您好,请问有什么可以帮到您的。 点击这里给我发消息
武汉新启迪生物科技有限公司
新启迪-您的生物科研好伙伴!
本企业通过iso9001质量体系认证

碳水化合物特异性抗体的产生及其意义

 二维码
发表时间:2020-08-05 09:38作者:武汉新启迪生物Xinqidibio来源:www.qidibio.com

摘要

碳水化合物特异性抗体广泛存在于所有类型的免疫球蛋白中。尽管它们广泛发生,但对其形成和生物学意义知之甚少。碳水化合物特异性抗体通常在不事先暴露于外源抗原的前提下被归类为天然抗体。另一方面,免疫细胞与肠道菌群接触后会出现各种碳水化合物特异性抗体,包括抗ABO血型抗原的抗体,而肠道菌群表达了多种碳水化合物抗原。在这里,我们探索了人类中碳水化合物特异性抗体的发展,解决了天然抗体的定义以及抗原刺激后碳水化合物特异性抗体的产生。我们关注肠道微生物群不仅在肠道中而且在血液循环中对形成碳水化合物特异性抗体的重要性。细菌碳水化合物抗原与原生生物,真菌和动物的表面糖缀合物之间的结构相似性导致产生针对多种病原体的碳水化合物特异性抗体。然而,细菌和人糖缀合物之间的拟态也可以导致与人抗原交叉反应的碳水化合物特异性抗体的产生,从而促进自身免疫疾病的发展。真菌和动物导致产生针对多种病原体的碳水化合物特异性抗体。然而,细菌和人糖缀合物之间的拟态也可以导致与人抗原交叉反应的碳水化合物特异性抗体的产生,从而促进自身免疫疾病的发展。真菌和动物导致产生针对多种病原体的碳水化合物特异性抗体。然而,细菌和人糖缀合物之间的拟态也可以导致与人抗原交叉反应的碳水化合物特异性抗体的产生,从而促进自身免疫疾病的发展。

碳水化合物抗原的结构多样性

尽管碳水化合物在所有细胞和病毒颗粒的表面均显着出现,但碳水化合物并不会像肽抗原一样引发免疫反应。然而,碳水化合物特异性抗体广泛存在于所有类型的免疫球蛋白中[ 1 ]。引起免疫应答的碳水化合物抗原代表由宿主外来的单糖和寡糖组成的结构。尽管人糖缀合物包含多种结构,但人糖基化仅基于十种单糖葡萄糖(Glc),半乳糖(Gal),N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc),N-乙酰半乳糖胺(GalNAc),葡萄糖醛酸,艾杜糖醛的组合酸,木糖,甘露糖,岩藻糖(Fuc)和唾液酸N-乙酰神经氨酸(NeuAc)[ 2]。相比之下,细菌糖基化是基于由一百多个不同的单糖组成的字母。除了在人体细胞上发现的十种单糖外,细菌聚糖还包含数种脱氧糖和脱氧氨基糖,例如鼠李糖,喹诺酮糖,N-乙酰鼠李糖胺和N-乙酰基喹硫胺,阿拉伯糖和3-脱氧-D-甘露糖辛酸(KDO)[ 34 ]。相反,Fuc是唯一的脱氧己糖[ 5 ],NeuAc是唯一的唾液酸[ 6]。在人糖缀合物上发现。除了单糖组成之外,碳水化合物的构象以及由此的抗原性质在很大程度上取决于连接单糖的糖苷键的类型。因此,当Glc通过人类细胞中未使用的键聚合,例如在真菌和细菌β-葡聚糖中发现的β1-3或β1-6时,可以被识别为外源抗原并引发抗体的产生[ 7 ]。单糖的多种结合以及在原核生物[ 8 ]和真核生物[ 4 ]中出现的广泛的糖苷键,产生了广泛的碳水化合物抗原库,可刺激人类产生抗体。

公认的碳水化合物抗原

血清IgM和IgG的大型池识别各种糖类抗原[的9101112 ]。这些最著名的抗原包括单糖α-鼠李糖,α-GlcNAc和β-GlcNAc[ 10 ],以及硫酸化的Gal(β1-4)GlcNAc结构[ 9 ]。还普遍观察到针对Glc,α-Gal和GlcNAc(β1-4)GlcNAc的β4连接寡糖的抗体[ 10 ]。碳水化合物抗原的谱系识别显示人类[之间的大的个体间变异性1013]。尽管识别了单糖和二糖表位,但大多数循环的碳水化合物特异性抗体与较大的糖缀合物低特异性结合,从而防止了弥散性抗体介导的炎症反应和自身免疫的发生[ 9 ]。α-鼠李糖是一种单糖抗原,与人血清中的高抗体滴度有关[ 14 ]。这个突出是由缺少对人的糖缀合物的鼠李糖和其对微生物多糖[普遍发生说明1516]。与碳水化合物特异性抗体相关的另一种人异种抗原是唾液酸N-羟乙酰神经氨酸(NeuGc)。通过胞苷一磷酸-N-乙酰神经氨酸羟化酶基因的失活,除了NeuAc [ 17 ] ,人类已经失去了生产NeuGc的能力含有NeuGc糖蛋白的接触刺激朝向NeuGc [生产高抗体效价的181920 ]。尽管两个唾液酸之间的结构相似,但NeuGc特异的抗体不会与NeuAc发生交叉反应[ 21 ](图1a)。

图1:人抗体普遍识别的聚糖表位。
图1

一个 N-乙酰基神经氨酸(NeuAc的)和N-羟-神经氨酸(NeuGc)仅由NeuGc额外羟基的发生不同。b Forssman和Galili抗原的示意图结构。使用最小命名法标记糖苷键;对于α1-3,α3,对于β1-3,β3,对于β1-4,β4。c ABO血型抗原的结构示意图。d半乳糖(Gal)和N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)在C2处带有突出的乙酰氨基基团的化学组成。e Lewis抗原Lewis A,B,X和Y的示意图结构。f P血型抗原Pk,P和P1的结构。

两个二糖结构Gal(α1-3)Gal和GalNAc(α1-3)GalNAc也是碳水化合物特异性抗体识别的主要表位。前者的二糖通常称为Galili或α-Gal表位[ 22 ](图1b)。α-Gal的抗体[ 23 ]组成的人血清[在循环IgG的1%2425 ]。α-Gal抗体仅存在于人类,猿猴和旧猴的血液中,因为这些类群具有无效的假基因,而不是功能性的1-3 Gal转移酶基因[ 26 ]。靶向Gal(α1-3)Gal的循环抗体滴度升高,解释了人类体内移植的异种移植物(例如猪器官)的超急性排斥[ 2728 ]。在暴露于在其细胞壁糖缀合物上表达Galili表位的肠道细菌后,α-Gal抗体会在生命的最初2年发展[ 29 ]。二糖GalNAc(α1-3)GalNAc,也称为Forssman抗原[ 30 ],是人聚糖中不存在的另一种表位,但广泛分布于动物细胞和细菌糖缀合物上(图1b)。因此,福斯曼抗原是[具有最高抗体滴度在人体相关联的碳水化合物结构3132 ]。

碳水化合物特异性抗体还包括靶向人类多态寡糖结构的抗体。各种血型系统,例如ABO,Lewis和P抗原系统,都是基于多态糖基转移酶基因的选择性表达。人类9号染色体上ABO糖基转移酶基因包含多个等位基因,这些等位基因编码产生A抗原的α1-3GalNAc转移酶,或产生B抗原的α1-3Gal转移酶,或产生O抗原的非活性蛋白。 [ 33 ](图1c)。A和B抗原之间的结构差异仅与C2上的乙酰氨基基团差异交换羟基有关(图1d),但是这种差异以及针对ABO抗原的高滴度循环抗体的存在,排除了不兼容ABO血液的输血。19号染色体上的两个基因负责内脏组织(例如肠上皮细胞)和分泌物中Lewis抗原的表达[ 34 ]。FUT3编码一个α1-3/ 1-4 Fuc转移酶,产生Lewis A抗原,FUT2编码一个α1-2Fuc转移酶,它向Lewis A抗原添加第二个Fuc残基,产生Lewis B抗原[ 35 ] (图1e)。路易斯A和B抗原在红细胞上的后续表面呈递是基于表达抗原的糖脂在细胞膜中的转运和掺入。Lewis X和Lewis Y抗原(未定义为血细胞抗原)由相同的糖基转移酶使用不同的前体聚糖合成而成[ 34 ](图1e)。P血型系统的定义是在人类红细胞上存在三种主要的糖鞘脂抗原P1,P和Pk,从而产生五种表型。最常见的两种是表达P1,P和Pk抗原的P1表型和表达P1和Pk抗原的P2表型[ 36 ]。A3GALT染色体上的基因22个编码α1-4半乳糖基转移,这增加Ga1到paragloboside或乳糖苷神经酰胺,导致P1和PK抗原,分别[ 3738 ]。P抗原是由B3GALNT1基因产生的,产生一个β1-3GalNAc转移酶1,这会在Pk抗原上添加一个GalNAc [ 39 ](图1f)。

可以在生命早期就检测出碳水化合物特异性抗体,而无需进行免疫接种,例如通过感染和疫苗接种。没有预先免疫存在的抗体通常归类为天然抗体[ 4041 ]。由细菌肠的出生后右早期定植[ 42 ]公开的免疫系统的广泛新颖糖抗原,这导致,例如,到出现α-Gal和特定ABO抗体[ 2543 ] 。因此,共生细菌的早期免疫刺激可能导致产生碳水化合物特异性抗体。产生的问题是所有归类为天然抗体的抗体是否确实是非抗原诱导的抗体。

天然抗体

与成熟的B细胞以T细胞依赖性方式产生的抗原特异性抗体相反,天然抗体定义为无需抗原刺激和T细胞协助即可产生的免疫前抗体[ 40 ]。因此,天然抗体不严格地说抗原特异性,但是它们由聚反应性结合到广泛范围的微生物[有助于保护从细菌和病毒感染4445 ]。天然抗体,主要包含IgM类抗体,但也IgA的[ 46 ]和IgG [ 4748 ],显示低结合亲和力和发生少量[ 4049]。虽然天然抗体不经历体细胞高变,它们中的一小部分可以携带突变的可变区,考虑到高变的低速率发生,即使没有T细胞的信号[ 5051 ]。天然抗体是通过先天样B细胞,主要是B1 CD5产生+细胞,在Toll样受体的活化[ 404152 ]。

B1细胞通过将合并的标记物CD20限定+ CD27 + CD43 + CD70 - [ 53 ],并且可以是CD5 +或CD5 - [ 5455 ]。CD5 + B1细胞,也称为B1a细胞,主要在胎儿和新生儿发育期间由胎儿网膜或胎儿肝脏中的祖细胞产生,而成人骨髓中通常不存在。CD5 - B1细胞中,被称为B1b矮秆基因的细胞,也存在于胎儿网膜和肝脏,而且附加地发生在成人骨髓,因此提供B1-细胞库[持久维护4054]。相比之下,胎儿大网膜中不存在定义为B2细胞的常规B细胞。B1A细胞并且通常由种系V基因VDJ重组过程中编码不具有或具有体细胞突变和低N区多样性[率低54565758 ]。最近的研究,然而,突出显示鼠标菌素B1a细胞,其产生具有高N区多样性和抗体将经历体细胞超突变和类别转换随着年龄的增加[抗体的存在5960 ]。由于在无菌小鼠中天然IgA和IgG的水平较低,但IgM的水平并不低[ 61],通过先天免疫刺激或通过直接抗原刺激暴露于肠道菌群,可能有助于天然IgG和IgA的出现[ 40 ]。但是,这种解释将暗示并非所有天然抗体都遵循常规定义,即不依赖抗原。

碳水化合物特异性抗体的开发

尽管广泛存在并且种类繁多的碳水化合物特异性抗体,令人惊讶的是关于它们的起源和成熟性知之甚少。传统上认为,碳水化合物特异性抗体以非T细胞依赖性方式被诱导。许多年来,该接受的教条指出,碳水化合物特异性抗体具有低的亲和力和特异性,并且主要局限于在血液中[该IgG2亚类62636465 ]。然而,最近的研究中所述碳水化合物的特异性抗体的免疫球蛋白的多个亚类中[ 6667 ]和证明高亲和力碳水化合物特异性抗体[存在68]。

对于肽抗原而言,抗原加工和呈递的途径是公认的。内吞后,吞噬溶酶体中的肽类抗原被分解,片段呈现在细胞表面主要组织相容性复合物(MHC)-II分子的凹槽中(图2)。MHC-II由所有抗原呈递细胞表达,包括B细胞,树突状细胞和巨噬细胞。细胞内抗原由MHC-1处理并呈递给所有细胞类型表面[ 69]]。特异性抗体的产生是由于幼稚B细胞与提供共刺激信号的T细胞结合而激活的。随着活化的B细胞增生并进入淋巴滤泡的生发中心,与T细胞的相互作用介导了类别转换和体细胞超突变,并最终导致成熟的IgG取代了具有高抗原亲和力的IgM一级抗体。高亲和力的记忆B细胞和长寿命的浆细胞,产生大量的抗体,留在次级淋巴器官或迁移至骨髓[ 7071 ]。

图2:不同类型碳水化合物结构的抗原加工和呈递。
图2

细胞外糖蛋白被吞噬在吞噬或吞噬的囊泡中,在吞噬溶酶体中分解,糖肽片段被装载在主要的组织相容性复合物II(MHC-II)上,呈现在细胞表面。两性离子多糖也适用类似的机理,但是取决于一氧化氮(NO)的处理机理不同。糖脂在被脂质转移蛋白(如鞘脂脂蛋白)捕获后,与MHC-1相似,出现在CD1型蛋白上。可溶性寡糖和多糖加工和呈递的潜在机制尚不清楚,但可能涉及通过抗原呈递细胞表面表达的C型凝集素进行结合。

碳水化合物特异性抗体的产生可能部分遵循经典的抗原呈递途径和T细胞依赖性激活。糖肽可以像标准肽抗原一样通过MHC-II呈递。碳水化合物部分可以被聚糖特异性的B细胞识别,而特异性识别相同糖肽抗原的T细胞则提供了必要的共刺激活性,从而确保了抗体的成熟[ 72 ]。不含肽组分的一些两性离子多糖共享由MHC-II进行处理以激活T细胞和B细胞的能力[ 73747576 ]。研究最多的两性离子碳水化合物抗原包括来自以下物种的1型荚膜多糖肺炎链球菌 [ 747677 ],从荚膜多糖A 脆弱拟杆菌 [ 7477 ],和两性离子的基序中的金黄色葡萄球菌的多糖[ 78 ]。

某些类型的抗原可以在没有T细胞帮助的情况下激活B细胞。类型1的T细胞非依赖性抗原包括起多克隆B细胞激活剂作用的异源细菌成分。2型抗原包括具有重复基序的聚合物,例如多糖[ 79 ]。由于其结构类型2抗原可以交联几个B细胞受体,从而导致细胞活化。在许多情况下,非T细胞抗原会触发其他信号,例如与Toll样受体结合,从而激活B细胞[ 80 ]。这种机制通常会导致产生IgM和IgG类的低亲和力抗体,并且无法刺激生发中心和诱导免疫记忆[ 81]]。在粘膜组织中,非T细胞依赖性机制可确保有效的B细胞活化,并具有免疫球蛋白类别转换重组功能。该途径主要发生在固有层和分离的淋巴滤泡中。树突状细胞分泌的TNF超家族蛋白BAFF [ 82 ]和APRIL [ 83 ] 增强了B细胞的活化,它们诱导了活化诱导的胞苷脱氨酶的表达(图3)。以这种方式激活的B细胞会经历类转换重组,但不会发生体细胞超突变,因为它们不会重新进入生发中心[ 84 ]。在肠道微生物定殖后,BAFF / APRIL介导的途径在糖类特异性IgG和IgA的产生中起主要作用[ 85]]。

图3:B细胞的T细胞依赖性和非依赖性活化。
图3

T细胞通过涉及抗原结合的MHC-II与T细胞受体(TCR)的多种相互作用激活B细胞并促进抗体类别转换,并通过共受体系统CD40-CD40L,ICOS-ICOSL,PD1 / PD1L激活,以及CD28-CD80 / 86。在没有MHC-II抗原呈递给T细胞的情况下,B细胞活化和免疫球蛋白类别转换可通过与髓样细胞(如树突细胞(Dc))分泌的活化蛋白BAFF和APRIL结合而介导。在与硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)停靠后,APRIL与其B细胞上的受体TAC1结合。

糖脂抗原可以通过CD1家族的MHC样蛋白呈递给T细胞,这些蛋白主要在巨噬细胞,树突状细胞和B细胞上表达。MHC-1和CD1在结构上相关,并且具有相似的抗原呈递机制,不同之处在于糖体抗原的负载是由内体中不同的脂质转移蛋白所辅助的[ 86 ]。在人类中,CD1家族由五种亚型组成,它们被分为三个亚组,分别与不同类型的抗原结合,分别为CD1a-c,CD1d和CD1e。CD1d呈递的糖脂可激活不变的自然杀伤性T细胞,尽管它们已经描述了具有更多可变T细胞受体的CD1d反应性细胞,但它们在其T细胞受体中表达不变的α链[ 87]]。CD1亚型主要与糖链短的糖脂的出现有关[ 88 ],其中包括微生物和自身脂质,脂肽和糖脂抗原,例如α-Gal-神经酰胺,一种在海洋海绵中发现的糖鞘脂[ 89 ]。

尽管大多数碳水化合物特异性抗体的亲和力很低,但最近的工作描述了高亲和力抗体,它们可以识别肺炎克雷伯菌的 O-抗原和其他细菌的相关脂多糖(LPS)[ 68]]。这些抗体发生体细胞突变,产生强烈的抗原结合并且缺乏多反应性。作者认为,同时存在于细菌膜中的聚糖和蛋白质抗原的摄取,可以解释识别O抗原的B细胞如何间接获得T细胞的帮助并经历亲和力成熟。由于对不同微生物种类的反应性,许多重新进入生发中心可能导致高水平的体细胞超突变。该实施例强调了区分独特抗原遭遇(例如在非复发性感染中)和重复抗原暴露(如在肠道细菌和环境抗原的情况下发生)之间的区别的重要性。

通过微生物暴露诱导碳水化合物特异性抗体

肠道菌群对宿主免疫力的持久挑战导致针对某些碳水化合物抗原的高抗体滴度。实际上,碳水化合物特异性抗体的产生与出生时肠道的微生物定殖相吻合。出生前,IgG从母体循环转移到穿过胎盘的胎儿。出生后,额外的母体IgG和IgA通过母乳传递给乳幼儿[ 90 ]。尽管抗体的发育和成熟是从妊娠的晚期开始的,但新生儿抗体在很大程度上尚未成熟[ 91 ]。的功能性IgM和IgG全集发展平行与子宫外环境[第一接触9293],但需要几年的时间,直到抗体成熟[完成9495 ]。一些碳水化合物特异性IgM已报道在脐带血[ 96],虽然它们保持在生活[第一周边缘97生命的头几个月内,婴儿开发碳水化合物特异性抗体如ABO特异性IgM [ 98 ]和α-Gal的抗体[ 2999 ]。在8个月大时,婴儿会表达B1和B2细胞衍生的ABO抗体,因此表明这些抗体的特异性抗体已经成熟,超出了天然抗体[ 98]]。B2细胞衍生的ABO抗体的存在通过强调肠道细菌刺激[驱动的抗体成熟过程100101102 ]。同样的原理已被建议用于生产α-Gal的特异性抗体[的2543 ]。该α-Gal的表位发生若干的表面上肠杆菌,包括克氏杆菌物种,明尼苏达沙门氏菌大肠杆菌O86:B7 [ 25103 ]。大肠杆菌 O86:B7 对缺乏α1–3 Gal转移酶Ggta1的小鼠的定殖导致产生了α-GalIgM [104 ]。类似地,人类摄入大肠杆菌O86:B7会触发针对血型B抗原的抗体的产生,其中包括与α-Gal相关的表位[ 101 ](图4a)。据报道,在Ggta1基因缺失的小鼠中,肠道菌群的组成与碳水化合物特异性抗体之间存在相关性,其中梭菌,细菌,乳酸杆菌和无细菌的变化与碳水化合物特异性抗体的水平和组成相关[ 105]。 ]。

图4:动物聚糖表位和细菌聚糖之间的分子模拟。
图4

脂多糖(LPS)上表达的Galili 异种抗原大肠杆菌 O86 O抗原示意图结构保守的Gal(α1-3)Gal基序以蓝色突出显示。b 脑膜炎奈瑟氏球菌杜氏嗜血杆菌的脂寡糖(LOS)的结构,包括在人乳寡糖和鞘糖脂中发现的乳酸-N-新四糖(LNnT)表位。c Lewis Y表位与幽门螺杆菌 M019 的LPS之间的相似性d神经节苷脂GM1和空肠弯曲菌 LOS表位的结构示意图

除了引发抗体的产生,肠道菌群大大有助于粘膜免疫系统[开发106107108 ]。碳水化合物的特异性IgA分泌到肠腔直接结合到微生物群[ 109110]。除了肠的IgA,IgG的靶向肠细菌的聚糖,如LPS,也常用于血清[发现111112113 ]。这些血清IgG识别共生细菌和致病细菌的聚糖表位[ 66 ]。无菌小鼠定植后,识别肠道细菌的血清IgG的效价增加[ 114115 ]。如小鼠模型所示,由肠道菌群引起的这些全身性抗体有助于保护宿主抵抗大肠杆菌沙门氏菌感染[ 116 ]。

肠道微生物可以通过不同的机制刺激全身性抗体的产生。共肠细菌可通过直接易位到达肠道外部位,从而诱导全身性抗体反应[ 117 ]。疾病,如炎性肠疾病和糖尿病,担纲增加循环IgG肠道细菌[肠上皮显示升高水平的通透性118119120121 ]。屏障功能的丧失以及随后细菌向系统内的移位通常会导致抗共价IgG [ 122]]。在肠道通透性瞬时或局部变化也可通过胃肠道感染,药物,毒素,营养不良,或者甚至心理应激[触发123124 ]。一些细菌依靠强力因素穿透肠道屏障并达到血液循环[ 116 ]。肠道微生物抗原也可通过跨越上皮[延伸其树突树突细胞直接采样125126 ]。一些微生物抗原可以在穿过小肠的过程中被派伊尔斑块捕获,并被潜在的淋巴样细胞处理[ 127 ]。

碳水化合物特异性抗体的作用

识别共生细菌的肠道碳水化合物特异性抗体可通过减少细菌抗原表达和随后的促炎性信号传导来介导耐受性,从而帮助控制宿主微生物体内稳态[ 128]。靶向肠道微生物聚糖碳水化合物特异性抗体可以交叉反应对病原体表达的结构上相似的抗原并由此有助于广泛保护对感染[ 4445 ]。例如,最初针对肠道细菌的α-Gal抗体可部分抵御疟疾恶性疟原虫循环中的α-GalIgM和IgG与子孢子形式的糖基磷脂酰肌醇固定的蛋白质上的α-Gal决定子结合。恶性疟原虫这一机制解释了为什么人们在疟疾流行地区高α-Gal的IgM水平已经降低感染的风险[ 104129 ]。在小鼠中,口服大肠杆菌 E86:B7 可提高α-Gal抗体水平,该大肠杆菌在LPS O抗原的背景下表达α-Gal表位[ 104 ](图4a)。沿着这条线,一个肠道菌群与丰度更高肠杆菌科,包括大肠杆菌志贺氏菌,用的风险降低相关的恶性疟原虫感染的个体中从疟疾流行区域[ 130]。通过特定的肠道细菌对寄生虫感染所赋予的保护开辟了益生菌的新疫苗接种策略的引入对疟疾[新视角131132 ]。

对于锥虫利什曼原虫的感染,已经概述了类似的保护机制,因为这些寄生虫还在其表面聚糖上表达α-Gal[ 133 ]。因此,Leishmania-锥虫感染的人产生高水平的α-Gal的抗体[的131134135 ]。这些α-Gal的抗体可裂解trypomastigotes,胞外形式克氏锥虫在感染的人[的血液中发现的136137]。最近,已证明用α-Gal纳米颗粒进行疫苗接种可预防利什曼原虫感染[138]。已显示,在感染或免疫后使用呈现α-Gal表位的糖缀合物诱导的α-Gal抗体的保护作用通常要强于健康个体中的天然α-Gal抗体[ 139 ]。另一方面,在某些革兰氏阴性细菌中,α-Gal抗体与LPS的结合通过替代途径导致补体激活降低,这表明碳水化合物特异性抗体在某些情况下也可能有助于致病菌的存活,因此,作为传染病的促进者[ 140 ]。

与α-GalIgM和IgG在预防传染病方面的积极作用相反,IgE类的α-Gal免疫球蛋白与对红肉的过敏反应有关。红肉消费后迟发性过敏反应的病例尚不清楚已经被蜱叮咬的受影响的病人[历史相关的141142 ]。进一步的研究证实α-Gal的IgE的诱导连续的蜱叮咬[ 142143 ]。该α-Gal的表位是在蜱[唾液确定144 ],但导致朝向碳水化合物表位的产生IgE的机制仍不清楚[ 143145]。这些抗体识别牛肉,猪肉或羊肉的肉类产品的糖蛋白和糖脂上存在的α-Gal表位,如牛肉蛋白中的α-Gal表位所证实,肉过敏患者的IgE可以识别[ 146 ]。

有趣的是,α-GalIgE抗体还负责引发对抗癌药西妥昔单抗的过敏反应,西妥昔单抗是一种在其聚糖链上包含α-Gal表位的单克隆抗体[ 147 ]。血清中高水平的α-GalIgE的存在现在被称为α-Gal综合征,从理论上讲,这些抗体可引起对乳制品和含有明胶的食物以及药物,抗毒物和生物假体心脏的过敏反应阀[ 145 ]。然而,大多数研究病例仅限于对西妥昔单抗的立即过敏反应和对红肉的延迟反应或对内脏的即时反应,例如猪肾[ 148]]。红肉摄取延迟反应很可能解释通过消化和携带含有α-Gal的消化产物的脂质颗粒的吸收缓慢动力学到循环[ 149150 ]。

碳水化合物抗原模拟

尽管原核和真核糖缀合物之间存在巨大的结构差异,但系统发育距离较远的生物体之间仍共享特定的碳水化合物结构。这样的结构相似性可能是偶然的或有目的的。肠道微生物对ABO血型抗原的表达可能反映了随机选择过程,该过程与人细胞上ABO抗原的表达无关。在另一方面,一些细菌依靠分子模拟[ 151为了]逃避宿主免疫或利用宿主免疫,以促进感染[ 72152 ]。致病菌包括脑膜炎奈瑟菌淋病奈瑟氏菌流感嗜血杆菌杜克雷嗜血杆菌表达携带类似于lactoneo系列鞘糖脂[表位脂寡糖(LOS)152153154155156157 ](图4B)。淋病奈瑟氏球菌,脑膜炎奈瑟氏球菌流感嗜血杆菌也表达唾液酸化LOS结构[ 158159160161 ]。除了模仿LOS外,脑膜炎奈瑟氏球菌合成聚唾液酸的保护性多糖胶囊。C组脑膜炎球菌产生具有高免疫原性的α2–9连接的唾液酸聚合物,而B组脑膜炎球菌的胶囊则是由α2–8连接的唾液酸构建的[ 72 ],其模仿宿主多唾液酸[ 162 ]。A组链球菌的透明质酸胶囊是抗原模仿的另一个例子,其有助于病原体[毒力163164 ],而模仿透明质酸,人胞外基质[的基本组成部分165几种肠道细菌表达与人聚糖相似或相同的碳水化合物表位。幽门螺杆菌的许多菌株本岩藻糖化的O-抗原结构类似于岩藻糖化的路易斯X或的Lewis Y血型抗原[ 152166 ](图4C)。细菌O多糖中哺乳动物糖蛋白表位的其他例子存在于不同的大肠杆菌血清型中,包括T抗原,唾液酸T抗原和1型和2型链[ 167 ]。

肠细菌模拟碳水化合物抗原的表达通常依赖于宿主糖缀合物衍生的单糖的挽救。例如,流感嗜血杆菌使用宿主来源的唾液酸组装其LPS [ 168 ]。淋病奈瑟氏球菌也将宿主来源的唾液酸并入其LOS [ 160 ]。Fuc是另一种宿主衍生的单糖,经常被肠道细菌内化。多形拟杆菌和属的其他成员杆菌表达岩藻糖苷酶的酶和岩藻糖转运系统使得单糖的内在化和利用[ 169]。除产生能量的分解代谢外,Fuc还可被酶1 -fucokinase / GDP-Fuc焦磷酸化酶转化为活化形式的GDP-Fuc [ 170 ],这导致其掺入细菌荚膜多糖或糖蛋白中[ 72 ]。虽然模仿碳水化合物抗原的产生可能通过逃避宿主免疫系统而有助于共生或致病细菌的存活,但与内源性聚糖相似的抗原的识别可能会导致碳水化合物特异性抗体的产生,从而通过交叉交叉触发自身免疫反应与宿主糖缀合物反应。

自身免疫

分子模仿已被证明有助于自身免疫疾病的出现,例如格林-巴雷综合征和多发性硬化症。格林-巴雷综合征是典型的自身免疫性疾病的例子,这种疾病可能是由细菌感染后出现的交叉反应抗体引起的[ 171 ]。格林-巴利综合征是周围神经系统的神经病,其中神经元通过涉及抗体与表面神经节苷脂反应的免疫反应而受损。本病是急性弛缓性麻痹的一个主要原因,因为人类消灭脊髓灰质炎[中172173174 ]。研究表明,几种细菌和病毒感染可导致格林-巴利综合征的发展。空肠弯曲菌是引起急性肠炎的细菌[ 175 ],是最常见的与格林-巴利综合征相关的病原体[ 176 ]。涉及抗体空肠弯曲杆菌表面抗原交叉反应与对周围神经表达神经节苷脂,从而促进去甲基化和轴突损伤[ 177178179 ]。空肠弯曲杆菌表达唾液酸化的LOS结构,该结构非常类似于神经节苷脂,例如GM1(图4d)。在格林-巴利综合征的发展疑似分子模拟由研究显示患者的吉兰-巴雷综合征[血清中抗神经节苷脂抗体进一步证实了180181 ]。来自动物实验的证据进一步表明,用模拟神经节苷脂空肠弯曲杆菌LOS 免疫的兔子产生了与宿主神经节苷脂交叉反应的高滴度LOS抗体[ 182]。

多发性硬化症是另一种自身免疫性疾病,其中已鉴定出对碳水化合物表位具有特异性的自身抗体。自身抗体靶向髓鞘蛋白引发的中枢神经系统白质和灰质的损害,从而导致渐进性肌肉无力,感觉异常,视力减弱和认知能力下降[ 183184 ]。抗体靶向神经节苷脂GM1,GM2,和G7的水平升高已报告多发性硬化症患者[ 185186 ]。额外的自身反应性碳水化合物特异性抗体已经确定在过去几年中,如抗体与GLC(α1-4)GLC [反应10187 ],半乳糖脑苷[ 188]和硫酸化碳水化合物[ 189 ]。这些自身反应性抗体的发展中可能涉及的传染因子的参与仍不清楚。

碳水化合物特异性抗体的滴度增加也出现在炎症性肠病中,包括克罗恩氏病和溃疡性结肠炎。这些抗体识别被肠道微生物,如laminaribioside,昆布多糖,mannobioside,chitobioside,和壳多糖[表面上经常发现的低聚糖190191192193 ]。在我们的研究中,我们观察到患者血清碳水化合物增加抗体反应与克罗恩病与健康对照,这主要是由较高的抗体反应反映到岩藻糖化低聚糖和可能与增加抗体识别肠相比拟杆菌种[ 194]。考虑到肠道营养不良和改变的抗菌抗体之间的联系,提出了这些靶向细菌抗原的抗体是否有助于炎症性肠病的病因。尽管有大量的研究概述了炎症性肠病中肠道菌群的改变和碳水化合物特异性抗体的增加,但这些抗体与炎症性肠病中观察到的炎症反应的加剧之间仍存在直接联系。超出上述示例寻址这里,增加的碳水化合物特异性抗体的水平已经在其它自身免疫性疾病,包括系统性红斑狼疮,1型糖尿病和链球菌感染后心脏疾病[也报道186195196197198]。

分析工具

由于与聚糖的纯化和合成相关的挑战,碳水化合物-蛋白质相互作用的研究明显落后于其他大分子相互作用的类似研究。考虑到糖缀合物的广泛结构多样性,使得能够对广泛范围的碳水化合物结构进行平行和定量分析的技术可能会产生有关识别聚糖抗原的抗体的特异性和亲和力的最可靠信息。因此,事实证明,大规模的聚糖阵列是定量分析碳水化合物与蛋白质相互作用的宝贵资源[ 199 ]。

而阵列中显示的核酸[ 200 ]已经广泛用于几十年中,第一聚糖阵列[应用201202203出现在2000年代初期。聚糖阵列主要由纯化的或化学合成的聚糖组成,通过将聚糖直接吸附到硝化纤维素表面上或通过不同的化学键合方法将其固定在载玻片上。使用带有连接的化学接头和覆盖有匹配官能团的载玻片的聚糖,共价固定化化学技术克服了吸附的局限性,包括各种固定化效率和非特异性结合。化学固定化主要通过胺官能化的聚糖与N-羟基琥珀酰亚胺酯,具有马来酰亚胺基团的硫官能化的聚糖以及具有环氧基的胺或硫官能化的聚糖的反应来进行。此外,204205 ]。一种类型的阵列显示已知的结构,而shot弹枪阵列则由聚糖组成,这些聚糖与具有不确定结构的天然来源分离。除了可以通过质谱和NMR光谱对单个未知聚糖进行结构分析外,shot弹枪阵列上的聚糖还可以通过聚糖结合蛋白直接在阵列上进行分析[ 206]。具有确定的聚糖结构的聚糖阵列已用于表征聚糖结合蛋白的结合特异性,在此之前已证实了几种植物凝集素,人,细菌和病毒聚糖结合蛋白的特异性[ 207]。同一项研究在人血清中检测到多种碳水化合物特异性抗体,并建议在诊断中使用聚糖阵列[ 207 ]。实际上,聚糖阵列也被用作诊断工具,以检测针对碳水化合物的特异性抗体,所述抗体针对对细菌或病毒抗原或聚糖癌标志物具有特异性的聚糖结构。通过人血清抗体检测固定的,表征良好的多糖比使用粗细菌裂解液检测的优势是避免了假阳性诊断[ 208 ]。伯克霍尔德氏菌荚膜多糖抗体的特异性检测与在同一人的感染前血清中不存在这些抗体的情况相比,证实了在人腺体患者的血清中存在这种抗体[ 208 ]。此外,微阵列分析允许区分不同类型的沙门氏菌感染。在含有沙门氏菌血清型副伤寒,鼠伤寒或肠炎的特异性O抗原寡糖的微阵列上测试沙门氏菌病类型患者的血清,可以正确检测抗体[ 209 ]。

聚糖阵列的应用可以提供与已建立的遗传标志物互补的有价值的信息,例如在不同类型的癌症中建立新的生物标志物时。基于聚糖阵列,可以鉴定出在卵巢癌的情况下可以明显地区分恶性肿瘤和健康对照的24种聚糖[ 210 ]。另一项研究表明,霍奇金淋巴瘤的血清抗体水平与特定聚糖之间存在关联[ 211]。通过快速筛选广泛的潜在聚糖结构作为感染人群血清抗体的靶标,聚糖阵列还可用于糖缀合物疫苗的开发[ 212 ]。例如,分析粪便和血清样本含有艰难梭菌细胞壁多糖PS-I和PS-II的寡糖表位的微阵列上的艰难梭菌患者证实了新的疫苗候选物[ 213 ]。评估细菌或病毒结合的宿主碳水化合物结构,如流感病毒,以宿主受体[相互作用时聚糖阵列是强大的资源214215216217]。此外,已开发出由固定化抗体或凝集素组成的阵列来分析碳水化合物的结合特性[ 218 ]。以类似方式分析碳水化合物特异性抗体的其他工具包括经典方法,例如ELISA [219220 ],还创新的方法,包括复用悬浮阵列[ 221 ]或基于细胞的聚糖阵列[ 222 ]。

研究未知聚糖结构的另一种方法是分析聚糖合成所需的酶,例如糖基转移酶或聚糖前体转运蛋白。鉴于与蛋白质相反,聚糖不是由基因组模板编码的,因此无法在基因组水平上直接鉴定它们。对编码聚糖前体的糖基转移酶或转运蛋白的基因的鉴定产生了预测聚糖组装的信息。最近,基因分析发现了拟杆菌属中的数千种聚糖酶[ 223]。]。在细菌基因组中,糖基化基因通常聚集在糖基化位点中,可通过搜索保守基因来鉴定。鉴定出的基因可以重组表达,以验证其功能并分析产生的聚糖结构。最近介绍了使用CRISPR干扰来操纵基因表达的共生细菌的其他遗传工程[ 224 ]。与CHO细胞或工程化噬菌体展示方法用于聚糖阵列结合了经典聚糖阵列分析的基因组的可能性,以允许快速和成本效益高吞吐量测试[ 222225]。基于细胞的聚糖阵列可通过流式细胞术直接测试CHO细胞表面的聚糖结合。使用重组糖基转移酶,唾液酸和Fuc,可以将自然存在于CHO细胞上的少量不同聚糖结构转化为具有独特碳水化合物表位的多样化聚糖库。当用表达Siglec-15配体的细胞测试骨祖细胞时,通过鉴定与破骨细胞分化相关的高亲和力配体,证明了基于细胞的聚糖阵列的实用性[ 222 ]。为了克服化学合成或聚糖分离耗时的挑战,采用工程化大肠杆菌的糖阵列展示了多种表面聚糖表位的噬菌体已被开发。与通过流式细胞仪检测细胞的基于细胞的聚糖阵列相反,可以将糖噬菌固定在载玻片上,从而以经典的阵列形式对聚糖相互作用进行高通量检测[ 225 ]。

结束语

碳水化合物特异性抗体通常被称为没有潜在的特定成熟过程的天然抗体。这种简单的观点不能解释从出生开始就暴露于肠道菌群而产生的大量碳水化合物特异性抗体,正如高滴度的ABO和α-Gal特异性抗体所证明的。全身性细菌诱导的碳水化合物特异性抗体的存在有助于保护免受病原体的侵害,但是在抗原模仿的情况下也可以解释自身免疫性疾病的发展。碳水化合物特异性抗体的功能在很大程度上突出了它们在人类健康和疾病中的重要性。

武汉新启迪生物科技有限公司联系邮箱:
service@qidibio.com  techsupport@qidibio.com  
武汉新启迪生物科技有限公司咨询客服:周一至周五8:30-17:30
联系我们
服务保障                        支付方式
武汉新启迪生物科技有限公司联系电话:
027-87610298
027-87610297