糖类抗癌疫苗和癌症聚糖诊断共同聚焦糖基化变化(分子生物学论文)

日前，美国加州大学伯克利分校化学系与劳伦斯·伯克利国家实验室材料科学部的Danielle H.Dube与分子和细胞生物学系的Carolyn R.Bertozzi等人发表论文，就癌症聚糖诊断的前沿进展和糖类抗癌疫苗——这两个癌症基础研究热点的最新进展做了综述。

癌症聚糖诊断基于糖基化变化

在该论文中，两位研究人员指出，研究表明恶变的聚糖变化可以用于论断。例如，常用于结肠癌的“CEA”测试能监测癌症相关聚糖（sLea）的特异抗体的血清水平。而其它血清标记物的聚糖分析，例如CA125和前列腺特异抗原，则分别显示了乳腺和前列腺肿瘤组织中糖基化明显变化。这些研究表明，糖基化的特异变化可用于诊断。

但是，对于目前许多癌症的临床诊断来说，没有血清标记物可供应用，必须直接分析组织结构。用于监测肿瘤特异性糖基化的现有诊断方法需要手术活检，随后采用血凝素或者单克隆抗体进行组织学分析。但在这一领域一个有趣的未来方向是采用图像对比探针靶向糖基化异常。

该论文指出，到目前为止，分子成像领域集中于采用抗体结合、受体配基或酶底物/抑制剂靶向的蛋白质标记物，但仅有一项糖基化改变的间接显像报告问世。糖基化低下MUC1抗原（uMUC1）在许多人上皮细胞腺癌中高度过表达，是肿瘤发生的早期标记。在其糖基化低下状态时，这种蛋白可以被源于单克隆抗体的特殊肽（EPPT1）识别。利用这个机制，美国学者Epenetos和合作者开发的一种EPPT1-99mTc探针来监测乳腺癌患者的病情变化。新近，该国学者Dai和合作者合成了一种EPPT1，它能与磁共振和光学成像技术结合起来。在uMUC1阳性鼠科肿瘤模型中采用这种多重模探针显示，肿瘤组织中这种探针明显积聚，而在uMUC1阴性肿瘤中的本底信号很低。不过，uMUC1特异成像靶向的是糖基化低下蛋白，而不是直接靶向聚糖。

该论文还提出，糖基化变化的直接成像可以通过接近细胞的基本代谢过程来达到。单糖底物可以采用非创伤的报告仪（例如放射性核18F或125I）来标记，然后通过放射性核素成像来观察这些底物的代谢状态。目前用于癌症早期诊断的非创伤性正电子放射X线断层成像技术的操作理论基础是，相对于健康组织，肿瘤组织中的单糖2-荧光-2脱氧葡萄糖（FDG）的积聚增加。FDG是一种人工的含18F葡萄糖类似物，由于其醣酵解率增强而集中于恶性肿瘤中。同样，14C放射性同位素标记的单糖代谢过程已经用于监测动物肿瘤模型，但该法有创伤性。

糖类抗癌疫苗进入临床研究

该论文指出，因为癌细胞聚糖与健康细胞中的聚糖不同，所以有可能根据已经改变的糖基化，使免疫系统靶向癌细胞。虽然非典型的聚糖可以使癌细胞成为温和的抗原（即能产生特异的抗体），但是很少是免疫原性的（即抗体不能恢复免疫受动功能来杀死癌细胞）。许多肿瘤相关性聚糖具有胚胎源性或在正常组织中处于低水平，但在肿瘤组织中高水平表达。因此，聚糖可以被人体免疫系统“自我”感知，在这种情形下，B细胞对这些结构表达高度亲和力的抗体在发育期间可被清除。所以，许多研制抗癌疫苗的研究都集中于阻断对肿瘤相关性聚糖的免疫自体耐受性。

日前，Danishefsky、Livingston与合作者已经研制出一批糖类抗癌疫苗，它们是通过将多种合成的肿瘤相关聚糖拷贝连接到免疫原载体蛋白匙孔血蓝蛋白（KLH）上而形成的。这种异种蛋白提供了辅助型T细胞与完全型免疫应答所需要的肽抗原。当把其注射入实验小白鼠和/或人体时，许多糖体组合物疫苗都产生了拮抗聚糖的抗体和细胞介导的免疫应答。

基于糖基化表达不足MUC1（uMUC1）的疫苗目前正在进行临床评价，初步结果令人鼓舞。

疫苗研究聚集六大热点

该论文介绍说，糖类抗癌疫苗研究目前综合起来有六大热点。

第一大热点是，一些聚糖疫苗研究目前正在处于临床评分阶段，并且很有通过希望。在一项III期转移性乳腺癌的临床试验中，sTn-KLH结合Theratope(Biomira)未能满足患者病情恶化前维持足够长时间与提高总生存率的终点要求。但是，采用Theratope结合激素治疗的患者生存率与病情恶化后维持时间的改善期为8.3个月，而单用激素治疗的患者只有5.8个月。这种不太明显的临床疗效可能是由于Theratope引起B细胞介导的免疫应答，但是似乎不引起T细胞介导的免疫应答。

第二大热点是，成功的肿瘤免疫治疗可能需要对抗体加入细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）。目前已有一些研究策略来补充辅助性T细胞，它们包括以多价方式显示疫苗聚糖来模拟癌细胞表面，化学修饰癌聚糖使它们更加“异质”，并且通过开发丰富的人体“自然抗体”来积极补充辅助性T细胞。

第三大热点是，发现各种类型的恶变组织均呈现一系列明显的聚糖表达改变。能靶向几种癌症相关聚糖的疫苗原则上能比靶向单一癌症聚糖的疫苗产生更强和更特异的免疫应答。在反映癌细胞表面聚糖异类性质的研究中，Danishefsky与合作者制备的多价抗原疫苗含有几种不同的聚糖结构。例如，一种包含GloboH、Ley和Tn的三价抗原疫苗在动物模型中已显示能激发拮抗每一种低聚糖抗原的免疫应答。在这一临床前期研究中，产生了拮抗每一种聚糖抗原的抗体，恢复辅助性T细胞（与免疫球蛋白G同型）。该研究结果提示，多价抗原途径可能成功地恢复拮抗肿瘤患者的体液与T细胞介导的免疫应答。

第四大热点是，目前研究发现单糖结构的化学修饰可以增加聚糖疫苗的免疫原性。用非自然的N-酰基支链(例如N-propanoyl，N-丁酰，N-苯乙酰和N-levul-inoyl)化学修饰改变唾液酸残基已经组合到KLH共价键中，免疫原性比相应的自然唾液酸疫苗更强。N-propanoyl，N-丁酰和N-苯乙酰唾液酸衍生物共价到KLH中在实验小白鼠体中产生了强烈的免疫应答。这些衍生物能引起IgG抗体的产生，进而活化辅助型T细胞。与此相比，自然N-乙酰唾液酸-KLH共价物在本质上是非免疫原性的。最近，Livingston与合作者进行了一项初步的临床试验，小细胞肺癌患者采用聚唾液酸（PSA）-KLH或N-propionylatedPSA-KLH(PrPSA-KLH)共价物进行疫苗接种，发现改变的PrPSA-KLH共价物引起了与PSA交叉的特异抗体，而自然PSA共价物则不会。

第五大热点是，化学修饰的唾液酸共价物在动物模型的被动免疫研究取得成功。Jennings和合作者表示，当实验小白鼠采用N-propanoylmannosamine治疗时，给予单克隆抗体能提高合成的PrPSA-KLH共价物防止白血病细胞转移，N-propan-oylmannosamine是N-propionylatedPSA的一种生物合成的前体。新近，同一研究组对恶性黑素瘤应用这一被动免疫策略来表达含有唾液酸的糖脂GD3。

第六大热点是，现在T细胞介导的针对癌症聚糖的免疫反应，可以采用人体自然的“抗Gal”抗体作为内生辅助物。虽然人体免疫系统通常不能发现癌症聚糖，但是经过对聚糖进行处理就会使癌细胞表达另外一种可被免疫系统发现的抗原决定簇。Galili和合作者日前已经研究出一种疫苗策略来吸取“抗Gal”抗体的优势。这种“抗Gal”抗体能与Gal抗原决定簇（Gal1,3Gal1,4GlcNAcR）起特定的反应，这在人体组织是完全缺乏的。这种抗体被认为起源于广泛暴露于表达相似聚糖的细菌。采用重组-1,3-半乳糖转移酶(1,3GT)，或者用含有编码1,3GT基因的腺病毒感染肿瘤细胞，就可以在人体肿瘤细胞经酶合成-Gal抗原决定簇。然后可利用这些Gal抗原决定簇表达的肿瘤细胞或者膜作为疫苗来引发拮抗肿瘤相关抗原的免疫应答。

分子生物学论文

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分子生物学(molecular biology)
在分子水平上研究生命现象的科学。研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结 构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等。
从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 (中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。
生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了近30年来分子生物学的蓬勃发展。分子生物学和生物化学及生物物理学关系十分密切，它们之间的主要区别在于：①生物化学和生物物理学是用化学的和物理学的方法研究在分子水平，细胞水平，整体水平乃至群体水平等不同层次上的生物学问题。而分子生物学则着重在分子（包括多分子体系）水平上研究生命活动的普遍规律；②在分子水平上，分子生物学着重研究的是大分子，主要是蛋白质，核酸，脂质体系以及部分多糖及其复合体系。而一些小分子物质在生物体内的转化则属生物化学的范围；③分子生物学研究的主要目的是在分子水平上阐明整个生物界所共同具有的基本特征，即生命现象的本质；而研究某一特定生物体或某一种生物体内的某一特定器官的物理、化学现象或变化，则属于生物物理学或生物化学的范畴。
发展简史 结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出了重要的贡献。结构分析的中心内容是通过阐明生物分子的三维结构来解释细胞的生理功能。1912年英国 W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射线晶体学，成功地测定了一些相当复杂的分子以及蛋白质的结构。以后布喇格的学生W.T.阿斯特伯里和J.D.贝尔纳又分别对毛发、肌肉等纤维蛋白以及胃蛋白酶、烟草花叶病毒等进行了初步的结构分析。他们的工作为后来生物大分子结晶学的形成和发展奠定了基础。50年代是分子生物学作为一门独立的分支学科脱颖而出并迅速发展的年代。首先是在蛋白质结构分析方面，1951年L.C.波林等提出了 α-螺旋结构，描述了蛋白质分子中肽链的一种构象。1955年F.桑格完成了胰岛素的氨基酸序列的测定。接着 J.C.肯德鲁和M.F.佩鲁茨在X射线分析中应用重原子同晶置换技术和计算机技术分别于1957和1959年阐明了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的立体结构。1965年中国科学家合成了有生物活性的胰岛素，首先实现了蛋白质的人工合成。
另一方面，M.德尔布吕克小组从1938年起选择噬菌体为对象开始探索基因之谜。噬菌体感染寄主后半小时内就复制出几百个同样的子代噬菌体颗粒，因此是研究生物体自我复制的理想材料。1940年G.W.比德尔和E.L.塔特姆提出了“一个基因，一个酶”的假设，即基因的功能在于决定酶的结构，且一个基因仅决定一个酶的结构。但在当时基因的本质并不清楚。1944年O.T.埃弗里等研究细菌中的转化现象，证明了DNA是遗传物质。1953年J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA的双螺旋结构，开创了分子生物学的新纪元。在此基础上提出的中心法则，描述了遗传信息从基因到蛋白质结构的流动。遗传密码的阐明则揭示了生物体内遗传信息的贮存方式。1961年F.雅各布和J.莫诺提出了操纵子的概念，解释了原核基因表达的调控。到20世纪60年代中期，关于DNA自我复制和转录生成RNA的一般性质已基本清楚，基因的奥秘也随之而开始解开了。
仅仅30年左右的时间，分子生物学经历了从大胆的科学假说，到经过大量的实验研究，从而建立了本学科的理论基础。进入70年代，由于重组DNA研究的突破，基因工程已经在实际应用中开花结果，根据人的意愿改造蛋白质结构的蛋白质工程也已经成为现实。
基本内容 蛋白质体系 蛋白质的结构单位是α-氨基酸。常见的氨基酸共20种。它们以不同的顺序排列可以为生命世界提供天文数字的各种各样的蛋白质。
蛋白质分子结构的组织形式可分为 4个主要的层次。一级结构，也叫化学结构，是分子中氨基酸的排列顺序。首尾相连的氨基酸通过氨基与羧基的缩合形成链状结构，称为肽链。肽链主链原子的局部空间排列为二级结构。二级结构在空间的各种盘绕和卷曲为三级结构。有些蛋白质分子是由相同的或不同的亚单位组装成的，亚单位间的相互关系叫四级结构。
蛋白质的特殊性质和生理功能与其分子的特定结构有着密切的关系，这是形形色色的蛋白质所以能表现出丰富多彩的生命活动的分子基础。研究蛋白质的结构与功能的关系是分子生物学研究的一个重要内容。
随着结构分析技术的发展，现在已有几千个蛋白质的化学结构和几百个蛋白质的立体结构得到了阐明。70年代末以来，采用测定互补DNA顺序反推蛋白质化学结构的方法，不仅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析条件不易得到满足的蛋白质化学结构分析得以实现。
发现和鉴定具有新功能的蛋白质，仍是蛋白质研究的内容。例如与基因调控和高级神经活动有关的蛋白质的研究现在很受重视。
蛋白质－核酸体系 生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由 DNA构成。简单的病毒，如λ噬菌体的基因组是由 46000个核苷酸按一定顺序组成的一条双股DNA（由于是双股DNA，通常以碱基对计算其长度）。细菌，如大肠杆菌的基因组，含4×106碱基对。人体细胞染色体上所含DNA为3×109碱基对。
遗传信息要在子代的生命活动中表现出来，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代 DNA为模板合成子代 DNA分子。转录是根据DNA的核苷酸序列决定一类RNA分子中的核苷酸序列；后者又进一步决定蛋白质分子中氨基酸的序列，就是转译。因为这一类RNA起着信息传递作用，故称信使核糖核酸(mRNA)。由于构成RNA的核苷酸是4种，而蛋白质中却有20种氨基酸，它们的对应关系是由mRNA分子中以一定顺序相连的 3个核苷酸来决定一种氨基酸，这就是三联体遗传密码。
基因在表达其性状的过程中贯串着核酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。DNA复制时，双股螺旋在解旋酶的作用下被拆开，然后DNA聚合酶以亲代DNA链为模板，复制出子代 DNA链。转录是在 RNA聚合酶的催化下完成的。转译的场所核糖核蛋白体是核酸和蛋白质的复合体，根据mRNA的编码，在酶的催化下，把氨基酸连接成完整的肽链。基因表达的调节控制也是通过生物大分子的相互作用而实现的。如大肠杆菌乳糖操纵子上的操纵基因通过与阻遏蛋白的相互作用控制基因的开关。真核细胞染色质所含的非组蛋白在转录的调控中具有特殊作用。正常情况下，真核细胞中仅2～15％基因被表达。这种选择性的转录与转译是细胞分化的基础。
蛋白质－脂质体系 生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。
1972年提出的流动镶嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂双层结构。膜蛋白分为表在蛋白质和嵌入蛋白质。膜脂和膜蛋白均处于不停的运动状态。
生物膜在结构与功能上都具有两侧不对称性。以物质传送为例，某些物质能以很高速度通过膜，另一些则不能。象海带能从海水中把碘浓缩 3万倍。生物膜的选择性通透使细胞内pH和离子组成相对稳定，保持了产生神经、肌肉兴奋所必需的离子梯度，保证了细胞浓缩营养物和排除废物的功能。
生物体的能量转换主要在膜上进行。生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体膜上进行光合磷酸化反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。这二者能量来源虽不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。对于这两种能量转换的机制，P.米切尔提出的化学渗透学说得到了越来越多的证据。生物体利用食物氧化所释放能量的效率可达70％左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为20～40％，所以生物力能学的研究很受重视。对生物膜能量转换的深入了解和模拟将会对人类更有效地利用能量作出贡献。
生物膜的另一重要功能是细胞间或细胞膜内外的信息传递。在细胞表面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化。细胞膜的表面性质还对细胞分裂繁殖有重要的调节作用。
对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋势看，寡糖与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子生物学研究的一个新的重要的领域。
理论意义和应用 分子生物学的成就说明：生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。例如，不论在何种生物体中，都由同样的氨基酸和核苷酸分别组成其蛋白质和核酸。遗传物质，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复制。分子遗传学的中心法则和遗传密码，除个别例外，在绝大多数情况下也都是通用的。
物理学的成就证明，一切物质的原子都由为数不多的基本粒子根据相同的规律所组成，说明了物质世界结构上的高度一致，揭示了物质世界的本质，从而带动了整个物理学科的发展。分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和生命活动的根本规律的高度一致，揭示了生命现象的本质。和过去基本粒子的研究带动物理学的发展一样，分子生物学的概念和观点也已经渗入到基础和应用生物学的每一个分支领域，带动了整个生物学的发展，使之提高到一个崭新的水平。
过去生物进化的研究，主要依靠对不同种属间形态和解剖方面的比较来决定亲缘关系。随着蛋白质和核酸结构测定方法的进展，比较不同种属的蛋白质或核酸的化学结构，即可根据差异的程度，来断定它们的亲缘关系。由此得出的系统进化树，与用经典方法得到的是基本符合的。采用分子生物学的方法研究分类与进化有特别的优越性。首先，构成生物体的基本生物大分子的结构反映了生命活动中更为本质的方面。其次，根据结构上的差异程度可以对亲缘关系给出一个定量的，因而也是更准确的概念。第三，对于形态结构非常简单的微生物的进化，则只有用这种方法才能得到可靠结果。
高等动物的高级神经活动是极其复杂的生命现象，过去多是在细胞乃至整体水平上研究，近年来深入到分子水平研究的结果充分说明高级神经活动也同样是以生物大分子的活动为基础的。例如，在高等动物学习与记忆的过程中，大脑中RNA和蛋白质的组成发生明显的变化，并且一些影响生物体合成蛋白质的药物也显著地影响学习与记忆的能力。又如，“生物钟”是一种熟知的生物现象。用鸡进行的实验发现，有一种重要的神经传递介质（5-羟色胺）和一种激素（褪黑激素）以及控制它们变化的一种酶，在鸡脑中的含量呈24小时的周期性变化。正是这种变化构成了鸡的“生物钟”的物质基础。
在应用方面，生物膜能量转换原理的阐明，将有助于解决全球性的能源问题。了解酶的催化原理就能更有针对性地进行酶的人工模拟，设计出化学工业上广泛使用的新催化剂，从而给化学工业带来一场革命。
分子生物学在生物工程技术中也起了巨大的作用，1973年重组DNA技术的成功，为基因工程的发展铺平了道路。80年代以来，已经采用基因工程技术，把高等动物的一些基因引入单细胞生物，用发酵方法生产干扰素、多种多肽激素和疫苗等。基因工程的进一步发展将为定向培育动、植物和微生物良种以及有效地控制和治疗一些人类遗传性疾病提供根本性的解决途径。
从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要的贡献。
[编辑本段]分子生物学的应用
1，亲子鉴定
近几年来，人类基因组研究的进展日新月异，而分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。在法医学上，STR位点和单核苷酸（SNP）位点检测分别是第二代、第三代DNA分析技术的核心，是继RFLPs（限制性片段长度多态性）VNTRs（可变数量串联重复序列多态性）研究而发展起来的检测技术。作为最前沿的刑事生物技术，DNA分析为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的手段，使物证鉴定从个体排除过渡到了可以作同一认定的水平，DNA检验能直接认定犯罪、为凶杀案、强奸杀人案、碎尸案、强奸致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据。随着DNA技术的发展和应用，DNA标志系统的检测将成为破案的重要手段和途径。此方法作为亲子鉴定已经是非常成熟的，也是国际上公认的最好的一种方法。

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