糖基化与免疫医学PPT.ppt

糖免疫学前沿研究概况 一 国内外研究概况二 蛋白质糖基化种类三 蛋白质糖基化与免疫的相关性四 异常糖基化与免疫相关疾病五 糖基化在免疫相关疾病诊断与防治中的应用 提纲 2001 March23 Science专题 GlycosylationandtheImmuneSystem 2010年发表在Cell上的 Glycomicshitsthebigtime2011年3月6 11日专门在加拿大LakeLouise召开了首届糖免疫学的国际讨论会 2011年 生命科学 23期 糖生物学专刊 一 糖生物学国内外研究概况 糖免疫研究属于国际前沿 2011年3月6 11日专门在加拿大LakeLouise召开了糖免疫学的国际讨论会 发展历程 我国糖生物学协同创新战略研讨会建成糖生物学创新研究中心 1993年 美国召开的首届 糖生物工程 会议 会上著名糖生物学家Hart提出 生物化学中最后一个前沿 糖生物学的时代正在加速来临 1986年 美国能源部资助创建CCRC 复合物糖研究中心 成立 糖库计划 1989年 日本政府科技厅等实施 糖生物工程前沿计划 投资数百亿日元1991年 英国创刊 Glycobiology 糖生物学杂志2001年 由NIH NIGM资助 美国成立 CFG功能糖组学 研究项目 中科院北微所张树政院士 90年代在国内香山会议大力倡导糖生物学和糖工程前沿计划 金城研究员 复旦大学陈惠黎教授 顾建新教授 中国生化学会糖合物专业委员会中国生物工程学会糖生物工程专业委员会共同举办全国糖生物学会 2011年 武汉大学张俐娜院士 食品中草药多糖生物活性纤维素与可再生资源材料获安塞姆 佩恩奖 糖链是继续核酸链 和蛋白质链之后 与生命活动息息相关的第三链 糖基化 一种重要的蛋白质翻译后修饰方式 蛋白的糖基化与免疫 机体对抗原刺激的免疫应答最终均由免疫分子所介导 几乎所有参与固有免疫和获得性免疫免疫分子均为糖蛋白 与免疫分子合成相关的转录分子也为糖蛋白 病毒糖苷 细菌纤毛 免疫分子糖蛋白 凝集素 能结合糖的蛋白 糖基化 糖苷和凝集素药物靶点 病毒和细菌等识别细胞的桥梁 糖苷和凝集素蛋白质糖基化与病原微生物感染及免疫相关蛋白质糖链结构异常与肿瘤和遗传性疾病相关 糖生物学与免疫 二 蛋白质糖基化种类 蛋白质糖基化的种类 N 糖基 O 糖基 GPI phosphatidylinositolglycan 和yeastO mannosylation1 N 糖基 高甘露糖型 杂交型和复杂型 寡糖 Asn X Ser Thr 2 O 糖基 GalNAc Ser Thr 3 GPI 4 酵母O mannosylation Ser O ManMann 糖基磷脂酰肌醇 糖蛋白的N 聚糖的加工 BiosynthesisandprocessingofallN linkedglycoproteins 1 糖基化影响免疫分子的成熟 定位和抗原提呈 三 蛋白质糖基化与免疫相关性 利用合成的糖基化II型胶原蛋白多肽和未修饰的多肽 发现在严重类风湿关节炎 RA 病人中T细胞仅识别糖基化的II型胶原蛋白多肽 表明糖基化也影响T细胞抗原表位 糖基化结构在改变蛋白质或肽的三维结构的同时 还可通过改变肽表位与MHC I类分子的结合及与TCR交互作用影响细胞免疫 B细胞的HLA DR 链上第96位氨基酸从脯氨酸突变为丝氨酸 Pro96 Ser96 从而使第94位的天冬氨酸 Asp 产生了一个新的N 糖基化位点 会使B细胞的抗原提呈功能消失 可影响B细胞与T细胞的相互作用 利用合成的GalNAc修饰MUC1糖肽 研究发现此糖肽与MHC I结合 比起未用糖修饰的多肽与MHC I结合力大100多倍 其中GalNAc起着重要作用 2 糖与免疫分子的稳定 以及降解 亲水性增加 对蛋白酶耐受能力 酶稳定性 增强 蛋白二级和三级结构变化 影响细胞与细胞及细胞与底物交互作用 从而影响淋巴细胞移动 免疫细胞激活 胚胎发生及肿瘤转移等发现某些N 糖苷化作用可抑制蛋白酶对糖蛋白的降解 延长免疫分子的寿命 如N 糖苷化作用可抑制asparagines specificcysteineendopeptidase对糖蛋白分子的降解 从而保护糖蛋白分子或免疫分子 在内质网中 糖基化酶 MannosidaseI GlucosylTransferase帮助未折叠好的糖蛋白进一步折叠 而错误折叠或未包装好的糖蛋白将在内质网中降解 蛋白糖基化后 免疫分子生物学性质发生变化 3 糖基化作用对T细胞功能的影响糖基化可生成新的T细胞表位 或相反 废除识别 以及影响信号传导 有的糖基可帮助Th细胞对抗原肽识别的精确化学定位 MHC I分子上的一些糖基化结构可干扰T细胞的识别 并限制CD8T细胞应答 TC表面若缺乏b1 6 GlcNAc的N 糖苷 TCR则更有效地聚集一起 导致更敏感的受体信号产生 因而负责b1 6 GlcNAc分支糖合成的酶 GlcNAc TransferaseV Mgat5 可调节T细胞的功能 通过Mgat5基因沉默改变乳腺癌细胞表面的复杂型N 糖链结构 能抑制乳腺癌细胞生长 活化CD4 T细胞 肿瘤细胞表面复杂型N 糖链结构抑制CD4 T细胞功能 ZhangXL etal JImmunol2008 CD4分子有4个N 糖基化位点 只有它们全部糖基化了 CD4分子才能正确折叠 表达于胞膜 TCR CD3复合物中 CD3 链中两个N 糖链中的一个为高甘露糖型 另一个为复杂型 而在TcR CD3复合物中 CD3 链中的两个N 糖链则均为复杂型 这些差异可能导致在TCR对抗原识别中 TCR 与TcR 的信号转导不同 N 糖基化也影响B细胞与T细胞间相互作用 如B细胞的HLA DR 链第96位aa从Pro Ser 从而第94位的天冬氨酸产生了一个新的N糖基化位点 会使B细胞的抗原递呈功能消失 IL 2受体 GCSF等均是0 糖基化 0 糖基化的缺少 可导致重组IL 2受体在高尔基中错误分配 以及错误从高尔基传输至细胞表面 影响IL 2受体等的识别功能 抑制Core1O 聚糖的表达抑制CD8 T细胞 ZhangXLetal JClinImmunol2012 4 糖基化影响抗体Ig的功能 影响抗原与抗体以及补体的识别体液免疫中 Ig 补体均是糖蛋白 均被糖基化1 IgG糖蛋白结合补体 MBL MBL 甘露糖结合凝集素 直接识别多种病原微生物表面的N 氨基半乳糖或甘露糖 活化MBL补体活化途径中 在类风湿性关节炎中病人的组织 以及血液中富含有IgGo和IgG 其活化水平与风湿性关节炎的病程进展呈正相关性 2 糖基化作用与补体介导细胞裂解经典补体途径与旁路补体途径和MBL途径 最后均形成膜攻击复合物MAC 攻击细菌等病原体表面 宿主细胞表面 通常具备补体途径的抑制物 通过GPI一定位的糖蛋白 CD55 DAF decayacceleratingfactor 结合C8 C9以阻止膜攻击复合体MAC形成 如果补体过量的刺激 如在RA病人 病人组织液可饱和CD55 DAF抑制物 导致了不适当的细胞裂解和发炎症状 糖基化在维系mIg立体构象中起重要作用 糖基化程度低下 会使mIg肽链缺乏刚性 糖基化过度 会遮住mIg的抗原结合位点 影响与Ag的结合 借助X线衍射研究 对Ig的三维结构研究 发现人IgGFc的空间构象并非靠两条重链CH2功能基团间蛋白质 蛋白质相联而维系 而是靠连接于第297位天冬氨酸上的寡糖链 靠寡糖链 寡糖链间的相互作用来维系的 IgG的Fc片段与Fcr受体结合时 若去糖基化或去寡糖链中的半乳糖 则使IgG与Fcr受体结合的能力消失 5 糖基化影响免疫应答的强弱糖基化的缺失 如N 糖基化的位点的突变 可增强或降低细胞免疫 如 IFN的产生 以及体液免疫 如IL 4的产生 例1 HCVE1糖蛋白中N4突变可显著增强HCVE1糖蛋白对BalB c小鼠的抗体水平 例2 HIV改变gp140可增强体液免疫 不影响细胞免疫 例3 IL 12上的N 糖基化位点的突变 可增强CTL 细胞毒性T淋巴细胞反应 IL 12 P40 P35 P70 若突变p40上N222糖基的位点 减少P40分泌 改变P70 P40的比例 与HCVE2同时免疫时 可显著增强E2特异的CD8 T反应 增强长效细胞免疫功能 ZhangXL etal Vaccine 2007 15 1544 1551 改变HCVE2糖基化能增强细胞免疫 缺失病毒E2的某些N 糖苷后使病毒的免疫原性提高 可作为增强免疫原的新型HCV疫苗 丙型肝炎病毒 HCV 包膜蛋白N 糖基化与免疫应答 ZhangXL etal vaccine 2007 15 6572 6580 HCVE1 M4糖基化突变体能增强体液免疫 E1 M2糖基化突变体能增强细胞免疫 HCVE1的免疫原很弱 其糖链使病毒逃逸机体的免疫攻击 降低细胞免疫应答 缺失病毒E1的某些N 糖苷后使病毒的免疫原性提高 可作为增强免疫原的新型HCV疫苗 丙型肝炎病毒 HCV 包膜蛋白N 糖基化与免疫应答 改变N 糖基化可影响细胞因子IL 24的免疫功能 ZhangXL etal EurJImmunol2009 IL 24N 糖基化突变体刺激IFN g能力下降 IL 24N 糖基化突变体保护小鼠抵抗感染功能下降 N 糖基化对IL 24抗伤寒沙门菌感染功能是必需的 改变细胞因子糖基化影响其介导的免疫功能 ZhangXL etal Microbes Infection2011 N 糖基化对IL 24抗TB感染功能是必需的 6 糖基化与免疫逃逸 O 糖苷介导免疫逃逸 前列腺病人肿瘤细胞表面的粘蛋白MUC1core2O糖苷抵抗NK巨细胞介导的细胞毒作用 抑制NK细胞分泌颗粒酶 granzymeB 并干扰肿瘤凋亡分子 TRAIL 接近肿瘤细胞 而Core2缺陷的前列腺肿瘤细胞对于NK细胞的细胞毒作用很敏感 这些现象揭示前列腺肿瘤细胞表达core2O糖苷逃逸NK细胞的免疫 从而在宿主血循环中存活更长时间 使得肿瘤细胞更易迁移转化 MolMedReport 2012Nov19 N 糖苷介导免疫逃逸 乳腺癌细胞表面的N 糖链结构抑制CD4 T细胞活化 以及巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子等 我们课题组最近采用特异抑制GlcNAc转移酶V的小分子发夹RNA能抑制乳腺癌细胞表面的1 6 连接的三天线N 聚糖结构 能在体内外明显抑制乳腺癌细胞的生长 并还能刺激CD4 T细胞的活性 这些研究表明肿瘤细胞表面的复杂型N 连接聚糖介导了肿瘤的免疫逃逸 7 聚糖调控固有免疫与适应性免疫 机体通过固有免疫识别受体分子的模式识别作用 通过识别糖来介导一些重要的固有免疫功能 从而进一步调控适应性免疫应答 许多不同的病原体 包括细菌 病毒 真菌等表面的聚糖均被固有免疫系统凝集素受体所识别 如幽门螺杆菌 Helicobacterpylori 表面的Lewisx CD15 和Lewisy CD147 聚糖抗原 以及脂多糖O 抗原靶向结合DC细胞的DC SIGN诱导T细胞分化为Th2型细胞 从而调控适应性免疫应答 8 糖基化与其他免疫相关性 聚糖与细胞粘附 发育以及信号转导聚糖识别控制免疫系统的自稳 Homeostasis 与器官移植细菌和病毒糖生物学 许多病原性疾病 如自身免疫病 病毒性疾病 糖尿病 恶性肿瘤 风湿性关节炎 动脉周样硬化 自身免疫疾病和多达到50种以上遗传疾病 包括碳水化合物缺少糖蛋白综合症 都伴有异常糖苷化或缺少糖苷化酶引起 如HIV HBV 流感病毒和结核分枝杆菌等 它们所具有的免疫逃避特性 很可能与其表面蛋白糖基化有关 异常糖基化是肿瘤细胞重要表型之一 四 异常糖基化与疾病 一些异常糖基化与免疫相关疾病 免疫相关疾病异常N O 糖基化异常N 聚糖RA和SLE异常N 聚糖炎症反应和RA降低水平的N糖蛋白DAF和CD59自身免疫性疾病在N 糖蛋白合成中Mgat5水平下降Wilms瘤 小细胞肺癌 多天线N 糖链末端在N 糖蛋白合成中Mgat5水平淋巴瘤胰腺癌 增加出现多聚唾液酸胆管癌 白血病等异常O 聚糖爱滋病 AIDS T细胞上CD43表达低唾液酸化的core2O 聚糖T cell白血病core2O 聚糖的异常表达WAST细胞的core2O 聚糖的异常表达结肠癌在人结肠癌细胞中表达高水平的core2O 聚糖IgA肾病IgA异常O 聚糖RAII型胶原蛋白的T细胞表位是O糖基化修饰的Tn综合症Tn抗原异常表达 core1O 聚糖下调胰腺癌粘蛋白O糖基化改变注 RA rheumatoidarthritis 类风湿性关节炎 SLS systemiclupuserythrematosus 系统性红斑狼仓 CDG carbohydrate deficientglycoproteinsyndromes 碳水化合物缺乏糖蛋白综合症 Mgat5 GlcNAcT V 糖基转移酶 WAS Wiskott Aldrichsyndrome Wiskott Aldrich综合征 Tn O linkedN acetylgalactosamine GalNAc 1 O Ser Thr 1 异常糖基化与肿瘤 大量研究表明糖基化改变与肿瘤免疫逃逸 肿瘤发生与转移密切相关 肿瘤细胞的聚糖或肿瘤细胞分泌的糖蛋白表达的改变导致了肿瘤细胞与正常细胞不同的糖基化水平 糖基化的改变可导致细胞黏附的丧失 导致肿瘤细胞侵袭到远处的能力增强 癌变细胞表达唾液酸水平常常出现增高的趋势 还可出现多聚唾液酸及多聚唾液酸的内脂化 并常发生唾液酸的9 O 乙酰化 唾液酸化的增加是由于复杂型N 聚糖分支的增加造成的 而分支结构的的增加是由于GlcNAc转移酶V活性的提高 该酶可将1 6 连接的GlcNAc添加的典型的二天线结构 形成三天线结构 在额外的多天线分支添加上的唾液酸 有助于说明这些细胞表面唾液酸化的增加 利用苦马豆素 swainsonine N 连接聚糖加工的抑制剂 能降低细胞表面唾液酸化复杂型N 连接聚糖的水平 该抑制剂还可以使肿瘤细胞在体内外的生长和转移性能逆转 恶性肿瘤中4种糖基化转移酶活力的改变 在胚胎组织及肿瘤组织共同表达的糖链 2 病毒与细菌糖基化与感染 流感病毒 HIV HIV糖链与DC SIGN结合能增强HIV的感染 病毒利用凝集素靶向宿主细胞表面糖链a2 3和a2 6连键唾液酸 2010年获得授权发明专利2项 结核分枝杆菌表面丰富的糖苷介导的免疫抑制 研制特异结合结核分枝杆菌表面糖苷的适配子可用于特异诊断结核分枝杆菌抗原 2 病毒与细菌的糖基化与免疫 3 糖基化异常与自身免疫疾病 免疫球蛋白糖链异常常是自身免疫疾病的 罪魁祸首 导致类风湿关节炎发病的元凶 IgG分子糖链末端仅仅少了一个或两个的半乳糖单位的IgG分子 分别是IgG1和IgG0 类风湿关节炎病人血清IgG浓度升高 可能是异常的IgG1和IgG0型 IgG1和IgG0型暴露出新的末端糖基 就变成异己抗原 从而诱发自身抗体 又称类风湿因子 导致抗原抗体免疫复合物滞留沉积在关节腔内 还活化补体 加剧炎症 正常IgG 异常IgG IgG0 IgG1 4 糖抗原与器官移植 猪常选择为人的器官移植供体 因为猪的数量大 其器官易得 供体来源丰富 并且猪体内感染人类的病毒较少 但猪的器官作为移植物植入人体内时 对人是异源性抗原 会产生超急性排斥反应 目前大量研究表明 引起异种器官移植超急性排斥反应的物质 是由人体内天然存在的抗体与糖抗原分子结合引起的 这种糖抗原分子存在于猪血管内皮细胞表面 主要为Gal 1 3 Gal和Gal a 1 3 Gal b 1 4 GlcNAc R 人体内不存在Gal a 1 3 Gal糖分子 但是人很容易感染含有这种糖分子的微生物 这样人体内就产生了识别这种糖的天然抗体 人体内这种天然抗体与糖分子结合是人 猪异种器官移植的主要障碍 那么 抑制这种结合就可能使人类跨越异种器官移植的主要障碍 从而实现利用器官移植挽救生命的目的 改造猪血管内皮细胞表面糖分子的结构 如移植 1 3 半乳糖基转移酶 以求抑制和消除Gala 1 3 Gal糖分子生成 进一步抑制天然抗体与糖分子的结合 当转基因猪体内Gala 1 3 Gal的生成停止或被抑制时 转基因猪的器官就没有了Gala 1 3 Gal糖抗原分子了 再将转基因猪的器官移植入人体没就可避免超急性排斥 从而克服人 猪异种移植的主要障碍 5 糖链与血型 五 糖基化在免疫相关疾病诊断与防治中的应用 1 糖类药 一些特定糖结构利用其半抗原性质 可引起针对自身组织的免疫反应 导致免疫损伤或自身免疫病 如类风湿性关节炎 RA RA患者IgG分子中的寡糖链没有半乳糖 这种称为IgG0的糖型能凝聚 从而激活补体的甘露糖凝集素 MBL 途径 引发并加重炎症反应 糖基化抑制剂的应用 糖基化抑制剂可抑制病毒对免疫细胞的感染 肿瘤细胞的生长以及用于治疗糖尿病等 如糖基化抑制剂之一 葡萄糖苷酶 抑制剂 deoxynojirimycin 能抑制HIV病毒gp160对T细胞CD4分子的感染 体外invitro 体内invivo shRNA1 Mgat5inhibitedMA782cellgrowthinvitroandinvivo 2 抑制异常糖基化与抗肿瘤 LiD ZhangXL etal J Immunol 2008 180 3158 shRNA1shRNA2pSilencer1 0 U6non transfectedcells 10mm Mgat5 shRNAmayserveasapotentimmunotherapeuticagentinvivoforthetreatmentofestablishedsolidtumors TheimportantroleofMgat5intumorgrowthandevasionofthehostimmunesystem Mgat5 shRNA1inhibitedbreastcancercellsgrowth LiD ZhangXL etal J Immunol 2008 180 3158 2 抑制异常糖基化与抗肿瘤 ComplexN glycansmediateimmuneevasion b1 6branchingN glycansofMA782cellsinhibitcellularimmunity CD4 T IFN g TNF a Mgat5 shRNA1 EnhanceactivitiesofCD4 Tandmacrophages Decreaseb1 6branchingN glycansexpression LiD ZhangXL etal J Immunol 2008 180 3158 3 抑制异常糖基化与增强免疫 意义和价值 特异抑制O 聚糖合成的ShRNA C1GalT在治疗自身免疫性疾病 器官移植排斥反应等中具有潜在的应用价值 抑制Core1O 聚糖的表达抑制CD8 T细胞 延长同种异体皮肤移植存活 ZhangXLetal JClinImmunol2012 4 抑制O 糖基化与延长器官移植 5 糖抗原作为癌症诊断标志物 AFP 肝癌早期诊断指标 AFP的岩藻糖基化将肝癌与肝硬化及慢性活动性肝炎鉴别开PSA 前列腺癌的诊断指标CA 125 卵巢癌的诊断与检测指标CEA 检测结肠癌 乳腺癌及肺腺癌的复发HCG O 连接糖链的四糖与二糖的比例可鉴别良性葡萄胎与恶性葡萄胎及绒毛膜上皮癌GD3 黑色素瘤中含量高 存活期短 癌细胞表面糖链的预后价值 5 糖抗原作为癌症诊断标志物 6 糖抗原与抗肿瘤疫苗设计 肿瘤相关的糖抗原 低免疫原性 糖遮盖抗原表位 大部分也表达于自身组织易导致免疫耐受 抗肿瘤疫苗 增强免疫原性 先采用抗体被动免疫动物检测其安全性和有效性 有效肿瘤相关的糖抗原作为肿瘤疫苗设计 oneormorecarbohydrateB cellepitopes ahelperT cellepitope aCTLepitopeandapotentimmuneactivator modulator 有效肿瘤相关的糖抗原作为肿瘤疫苗设计 onecarbohydrateB cellepitope ahelperT cellepitope andapotentimmuneactivator DrugstargetingSugar SreensmalldrugsagainstHCVE2surgar glycoprotein E2 HCV Samllaptamers CD81 Inhibitvirus bacteriaandtumorgrowth N glycosylationinhibitorderivativesasImmunomodulators Small lesstoxicity noimmunogenicity potentialapplicationsindrugs CS SELEX MolecularprobesDiagnosisreagentsAnti HCVdrugs Hepatocytes N glycosylationinhibitorderivatives Providingasmalldrugtargetingviralglycan andnewstrategyfordevelopinganearlydisgnosticreagentforHCVantigen oratherapeticdrugespeciallyforHCV 7 糖苷抑制剂在抗感染等中的应用 IminosugarderivativeswithstrongIFN ginducingactivities B8andA45inhibitsSalmonellainfectionandprolongsmicesurvival ZhangXL YXS etal ChemMedChem2009 4 756 StructuresofcompoundsA5 B33 7 糖苷抑制剂在免疫调节中的应用 5F DNM ZhangXL etal Bioorg Med Chem Lett 2004 14 3789 SpecificinhibitioneffectsofN pentafluorobenzyl 1 deoxynojirimycin 5F DNM onhumanCD4 Tcells DNM 7 糖苷抑制剂在免疫调节中的应用 ZhangXL etal Bioorg Med Chem Lett 2012 S japonicumworms