正常细胞表面被一些富含信息的糖分子所修饰,其以糖蛋白和糖脂的方式将所携带的特殊信息传递给细胞,以调控细胞的生理过程^〔1〕。多聚唾液酸(polysialicacid,PSA)即属于这类细胞表面糖复合体中与受体蛋白特异性结合的糖分子。多聚唾液酸存在于一小部分的哺乳动物中,其以α2,8键连接唾液酸残基形成线性均一多聚的糖链,主要附着在神经细胞黏附因子(neural cell adhesion molecule,NCAM)上,在调节细胞间黏附、细胞迁移、神经发育和重塑过程中发挥关键作用^〔2〕。因其带有大量负电荷且具有亲水性,能够形成较大的水合半径,故当相邻细胞膜上的NCAM之间或NCAM与其他分子之间相互作用时,多聚唾液酸使细胞膜之间距离增大,造成相邻细胞之间距离过大而失去黏附,从而影响了细胞膜间的相互作用^〔3〕。正常成人组织中的NCAM缺乏多聚唾液酸表达,但在一些肿瘤组织中存在多聚唾液酸的再表达,其促进癌细胞的分离、浸润和远端转移,且具有向脑部转移的倾向^〔4〕。本研究对多聚唾液酸的特点、聚合机制、表达、功能以及在肿瘤浸润和转移过程中的作用进行综述。

NCAM属于免疫球蛋白超家族,是哺乳动物细胞中最普遍的多聚唾液酸载体蛋白,广泛分布于神经系统和其他组织中,主要作用为调控细胞黏附、细胞迁移、轴突生长、突触可塑性、神经纤维成束及学习和记忆等过程。通过mRNA选择性剪接,NCAM形成了4种亚型,分子量分别为 180,140,120,110 kDa。180 kDa和140 kDa的NCAM属跨膜蛋白,包含跨膜区和胞质区,而120 kDa的NCAM在细胞外通过糖基磷脂酰肌醇(GPI-anchr)直接与膜相连,不跨越细胞膜。110 kDa的NCAM是分泌蛋白;180 kDa的NCAM主要在神经细胞中表达,而在肌肉细胞中不表达;140 kDa的NCAM 在神经细胞和肌肉细胞中均有表达^〔4〕。当NCAM被多聚唾液酸化形成PSA-NCAM复合体时,分子量可达到200~250 kDa。

人类NCAM由5个免疫球蛋白(Ig)样区域和2个三型纤连蛋白(FN)样区域组成,5个Ig样区域上带有6个N-糖基化位点,2个FN样区域作为胞外细胞间及细胞与基质间相互作用区。NCAM被多聚唾液酸化是指≥1条的多聚唾液酸链连接到位于Ig5区域中的第5和第6个N-糖基化位点上^〔5〕。

多聚唾液酸是线性糖链,通常由≥ 2个的唾液酸残基〔N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)或N-羟基乙酰基神经氨酸(Neu5Gc)〕或短链的脱氨神经氨酸(KDN) 通过α2,8键形成多聚唾液酸链。哺乳动物组织中的多聚唾液酸链一般由50~150个残基组成,可检测到的最长链含有 370多个唾液酸残基^〔6〕。多聚唾液酸化的NCAM具有结构多样性,主要体现在NCAM上是否连接多聚唾液酸链及连接的链数和链的长度。不同的多聚唾液酸聚合程度和结构对其调节细胞间相互作用具有重大影响^〔5〕。

NCAM多聚唾液酸化是由2种多聚唾液酸转移酶(polysialy ltransferases) ST8Sia Ⅱ (STX)和ST8S iaⅣ(PST)催化完成。 其催化区位于高尔基体内腔,STX和PST都可以单独催化多聚唾液酸的合成,也可以协同作用:先将第一个α2,8连接的唾液酸残基转移到末端α2,3或α2,6唾液酸化的半乳糖残基上,半乳糖残基通过α1,4连接在N-乙酰基葡糖胺上,继而下一个唾液酸残基以α2,8连接到前一个唾液酸残基上,逐渐形成一条多聚唾液酸链。

虽然NCAM携带6个 N-糖基化位点,但多聚唾液酸化只发生在位于Ig5的第5和第6 N-糖基化位点上。研究发现,多聚唾液酸转移酶不识别糖基化位点的结构,而特异性识别NCAM的FN1蛋白结构,FN1的B夹层结构内具有一个独特的新型a-螺旋,这个特异性结构对于多聚唾液酸转移酶与NCAM相互作用,且多聚唾液酸化只发生在Ig5的N-糖基化位点上至关重要^{〔7, 8〕}。

研究表明,STX和PST的mRNA 转录水平与多聚唾液酸免疫反应存在一定相关性,且2者合成多聚唾液酸的平均链长基本一致,但聚合效率不同,STX的催化效率更高,被STX多聚唾液酸化的NCAM数量更多,两者存在协同作用,此时,聚合的多聚唾液酸链更多更长^{〔9, 10〕}。

多聚唾液酸转移酶可发生自身多聚唾液酸化,其作用目前还不清楚,但自身多聚唾液酸化所需的N-糖基化位点变异后,NCAM上的多聚唾液酸明显减少,同时半乳糖失活^〔11〕,提示多聚唾液酸转移酶自身的N-糖基化作用对维持其结构以及对NCAM的多聚唾液酸化非常重要。但也有研究表明^〔4〕,在鸡胚胎的脑神经细胞发育过程中,STX不发生自身多聚唾液酸化,所以多聚唾液酸转移酶自身多聚唾液酸化对NCAM的多聚唾液酸化可能不是必须的。

多聚唾液酸在自然界中分布广泛,在可引起脑膜炎神经侵染性的大肠埃希杆菌k1(Escherichia coli K1)、膜炎奈瑟菌 GpB (Neisseriamening itidis Gp B)等细菌性病原体中以荚膜多糖的形式表达;在鱼类、哺乳动物中以糖蛋白形式表达^〔4〕。 在哺乳动物体内,多聚唾液酸通过N-糖苷键附着在NCAM 上,其他载体蛋白有电压依赖性钠通道的A亚体、多聚唾液酸转移酶ST8S iaⅣ(STX)和ST8SiaⅣ(PST)、人乳汁中的 CD36、以及人树突细胞中的神经菌毛素-2(neurop ilin-2),其中CD36和神经菌毛素-2上的多聚唾液酸通过O-糖苷键附着^〔12〕。

当多聚唾液酸在细菌荚膜中表达时,能够促使大肠埃希菌K1和脑膜炎奈瑟菌穿过脑血屏障群集定位于新生儿脑脊膜中,通过掩饰O-抗原的脂多糖而使细菌逃避免疫监视和吞噬作用,引发脑膜炎。

多聚唾液酸在鱼卵和海胆卵细胞中的表达受发育过程调控。在卵细胞形成的过程中,多聚唾液酸调控细胞间相互作用,促进细胞转移。鱼卵细胞多聚唾液酸中的KDN对钙离子有亲和力,可将钙离子保留在胚胎周围,从而起到保护胚胎的作用。

NCAM的多聚唾液酸化对从胚胎到成人的神经发育和神经重塑过程至关重要,由于多聚唾液酸化扩大细胞间隙,从而调节细胞间黏附,在细胞迁移、轴突生长、分支和束化、突触可塑性、可塑性的活性诱导、神经元)神经胶质可塑性、神经元连接建立、神经突分支、胚胎和成人神经形成等过程中发挥重要作用^〔13〕;在肌肉发育过程中,多聚唾液酸化的NCAM在从原始肌管分离次级肌管时发挥作用,可能调节肌内神经分支化;在骨形成过程中,其介导成骨细胞间的相互作用、调节成骨过程;多聚唾液酸在胚胎期的心、肾组织中也大量表达,之后NCAM上多聚唾液酸的量逐渐减少以维持器官的稳定。一般成人组织中的 NCAM缺乏多聚唾液酸的表达,但在成熟脑组织中,与突触形成和神经持续再生相关的视丘下部、海马、嗅球等部位,NCAM始终存在多聚唾液酸化。

多聚唾液酸转移酶在机体中的表达受生长发育过程调节。在人胚胎的大脑发育期STX 和PST的转录达最高水平,多聚唾液酸此时合成量也最高,出生后,STX的转录急剧下降,而PST的转录则逐渐降低^〔14〕。但在成熟脑组织的神经可塑性相关区域中,STX和PST持续高表达,其中STX在海马、延髓、壳中高表达,PST在杏仁核、底丘脑核、大脑皮质的枕极中有表达;在其他成人组织中,STX只在少数组织中表达,如心、胸腺;PST在心、胎盘、脾、胸腺、小肠、外周血白细胞中有表达。表明这2种酶的表达具有组织和细胞特异性,在发育过程中调控机制可能不同。

最近通过多聚唾液酸转移酶、NCAM基因敲除小鼠模型实验证明了多聚唾液酸在大脑发育中的重要作用^〔12〕。缺失 NCAM的小鼠呈现明显的发育性缺陷,嗅球缩小,空间学习能力下降。缺失STX或PST的小鼠呈现多聚唾液酸含量减少,导致免疫能力下降,长期低迷,轴突生长,突触可塑性均有减弱趋势。同时缺失STX和PST的小鼠不表达多聚唾液酸,呈现出生1个月后死亡,无法发育成长。

人类肿瘤中首先发现多聚唾液酸表达是在成神经细胞瘤,此时已出现肿瘤的脑转移和骨转移。不久在恶性肾母细胞瘤中也发现多聚唾液酸的表达,且多聚唾液酸在成神经细胞瘤、成神经管细胞瘤、嗜络细胞瘤、肾母细胞瘤、甲状腺髓样瘤、小细胞肺癌、非小细胞肺癌、垂体腺瘤、先天性中胚层肾瘤、多发性骨髓瘤、T-细胞恶性淋巴瘤、急性髓样白血病、头颈瘤、黑色素瘤、乳腺癌、喉癌等肿瘤中均有表达。由于多聚唾液酸能减弱细胞间的黏附作用及细胞与基质间的相互作用,从而促进癌细胞的分离、浸润和远端转移;且多聚唾液酸能够保护癌细胞逃避免疫监视,并可能提高癌细胞的神经性浸润和转移,故有促进肿瘤向脑部转移的倾向。

在肺癌中,多聚唾液酸主要由STX催化合成。多聚唾液酸化NCAM的表达与肺癌恶性程度呈正相关,其表达与肺肿瘤的低分化和侵袭性有关。在小细胞肺癌患者中,多聚唾液酸阳性患者的总存活率低于多聚唾液酸阴性病人,多聚唾液酸阳性患者预后不良,存活率低^〔15〕。在非小细胞肺癌患者中,多聚唾液酸的表达与淋巴结转移和远端转移呈正相关,STX的转录水平与肿瘤进程密切相关。STX转录水平和多聚唾液酸可作为肺癌诊断或判断预后的指标^{〔16, 17〕}。

成神经细胞瘤中的多聚唾液酸由STX催化合成,在肿瘤的所有阶段和不同表型的细胞株中,STX的mRNA转录均呈现高水平,患者血清中STX的表达水平与总存活率密切相关;治疗后骨髓中STX阳性与短存活率有很强的相关性。因此,STX的mRNA转录水平可作为转移性成神经细胞瘤的临床标识和判断预后指标^〔18〕。在成神经细胞瘤的早期,多聚唾液酸化NCAM的免疫组织化学呈现较弱的免疫反应,且血清水平正常,而在成神经细胞瘤晚期和未分化肿瘤中,其表达量最高,且与血清中的表达量相关。血清中和免疫组织化学中多聚唾液酸化的NCAM表达水平均有望成为成神经细胞瘤的临床标识。

将多聚唾液酸转移酶转染到神经胶质瘤细胞中的试验研究发现,多聚唾液酸主要黏附到分子量为140 kDa的NCAM 上,其表达与否与细胞生长速率无关,但能够促进神经胶质瘤在大脑中的浸润^〔19〕。

NACM在健康的脑垂体和垂体肿瘤中均有表达,而多聚唾液酸在健康的脑垂体中无表达,但在部分典型性垂体瘤,尤其是高侵袭肿瘤中有表达,其表达量与肿瘤大小、Ki-67指数(增殖细胞核相关抗原)、有丝分裂、年龄和性别无关联,而与肿瘤浸润密切相关^〔20〕。

在横纹肌瘤中的多聚唾液酸由PST催化合成。研究表明,多聚唾液酸化的NCAM血清水平与横纹肌肉瘤恶性程度相关。在多聚唾液酸阳性的腺泡状横纹肌肉瘤、未分化的肾母细胞瘤,其表达量与血清中的表达量相关。

多聚唾液酸与唾液酸转移酶的表达与人类肿瘤的转移呈正相关。针对抑制肿瘤转移和脑膜炎治疗,设计、合成能够选择性抑制多聚唾液酸合成的相关药物非常重要,如果降低了人类肿瘤中多聚唾液酸的表达,则可以降低肿瘤细胞的分离,从而阻止肿瘤转移。因此,将多聚唾液酸转移酶或多聚唾液酸作为肿瘤治疗靶点的药物可能成为阻止肿瘤转移的一种新手段。特异性降解多聚唾液酸的Endo-N酶,作为抗肿瘤转移药物的开发具有一定临床意义。对于多聚唾液酸形成及作用机制的研究仍然涉及不深,体内NCAM的多聚唾液酸化引起的不同分子和细胞作用机制均有待进一步研究。