8充当杀菌的外源凝集素。Gal-4和Gal-8各自拥有两个CRD蛋白（左），两者都由小肠上皮表达。这些半乳凝素能够紧密结合B型血碳水化合物，后者表达于一些细菌表面脂多糖的侧链上。一旦这两个外源凝集素（中）中的任何一个与细菌结合，细菌将迅速失去活力和繁殖力。当细菌被半乳凝素（右）杀灭时，表面的小泡便出现了。杀菌过程与结合过程一样，都在羧基端CRD（碳水化合物识别域）中进行。

半乳凝素也可以结合表达B型抗原的人类红细胞，但并不造成细胞膜完整性的改变。因此半乳凝素的杀菌能力显示出特异性，将自身与非自身靶标区别开来。与其它的天然免疫效应器相似，Gal-4和Gal-8的杀菌活动虽然有选择性，但对B型抗原并没有高度特异性——Gal-4和Gal-8可以相对低效地结合和杀灭表达另一种表面碳水化合物α-1,3-半乳糖的E.coli菌株。最后，小鼠的在体实验显示，表达B型相关抗原的E.coli在小肠中的适应度已经下降，成为Gal-4和Gal-8表达的一个位点，而E.coli的同基因株却不表达此种抗原。

外源凝集素介导的病原检出常常先于其定向杀灭微生物。在其它情况下，外源凝集素的作用是检出微生物，之后补体级联反应或者吞噬性粒细胞再给予致死性打击。Stowell等人所研究案例的不寻常之处在于Gal-4和Gal-8可以自主杀灭靶向细菌，不过其中机制仍有待全面阐释。一例类似的杀菌外源凝集素是小鼠Reg3-（在人类叫做Reg3-），它是一种结合肽聚糖的外源凝集素，仍位于小肠上皮。Reg3-抑制细菌跨粘膜易位的功能已被提出，而Gal-4和Gal-8可能具有相似的功能。

Stowell等人的研究结果指出了Gal-4和Gal-8，也许还有其它外源凝集素在天然免疫方面的一个新角色，同时为未来的研究提出了新问题。例如，在宿主自然免疫中，Gal-4和Gal-8杀菌活动的相对重要性是什么？

在他们的工作中，作者用巯基半乳糖苷（一种半乳凝素活性的抑制剂）测试了内源性Gal-4和Gal-8对抗B型抗原阳性的在体E. coli活动的特异性。这种糖类可能不只抑制Gal-4和Gal-8，也抑制其它半乳凝素，提高了其它分子促成抗菌效应的可能性，正如作者所述。

因此，研究当小鼠缺失一种或两种半乳凝素时，其对B型抗原阳性E. coli的易感性是非常重要的。然而，对这样的基因敲除实验的阐释可能并不直接，因为这些外源凝集素可能会大大促成天然免疫防御，但其方式是通过某些机制，而不是直接杀灭E. coli。也许当其它半乳凝素功能不足时，选择性阻断杀菌活动的突变可以被识别，并被引入内源性半乳凝素来解决这个问题。

非常有趣的是，Gal-3、Gal-4和Gal-8的靶标配体是人类血型抗原。Stowell等人指出，这样的特异性可能可以弥补适应性免疫应答的不足。因为需要取决于宿主血型，对带有像A型或B型抗原病原的适应性免疫应答是有限的，这个不足可能会被半乳凝素弥补。因为Gal-4和Gal-8基因敲除模型的出现，上述观点可能能以实验检验。在这一点上，也许相反的问题更易处理——就靶向特异性而言，确定Gal-4和Gal-8如何区分自身与非自身。

在各种类型的细胞中，半乳凝素可与其它葡聚糖和许多细胞表面糖蛋白以及糖脂结合。事实上，据文献记录，半乳凝素最广阔的功能是它们对凋亡的诱导。例如，Gal-1、Gal-3和Gal-9可以在活化的T细胞中诱导凋亡。而且，Gal-8可以在癌细胞株中诱导凋亡。但是，在此种情况下，Gal-8可能抑制了细胞对胞外基质的粘附，从而触发失巢凋亡。为避免它们对自身抗原的作用，Gal-4和Gal-8可能被选择性地分泌至小肠腔，而后杀灭易感菌，赦免正常组织。如果事实如此，那么阐明小肠细胞分泌这些半乳凝素的途径，对理解它们在天然免疫方面的功能将非常重要。

另一个可能性是这些外源凝集素对微生物有更高的亲和力，或者它们的膜分裂活动对杀灭微生物更有效。Stowell等人的实验显示了红细胞对半乳凝素膜分裂的抵抗，这与上述的诸多可能性是一致的。

其它半乳凝素也可能通过杀微生物活动参与了天然免疫。事实上，Gal-3通过外源凝集素-碳水化合物相互作用来杀灭白色念珠菌。在与碳水化合物部分相互作用后，其它半乳凝素可能也对它们的靶向微生物产生了细胞毒性。此类发现可能会将半乳凝素相关的观点转向，认为其是宿主防御的关键物质。