豆类凝集素的功能及其种类分析

方 妍

(福建农林大学，福建 福州 350002)

1 豆类凝集素

豆类凝集素是最大的碳水化合物结合蛋白家族，其理化和生物学特性已被广泛研究。使用更新的生物化学和生物物理策略对植物凝集素家族的研究极大地推动了该领域的发展，并为研究蛋白质-碳水化合物相互作用提供了一个模型框架。对豆类凝集素单体的分析表明，它们在序列和结构上具有很高的相似性，而仅在环和链的长度上有微小的变化。单体结构显示胶状基序，为25-30 kDa的三明治型，包含碳水化合物识别结构域(CRD)和二价阳离子Ca2+和Mn2+的金属结合位点。在一级、二级和三级结构上很强的相似性和在四级结构上显示出的较大变化影响单体-单体相互作用的变化和蛋白质修饰的存在与否，例如糖基化。这些变化因为指示多价聚糖结合的特异性，具有功能含义[1-2]。大多数豆科植物凝集素以均二聚体或均四聚体(二聚体的二聚体)的形式聚集，其稳定性归于疏水作用力、氢键和离子链。

豆类凝集素被细分为2个类别，具有不可区分的或几乎不可区分的亚基，以及具有各种可区分亚基[3]。另一方面，植物凝集素的初级序列被用于推断进化的关系，豆科植物进化过程中是保守的，其广泛的同源性反映了这些植物之间的分类关系。例如直接氨基酸测序显示野生沙漠豆科植物缢蛏(A.constraca)[4]和特索塔(O.tesota)中凝集素的同源性，以及更多的家养种，如普通豆科植物和球根豆科植物。此外，抗PHA抗体显示出与来自缢蛏、普拉克斯和卡拉德尼亚的凝集素的反应性[4]。豆类凝集素的抗菌作用见表1。

2 抗菌活性

抗菌素已经被用来治疗由细菌和真菌引起的疾病，然而，越来越多的导致严重感染的机会微生物菌株对药物产生耐药性[5]。微生物耐药性是一种导致药物治疗有效性降低的遗传现象，它可能是由微生物繁殖过程中的基因突变或通过转导、结合和转化机制获得的导入基因引起的。这些基因表达的蛋白质可能通过不同的机制直接干扰微生物的生长、增殖和传播[6]，就像凝集素的情况一样，通过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潜在部位，它们与真菌结构的结合抑制了真菌的生长和萌发。用大豆和普通扁豆凝集素进行的研究为这些作用提供了证据[7]。凝集素存在于细胞质和细胞核结构中，以及几乎所有生命王国的细胞和组织的细胞外基质中，与细胞膜表面的糖基成分相互作用的[8]。因此，植物凝集素被认为在植物免疫防御中发挥重要作用，并成为潜在的抗菌药物治疗候选药物。

2.1 细菌

凝集素的抗菌活性是由于它们与细菌细胞壁的多种复杂碳水化合物能够相互作用。人们认为，植物凝集素不会改变膜结构或者膜的通透性，也不会干扰被微生物入侵的细胞内正常生理过程，而是会基于与细胞壁碳水化合物或细胞外多糖的相互作用对其产生间接影响[9]。电子显微镜研究表明，用南芥菜凝集素处理促进了革兰氏阳性菌细胞膜上的毛孔的增多，以及革兰氏阴性菌细胞壁上气泡的存在形态的改变[10]。其他报道称，凝集素的抗菌活性是通过凝集素与N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰胞壁酸和四肽的相互作用而发生的，这些凝集素与存在于革兰氏阳性细菌细胞壁中的N-乙酰胞壁酸或存在于革兰氏阴性细菌细胞壁中的脂多糖相连[11]。除了这些发现外，来自刀豆属，花生，木豆，菜豆和豌豆的豆类凝集素被证明能够抑制变形链球菌的生物膜形成，但对浮游细胞的生长没有影响 。由于细菌生物膜通过增加细菌对洗涤剂和抗生素的抵抗力而使消毒过程更加困难，豆类凝集素对生物膜形成和发展的抑制可能是通过抑制这些蛋白质的作用。

表1 豆类凝集素的抗菌作用

2.2 真菌和酵母

尽管有相当数量的凝集素已被鉴定，只有少数显示出具有抗真菌作用。由于植物凝集素不能穿透细胞壁或细胞膜到达真菌的细胞质，因此凝集素不太可能直接抑制真菌的生长。尽管如此，凝集素附着在真菌表面的几丁质和其他聚糖上产生的间接反应可能影响真菌存活或其他活动[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疗作用，如对逆转录病毒HIV和其他病毒具有显著的活性，其表面覆盖有高度糖基化的病毒编码糖蛋白，例如gp120(含有高甘露糖和/或混合聚糖)和gp41[14]。这些蛋白质上的碳水化合物特别重要，因为聚糖可以用作使病毒易于被免疫系统识别的工具，因而易受免疫中和的影响。宿主和来自病毒包膜的蛋白质之间的相互作用也可以被特异性识别并被结合多糖的化合物改变。此外，凝集素可以交联表面的病毒聚糖，从而防止与其他共受体的相互作用。

大多数当前的抗病毒疗法是通过阻断病毒的生命周期，或抑制病毒进入宿主细胞[15]。植物凝集素的抗病毒活性因其碳水化合物的特异性而有很大差异。如冠状病毒对甘露糖特异凝集素高度敏感，甘露糖特异凝集素在复制周期的早期阶段干扰病毒的附着，并可以在病毒感染周期结束时结合抑制病毒的发育[16]。大多数情况下，将抗病毒凝集素并入阴道和直肠凝胶、乳膏或栓剂中，作为阻止艾滋病传播的屏障。在这样的过程中，凝集素将阻止病毒进入和病毒与靶细胞结合，从而避免感染。其他非豆科植物凝集素也具有抗病毒活性，包括蓝藻抗病毒蛋白和香蕉凝集素等。几种豆科凝集素具有抗病毒活性，像剑齿蛇根草凝集素、小扁豆凝集素、蚕豆凝集素、香菜凝集素和红腰豆凝集素等凝集素与包膜糖蛋白gp120结合，并通过与HIV感染细胞的碳水化合物特异性相互作用来抑制其感染细胞与CD4细胞的融合[17]。此外，G. max凝集素抑制HIV-1逆转录酶活性[18]。虽然病毒糖蛋白含高甘露糖，但还需要进一步的研究来探索识别不同糖结构的凝集素，如唾液酸、岩藻糖和n -乙酰氨基葡萄糖，以期在病毒生物学领域开发新的方法和治疗方法。

3 杀虫活性

豆科植物凝集素对包括鞘翅目、双翅目、鳞翅目、膜翅目、等翅目、脉翅目和同翅目在内的多个科目的昆虫是有毒的。大量的豆科植物凝集素具有杀虫活性，包括青霉、萝卜、黑麦草、单叶皂荚、铁索他和莫南德拉[19-21]。这些凝集素在昆虫的不同发育阶段(幼虫和成虫)显示出有害的影响。在这方面，它们可能会增加死亡率，延缓发育或成虫的出现，并且会降低成虫的繁殖力。杀虫凝集素的作用方式：通常，凝集素可以通过与上皮细胞的围食膜(PM)、围食凝胶(PG)或者刷状边缘微绒毛结合而发挥毒性作用[22]。在大多数昆虫中，PM、PG是一种围绕食物丸的薄膜，由几丁质和蛋白质组成。一些具有杀虫活性的非豆科凝集素，如根霉菌凝集素和黑穗菌凝集素II，可以通过红粉甲虫、红锥叶虫的PM到达内营养空间，这种能力是由分子的尺寸和PM孔隙的电荷和大小决定的[23]。在昆虫缺乏PM的情况下，凝集素的杀虫作用可能通过它们与细胞上皮存在的糖结合物的直接相互作用来发挥。事实上，在昆虫肠道上皮细胞表面富含糖蛋白对肠道功能起决定性作用，还提供许多可用于凝集素结合的目标，而凝集素的杀虫活性依赖于与昆虫肠道上皮细胞表面糖的结合特性；昆虫中凝集素与不同糖蛋白或糖链结构的相互作用干扰昆虫的重要生理过程。虽然凝集素的关键受体可以定位在肠上皮细胞表面，但如果凝集素被内化，它们可能与位于细胞内空间的一组新靶点相互作用，从而使凝集素干扰特定的代谢途径。另外使凝集素避免被昆虫肠道消化酶降解是让它在昆虫体内发挥作用的一个重要步骤。一些凝集素杀虫效果的稳定性归因于这些蛋白质对蛋白质水解的抗性以及它们在较大pH范围内的稳定性。例如，杀虫凝集素PF2对昆虫消化酶的体外蛋白水解具有抗性。这与在酶孵育4h后被消化的PHA-E凝集素形成对比，因此后者对该昆虫没有毒性 。其他具有杀虫活性的凝集素具有不同抗蛋白酶水解的共同特征，包括单叶凝集素、欧洲乌贼凝集素和蒙纳德拉凝集素。对消化酶的抵抗程度取决于凝集素与昆虫肠道糖复合物结合的能力。单叶凝集素突变体凝集素缺乏结合碳水化合物的能力，对消化酶水解敏感，从而导致毒性丧失[24]。综上所述，植物凝集素表现出的杀虫作用是一种复杂的现象，它依赖于凝集素的能力来干扰昆虫过程中的关键生理过程。这种干扰通常可以通过缺乏营养吸收导致，当中肠上皮细胞由于凝集素与位于细胞表面或内部的靶糖作用而萎缩时，就会发生这种情况。目前对昆虫肠道中靶糖和植物凝集素的识别研究有多种受细胞途径影响的假设。这些途径因昆虫类型和凝集素的不同而不同，与公认的多糖或受体类型有关，并且可能包括能量代谢、氧化还原和离子稳态的效应器。

4 结论

从豆科植物资源中筛选和鉴定新的凝集素能够发现具有很大可能将特定的多糖与在各种生物中发现的糖靶的多样性区分开来的蛋白质。豆类凝集素可能是基于具有可变特异性的蛋白质-碳水化合物相互作用开发工具的潜能。以特定细胞为靶点的凝集素介导的药物可能成为有前景的抗癌和抗菌治疗新方法，这将直接影响经济重要领域，如制药和食品工业以及农业。此外，使用凝集素防治害虫可以提供一种可持续的害虫控制形式。需要研究凝集素的作用机制、效价与分子特性的关系，以及它们对蛋白质和基因表达的调节作用等更多的研究来探索和支持凝集素的广泛使用。