唾液生物学：结构、生物合成和功能。唾液酸糖结合物与健康和疾病

唾液酸（Sia）是一个发现的9-碳α-酮酸氨基糖家族主要位于糖蛋白和糖脂。自从他们在20世纪30年代末被发现，并随后被布利克斯命名以来，Gottschalk和Klenk（Nature.1957；179:1088），Sia现在被认为是发生的在自然界中无处不在（植物除外），并且在生物学上参与了许多重要流程。特别是，人们越来越意识到Sia在人类健康和疾病导致对Sia化学的研究增加，生物化学和细胞生物学。在本章中，Sia的结构和发生概述，以及Sia化学、生物化学和细胞生物学方面这本电子书的后续章节中也有介绍。在整个过程中，以及本电子书的后续章节总结了Schauer和Varki，（糖生物学概要2^第纽约州冷泉港Ed：冷泉港实验出版社；2009年）。重要的是，无论在何处将引导读者阅读本电子书的相关章节，或详细信息的广泛审查。

唾液酸（Sia）参与许多生物活动，通常以单唾液酸残基形式存在于糖复合物的非还原末端。有时，聚合结构以二唾液酸（diSia）、低聚唾液酸的形式出现（寡糖）和聚唾液酸（polySia）出现在糖复合物中。尤其是，polySia已知是从细菌到人类的常见表位，是最著名的表位之一，脊椎动物中生物上重要的糖基。polySia的生物学功能，特别是在神经细胞粘附分子（NCAM）方面，已经进行了深入的研究有关polySia的知识体系已经积累。然而，相当多含二聚和寡聚糖蛋白的研究较少。作为用于检测寡聚/聚合结构的分析方法得到了改进，含有di/oligo/polySia链的糖蛋白已被鉴定为自然界中的频率。此外，更复杂的基因技术有助于阐明polySia介导活性的潜在机制。在本章中糖蛋白上双、寡和多Sia残基的研究进展，包括它们介绍了其分布、化学性质、生物合成途径和功能。

唾液酸（Sia）代表九碳酮糖家族异常高的结构多样性。然而，所有成员都是N-乙酰神经氨酸或2-酮-3-脱氧-D-甘油-D-半乳糖-烯酸。在本章，我们描述了脊椎动物中这两种Sia前体的生物合成关注相关酶的特性。此外，激活包括糖和降解。此外，疾病和小鼠模型与Sia生物合成途径以及生物医学意义有关演说。

唾液酸化反应发生在高尔基体的内腔中，其中唾液酸转移酶（ST）修饰相关细胞表面和唾液酸分泌的蛋白质和脂类（Sia）占主导地位，但不限于此采用CMP-Neu5Ac作为供体底物。因为它的物理和化学属性，CMP-Neu5Ac无法扩散到高尔基体膜上，必须从细胞溶质转移到高尔基体的腔中。这样的易位是由CMP-Sia转运体完成的，它是进化中的一个成员保守蛋白家族统称为核苷酸糖转运蛋白。尽管包括CMP-Sia转运体在内的一些核苷酸糖转运体在过去30年中，生物化学特征表明任何核苷酸糖转运蛋白的结构都需要其他方法来阐明这类蛋白质的结构-功能关系。我们在中描述本章是关于CMP-Sia转运蛋白结构功能阐明的最新数据关系。

唾液酸转移酶是催化转移的糖基转移酶的一个子集唾液酸（Sia）残基从活性糖供体转移到糖复合物上。这个本章的目的是在全面回顾中总结已知的脊椎动物唾液酸转移酶的结构特征——分子生物学的经验教训生物学与重组蛋白的生产及其关系探讨在它们的基本结构和功能之间。脊椎动物唾液酸转移酶的研究进展利用生物信息学方法筛选核苷酸数据库的起源和进化各种动物有机体（脊椎动物和无脊椎动物）的分子系统发育和我们将讨论系统发育。

唾液酸（Sia）在聚糖介导的识别/相互作用中起主要作用由各种内源性和外源性唾液酸结合介导的过程蛋白质。因此，细胞需要微调机制来调节细胞表面唾液酸糖复合物的表达。哺乳动物细胞中有4种不同的唾液酸酶，被称为NEU1、NEU2、NEU3和NEU4，参与唾液酸残基的去除来自糖复合物；它们在多种生物过程中起着关键作用。在这个第二章总结了哺乳动物唾液酸酶的研究现状。

几种病原菌用唾液酸糖复合物修饰其细胞表面在许多情况下模拟宿主结构并发挥重要作用毒力因子。除了N-乙酰神经氨酸外在携带乙酰基的细菌中观察到O-乙酰化唾液酸位置C-7、C-8和/或C-9。修饰细胞表面唾液酸-糖复合物的能力通过O-乙酰化取决于唾液酸O-乙酰转移酶（一种酶）的存在对乙酰辅酶A中乙酰基转移到羟基进行催化的类游离或CMP激活的唾液酸或特别是唾液酸化碳水化合物结构。在遗传水平上，观察到了不同的机制，导致唾液酸O-乙酰基转移酶表达的“开/关”开关和/或酶活性。这些化合物表面O-乙酰化程度的变化细菌可以导致巨大的结构多样性，这使它们很难成为免疫系统。结构和生化分析表明细菌唾液酸O-乙酰转移酶在两个不同的结构框架上独立进化左手β螺旋折叠和α/β水解酶折叠。

唾液酸（Sia）在多种微生物的生存中发挥作用致病微生物和非致病微生物居住的环境。3-脱氧-Dmanno-辛-2-磺酸（KDO）和2-酮-3-脱氧壬酸（KDN）至关重要几乎所有细菌物种的生存，而其他Sia是最受欢迎的目标病毒和其他适应宿主的病原体与宿主组织相互作用时微生物的存活/复制所需的。所有致病微生物，无论细菌、病毒、寄生虫或真菌必须能够与宿主特异性相互作用引发疾病的细胞/组织。这些病原体在维持疾病方面的成功状态依赖于这些生物体破坏或逃避宿主免疫的能力响应。在本章中，我们将讨论Sia，特别是Neu5Ac的方式对许多人类病原体引起和维持疾病的能力至关重要。

游离唾液寡糖（SOS）仅在正常组织。然而，这些化合物的积累已在几种溶酶体贮存疾病导致严重病理变化的病例。在相反，在血液中发现SOS是分解代谢途径的产物糖蛋白并以游离形式在尿液中排泄。有重大变化溶酶体储存病中排泄SOS的组成和水平。这个用高效液相色谱法分析不同类型疾病患者的尿液低聚糖的不同模式取决于疾病形成的类型和阶段可以区分这些。SOS也是牛奶对婴儿的健康发展起着重要的支持作用大脑发育，通过促进肠道健康，通过保护婴儿免受病原体和刺激免疫系统。因为牛奶和初乳复杂的混合物，从这些混合物中净化SOS需要一个过程包括几个连续的步骤。浓缩SOS的简单策略包括“撇脂”和超滤，以去除油脂、蛋白质和较大物质分子。乳糖是牛奶中的主要碳水化合物，可以通过酶去除用半乳糖苷酶处理石墨化碳并随后进行色谱分析。只要稍作修改，这种方法也可以应用于更大的规模与乳制品行业的流程保持一致。同样的方法也可以是用于合成过程的净化。

神经节苷脂是一组不同的唾液酸，含有复杂的鞘糖脂，由长度和复杂性不同的碳水化合物链和嗜溶血神经酰胺残基组成。多样性来自低聚糖和神经酰胺部分。棘皮动物是唯一一门有神经节苷脂报道的无脊椎动物，在各个类别（棘总科、海参总科、小行星总科、蛇总科和海参总科）之间的神经节苷酯组成和结构存在显著差异。NeuAc和NeuGc的分布大致相同。位置8和4处的主要取代是O-甲基化和O-硫酸化。根据碳水化合物核心的结构，脊椎动物的神经节苷脂分为四个系列（血苷脂系列、神经节系列、乳糖系列和球苷脂系列）。主要唾液酸是NeuAc和NeuGc，通常连接在倒数第二碳水化合物残基的α2,3和α2,6位置。唾液酸的乙酰化是最常见的替代物。神经节苷脂在多种生物过程中发挥着重要作用。它们参与大脑的发育和维持。神经节苷脂的组成和表达在大脑发育过程中发生变化，反映了不同阶段变化的需求。神经节苷脂参与的途径不同，包括膜的物理化学性质、钙离子的储存、与生长因子的相互作用、树突发生、神经细胞发生和神经分化。在阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等神经退行性疾病期间，神经节苷脂成分发生变化。这导致包括信号传递过程和离子通道形成在内的重要细胞功能中断，并最终导致细胞凋亡。神经节苷脂的组成也会在黑素瘤、乳腺癌、小细胞肺癌、消化道癌症和脑癌等癌症期间发生变化。这些变化对癌症的转移、免疫反应的抑制、生长因子和与之相关的激酶的促进以及血管生成都有影响。这些变化对肿瘤的进展和生存有重大影响。然而，也有迹象表明，选定的神经节苷脂可用于治疗这些疾病。一些临床试验已经在神经退行性疾病、脊柱损伤和癌症治疗中进行。然而，结果还没有定论。神经节苷脂的营养价值，特别是在婴儿营养中的营养价值已被广泛讨论。与其他脂质、蛋白质和碳水化合物相比，神经节苷脂只是牛奶和初乳中的一种次要成分。然而，它们可以作为唾液酸、神经酰胺和脂肪酸的额外来源。此外，完整的神经节苷脂分子对免疫系统、肠道健康和大脑发育。这些药物的生物利用度和去向对消化道中的鞘糖脂进行了研究。结果表明口服神经节苷脂被生物体吸收的浓度被认为是生物有效的。

细胞表面唾液酸化改变是癌症的标志。对临床样本、细胞系和动物模型的研究揭示了异常唾液酸化与癌症进展之间的关系。血清总唾液酸和脂质结合唾液酸（Sia）水平在多种癌症中升高，与癌症分期和分级呈正相关。在癌症病例中，α2-3和α2-6连接的Sia的表达以及唾液酸化结构唾液酸化-Tn、唾液酸化Lewis a（SLea）和唾液酸化Leuis x（SLex）的水平也升高。癌细胞的转移潜能与末端半乳糖和N-乙酰半乳糖胺唾液酸化水平呈正相关，唾液酸转移酶和唾液酸酶/神经氨酸酶的活性和mRNA表达水平在癌症中也显著改变。唾液酸化改变导致癌症进展的潜在机制已被研究。癌细胞表面Sia表达的增加可以增强细胞间的排斥作用，这种作用可能会促进原发肿瘤细胞的扩散，从而促进转移。侵袭增强、迁移和与细胞外基质结合的改变是与转移行为相关的细胞特征，也与唾液酸化的变化有关。增加对凋亡的抵抗力，这可能带来生长优势和选择素配体、SLea和SLex的高表达，可以促进癌细胞在整个血流中的转运，并参与癌细胞与血管内皮细胞在远处的对接，也观察到癌细胞出现异常唾液酸化。

唾液酸α-糖苷（Sia）的化学结构是一个要求很高的课题，因为唾液酸的结构缺点是：C1处的羧酸基，与异聚体中心相邻的脱氧部分，以及C6的甘油分支。自1965年Meindl和Tuppy首次报道Sia糖苷的合成以来，立体选择性唾液酸化的发展一直是人们努力的主题。本章的第一部分将概述唾液酸化的经典方法，这些方法克服了缺点，并介绍了α-选择性唾液酸化方法的前沿，举例说明唾液低聚糖的立体选择性合成。后一部分将简要总结用于唾液模拟物设计的几种策略及其在开发治疗各种人类疾病状态的唾液药物方面的潜力。

唾液酸（Sia）在动物生物学中的功能是多种多样的，尤其取决于其类型、数量以及在糖脂和糖蛋白中的定位。到目前为止，已经制定了各种策略来回答文中列出的问题。对于Sia的一般检测，有几种比色和荧光分析方法可用。为了区分不同类型的Sia，需要使用色谱分离方法，例如气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）。此外，结合质谱（MS）有助于鉴定Sia。由于Sia也以二聚体、三聚体、低聚物和糖复合物上的聚合物的形式存在，因此也开发了基于HPLC和MS的方法来检测和成分分析，以及测定聚合度。除了化学方法外，还可以使用特定抗体、酶和凝集素等生化工具来确定Sia的类型、聚合度及其在糖共轭物中的链接类型和位置，以及它们在细胞表面的定位。然而，目前还没有一种方法可用于完整的分析。全面而详细的表征需要结合不同的分析方法，以避免对所获得的数据进行解释时出现错误。本章总结了Sia分析的各种分析策略。同时，还描述了当前方法的优缺点，以及结合不同方法以获得有意义结果的可能性。

：代谢糖工程（MGE）是指过去二十年发展起来的方法学，其中N-乙酰甘露糖胺（ManNAc）的非天然类似物阻断唾液酸（Sia）的生物合成途径在活细胞和动物体内，随后代谢性地并入唾液酸糖苷结合物中，取代天然唾液酸苷。本文通过描述可安装到细胞表面糖中的化学多样性来概述这项技术，并随后可用于多种应用，包括聚糖标记、糖组学，以及潜在的Sia在其中发挥作用的许多疾病和疾病的治疗。然而，代谢糖工程从实验室到临床的转化面临着重大障碍，包括ManNAc类似物在细胞和系统水平的生物利用度较差。这些问题正在通过使用短链脂肪酸（SCFA）-单糖杂化分子来解决，除了更有利的药理特性外，该分子还具有新的生物活性模式，为新兴的MGE技术带来了陷阱和新的机遇。