人类进化过程中唾液酸生物学的多重变化

摘要

在生物大分子的所有主要类别中，糖复合物是最复杂的。这种复杂性不仅包括大量潜在的单糖、键和分支结构，而且还包括显著的种内和种间多样性[1,2]. 后者长期以来一直是它们生物学中最令人困惑的方面之一。一个合理的解释是进化选择，由宿主与其病原体和共生体之间持续的基于聚糖的相互作用驱动[1,三]. 当然，如果这种相互作用是聚糖异质性的唯一原因，人们就不会发现在模型生物体和人类糖基化遗传疾病中遗传改变各种聚糖类型的负面后果[4,5]. 因此，聚糖必须具有合成它们的生物体的内在和外在功能，这些功能有时可能相互矛盾。

这篇综述是关于一类具有九碳主链的单糖，称为唾液酸（Sias），通常发现于动物后口门谱系中聚糖链的最外端，以及某些细菌物种上[6–8]. 鉴于其位置，Sia密切参与由内源性和外源性Sia结合蛋白介导的识别过程[9,10]. 这篇综述的重点是人类和我们最亲近的进化近亲，即所谓的“类人猿”（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猩猩，现在与人类一起被归类为“原始人”）之间的Sia生物学差异出乎意料的高频率。鉴于已知有<60个基因参与唾液酸生物学[11]这些发现表明，在人类进化过程中，该系统发生了一系列相关事件[10].

N个-甘氨酰神经氨酸：“Deuterostome特异性”唾液酸

从发现Sias的早期开始，很明显，它们共同的9碳骨架有许多结构变体[12,13]. 在许多哺乳动物中检测到的一个显著的Sia是N个-甘氨酰神经氨酸（Neu5Gc）不同于其他常见的SiaN个-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）由C5位置酰基中的一个额外氧原子产生[14]. 许多研究人员研究了Neu5Gc的生物合成途径，Schauer及其同事的工作得出了答案，他们发现羟化酶/单加氧酶涉及[15,16]. Schauer、Suzuki、Kozutsumi及其同事的详细研究后来证实，这种酶在CMP-Sia水平上工作，将CMP-Neu5Ac转化为CMP-Neu5Gc，这是一种复杂的机制，需要多种辅助因子，包括细胞色素b5和b5还原酶、铁、氧和NADH[16–22]. 我们还利用脉冲相位实验在完整细胞中证明了CMP-Sia水平的转化[23]. 可能是由于需要多种因素，这种CMP-Neu5Ac羟化酶（CMAH）酶活性在原核生物和任何非后口类动物中均未见报道。因此，Neu5Gc似乎是动物（脊椎动物和所谓的“高等”无脊椎动物）后肠口血统的标记，可能代表了约5亿年前寒武纪扩张时或之前发生的独特进化实验。

人体组织中明显缺乏Neu5Gc

即使在Sia研究的早期，人们也注意到在正常人体组织中很难找到Neu5Gc[24,25]. 然而，所使用的方法可能漏掉了少量，从而为肿瘤和胎儿胎粪中的Neu5Gc提供了证据[26–30]. 因此，人们推测Neu5Gc是人类的一种“癌胚”抗原，由一种在胎儿发育后被关闭，然后在癌细胞中再次打开的基因产生。这一概念似乎得到了成年人对马血清输注的“血清病”反应部分直接对抗Neu5Gc的研究结果的支持[31,32]以及在癌症患者中发现类似的“Hanganitziu–Deicher”抗体（参考文献[33]). 然而，1998年，当两组独立发现一种人类突变导致不可逆的细胞失活时，癌胚理论被搁置了下来CMAH公司基因[34,35]. 利用现代高灵敏度方法，平行研究也证实了人体血液样本中不存在Neu5Gc[36].

CMAH中发现一个人特异性突变

虽然两组报告了相同的92个碱基对在CMAH公司cDNA，细节有所不同。第一份发布的报告[34]对人类基因组的整个相关区域进行测序（在20世纪90年代是一项艰巨的任务），并显示出一个删除92个碱基对外显子6的缺失，从而做出了重大贡献。然而，克隆CMAH编码cDNA的5′-质体区域的困难导致了这样的假设，即该缺失导致了“帧内终止密码子”，并暗示人类CMAH同源物是不活跃的，因为它缺少对酶活性至关重要的N末端结构域[34]. 我们的小组发表了一个稍微不同的结论，使用cDNA和基因组PCR[35]. 虽然我们在cDNA和人类基因组中发现了相同的92个碱基对缺失，但cDNA的5′素数区的完整性表明，该缺失实际上导致了一个帧移位突变，导致翻译提前终止，并且只允许产生一个非常小的72个氨基酸蛋白。此外，我们还进一步表明，这种缺失发生在所有人类种群中，但没有发生在任何非洲大猩猩中，这表明这种突变事件是人类特有的，发生在现代人类的共同祖先之前[35].

人类何时以及为什么会出现Neu5Gc生产缺陷？

人类CMAH公司失活事件随后被证明是铝-介导的基因组缺失[37]它最初出现在一个人的一条染色体上，现在对人类来说是普遍存在的。来自四大洲的研究人员参与的一项重大合作研究表明，人类突变发生在我们与尼安德特人的共同祖先之前（约50万年前），很可能发生在约250万至300万年前，也就是该属的起源之前人类[38]. 此外，对人类群体的单倍型研究表明，这种突变有着很深的历史，其合并时间约为200万年[39]-这表明在人类祖先群体中，这种突变的固定与选择而非随机漂移有关。

然而，由于涉及时间的深度，不可能自信地在基因组中检测到这种选择的特征。因此，我们只能猜测是否真的发生了选择，从而使这种突变在人类祖先群体中固定下来。如果是这样，最有可能的候选者是某种形式的传染病，其中一种病原体（如“大猩猩”疟疾，见下文）或一种细菌毒素与Neu5Gc特异结合，与那些成为纯合型的人CMAH公司突变受到保护。另一种可能性是一种重要Sia-结合蛋白的结合偏好发生改变，有利于Neu5Gc的丢失和/或过量代谢前体Neu5Ac的积累。第三种可能性是厘米/小时产生抗Neu5Gc抗体的空白个体（见下文）可以保护他们免受源于Neu5Gc表达完整个体的包膜病毒的侵袭，这是与循环抗体相关的其他聚糖变异的假设[1,40]. 第四种可能性（并非相互排斥）是Neu5Gc的丢失促进了物种形成人类血统（Pascal Gagneux，个人交流）[41].

人类进化中的“Sialogake”？

Sia生物学中的一个单一基因突变可能对人类来说是普遍存在的，因为这种随机突变在一个小的有效种群中漂移到固定状态[14]. 然而，后来发现，至少10个与Sia生物学有关的其他基因发生了人类特有的变化[10,11]. 大多数额外的变化似乎发生在唾液酸识别受体家族中，该家族称为Siglecs（免疫球蛋白超家族凝集素的Sia-结合家族）[42,43]. 如图所示1和表1这些变化包括基因失活、特定氨基酸改变功能、不同细胞类型的表达差异。考虑到目前为止发现直接参与Sia生物学的基因不到60个[11]，所有这些事件似乎都不是偶然发生的。因此，如果没有更好的说法，我们认为人类进化与“唾液地震”有关，涉及该系统中的一系列相关事件[10,41]. 以下各节概述了这些变化，指出了可能和可能对人类进化和生理学以及潜在的人类疾病产生的影响。与任何此类进化讨论一样，图1以及表中所示的详细信息1随着其他信息的出现，可能会随着时间的推移而发生变化。

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图1

建议在人类进化过程中唾液酸生物学发生多重变化的情景。在人类进化过程中，Neu5Gc表达的最初缺失可能是随机发生的，或者是由于优先识别细胞表面Neu5G的病原体的选择(例如、一种人类疟疾或细菌毒素）。不管是什么原因，一些CD33rSiglecs的Neu5Gc结合位点的丢失导致了异常的免疫激活，可能需要进一步的选择来调整一些Siglecs中Neu5Ac的结合，而其他人则会消除或丢失结合。因此，本文中讨论的唾液酸生物学的所有其他人类特异性变化可能是由于对CMAH失活原始事件的调整所致。当然，还有其他可能的情况。还表明了一种非遗传复杂性，在面对抗Neu5Gc反应时，饮食中的Neu5G c可在人体组织中积聚，可能会促进与慢性炎症相关的疾病。（修改自Varki A。自然446: 1023, 2007). 注意，虽然CD33rSiglecs与同一细胞表面的唾液酸结合，但它们也可能检测到其他细胞表面或表达Neu5Ac的病原体（人类常见）上的高密度唾液酸

CMAH损失的后果

不管最初的原因是什么CMAH公司基因失活，有多重后果。CMAH酶的缺失会导致祖先原始人的细胞表面发生重大变化，导致Neu5Gc的缺失和过量前体Neu5Ac的积累。反过来，这会导致与天然免疫细胞的某些主要Siglecs失去适当的结合(例如Siglec-7、-9和-11），在黑猩猩和大猩猩中似乎强烈偏好Neu5Gc[44,45]大概也是我们共同的祖先。因此，在一段时间内，这些Siglec将内源性唾液酸识别为“自我”的能力可能有限（图1)，可能导致先天免疫系统的高反应状态。此后，Siglecs的装订袋进行了调整，允许Neu5Ac装订[44,45]（图1). 有趣的是，这是对结合特异性的放松，而不是结合偏好的特定转换，这意味着调整可能尚未完成。

第二个后果是病原体状态的改变，最初是因为结合Neu5Gc的病原体将不再能够感染人类。相反，那些结合Neu5Ac的细胞对人类细胞有特殊的偏好，因为这种前体唾液酸的密度大大增加。可以找到这两种情况的示例。大肠杆菌K99公司[46]、传染性胃肠炎冠状病毒[47]和猴病毒40（SV40）[48]所有人都更喜欢含有Neu5Gc的聚糖以实现最佳结合和侵袭。因此，预计人类对这些病原体具有耐药性。前两种疾病会导致家畜严重腹泻，但似乎不会感染管理家畜的人。关于SV40，有趣的是，虽然人类在20世纪50年代和60年代由于脊髓灰质炎疫苗的污染而直接接触到这种病毒，但此后没有发生重大有害后果[49]. 需要进一步研究，以确定与人类密切接触的动物的其他病原体是否优先识别Neu5Gc，从而使人类具有内在抗性的优势。

相反的情况适用于病原体，例如恶性疟原虫疟疾。我们最近的研究表明，这种病原体的主要结合蛋白（在裂殖子阶段）在红细胞入侵过程中优先识别Neu5Ac[50]. 与之形成鲜明对比的是，黑猩猩/大猩猩疟疾寄生虫的相应主要结合蛋白雷切诺维（P.reichenowii）优先认可Neu5Gc。这可能解释了为什么人类和黑猩猩对彼此衍生的疟疾病原体具有相对或绝对的抵抗力[51,52]. 这也增加了淘汰Neu5Gc的最初选择剂可能是严重形式的雷切诺维（P.reichenowii）-就像疟疾一样，结果会是完全抵抗的人类。后来，可能出现了一种优先识别Neu5Ac的黑猩猩疟疾有机体变体[50]. 事实上，最近的证据证明，人类恶性疟原虫疟疾生物是在过去数万年才出现的[53–56]. 多种黑猩猩疟疾分离株的分析雷切诺维（P.reichenowii）需要，询问是否恶性疟原虫事实上，这是最近从黑猩猩身上转移回宿主的结果，其他研究人员目前正在进行此类研究。目前还正在研究更多人类对Neu5Ac和Neu5Gc的相对敏感性和耐药性，以及对病原体和毒素的偏好。

Neu5Gc丢失的另一个后果是它变成了一种外来抗原。这具有潜在的意义，因为有证据表明，细胞外液中结合或游离的Neu5Gc可以在组织培养中并入人类细胞[57,58]，并进入完整的身体（后者来自饮食来源）[57]因为所有人都表达不同水平的抗Neu5Gc终止聚糖的抗体[57,59,60]. 下面将进一步讨论这些问题，并提出许多目前正在研究的新问题Cmah公司零小鼠模型，以及在人类群体中。

Sia生物合成相关基因的人类特异性变化

对小鼠、大鼠、黑猩猩和人类基因组的比较表明，Sia生物合成的某些酶可能发生了一些其他细微的人类特异性变化[11]. 这些需要进一步调查，以确定它们是否代表人类的不寻常适应。一个可能经历了人类特有变化的基因是ST6GAL1型，编码ST6Gal-I酶，负责将α2-6连接的Sias添加到N个-聚糖，生成序列Siaα2–6Galβ1–4GlcNAcβ1-[61]. 这种酶在许多组织中广泛表达，并在多种动物中表现出几种组织特异性表达差异[62,63]. 一个特别引人注目的特征是，在某些细胞类型中，包括血细胞和呼吸上皮中，人特异性选择性上调含有Siaα2–6Gal14GlcNAc聚糖的聚糖（在这方面，黑猩猩和大猩猩似乎更像老鼠，因为它们没有高水平表达此序列）[64]. 呼吸道上皮细胞的这种差异令人感兴趣，因为这种独特的人类变化可能保护我们免受多种病原体的侵袭，这些病原体选择性地与α2–3连锁的Sias结合，尤其是禽流感病毒[65]. 的确，人类流感病毒株优先与α2-6连锁Sias结合[66,67]，一种已知病原体相对罕见的结合特异性。人类呼吸上皮细胞这种表达变化的机制[68]发生的情况尚不清楚，但可能与基因启动子区域的某些方面和/或转录因子的变化有关。相关酶ST6Gal-II参与的可能性[69,70]也必须考虑。

唾液腺凝集素（Siglec-1）的变化

Siglecs是免疫球蛋白超家族凝集素的Sia结合家族，广泛分布于灵长类和啮齿动物免疫系统的各种细胞类型中[42,43]. 进化上保守的群包括Siglec-1（sialoadhesin）[71]，Siglec-2（CD22）[72]，Siglec-4（髓磷脂相关糖蛋白）[73]以及最近发现的Siglec-15[74]. 其中，至少有一个似乎经历了人类特有的变化，不是在其绑定属性上，而是在其表达模式上。Sialoadhesin，在啮齿动物淋巴结、脾脏和骨髓中的巨噬细胞亚群中表达[75]与黑猩猩相比，人类似乎选择性上调，因此几乎普遍存在于所有脾脏巨噬细胞上，在脾脏滤泡中的分布截然不同[76]. 同样令人感兴趣的是，唾液粘附素的表达在包括HIV感染在内的多种常见人类疾病中上调[77,78]、类风湿性关节炎[79]和癌症[80]. 鉴于唾液腺凝集素对结合Neu5Ac而非Neu5Gc的强烈偏好[81]，我们认为唾液粘附素表达的这种变化与人类进化过程中内源性Neu5Ac配体的显著增加有关[76]. 这种人类特有差异的生物学意义需要进一步研究。

一些CD33相关Siglecs结合特异性的变化

CD33相关Siglecs是一个快速进化的Siglecs大家族，广泛分布于免疫系统的细胞中。它们中的许多具有胞浆抑制性酪氨酸基序，因此我们假设它们可能作为一个简单的“自我”识别系统，抑制对携带唾液酸的宿主细胞的不必要的先天免疫反应[42,43]. 这些分子中似乎有不少人类特有的变化。首先，如前所述，主要先天免疫细胞Siglecs-7-9和-11的结合囊中的氨基酸发生了变化，导致对Neu5Ac结合的耐受性，这是相对于祖先原始人的强Neu5Gc结合偏好的衍生状态[44]. 目前尚不确定这在功能方面意味着什么，但很明显，Siglec结合谱中出现了随后的进化调整，问题是这一调整是否已经完成。不管是什么原因，这使得人类先天免疫细胞理论上更容易受到表达Neu5Ac的病原体分子模仿的潜在影响。我们假设这些病原体可能会利用这些Siglecs，从而下调先天免疫反应[42]. 虽然这一假设尚未被证实，但它与迄今为止已知的大多数Neu5Ac表达细菌都是人类病原体，甚至是人类特有的病原体这一发现是一致的。在这方面，值得注意的是，人类病原体使用了所有可能的生化机制来表达Neu5Ac，其中许多是通过聚合进化实现的[8]. 值得注意的是，与CD33相关的Siglecs相比，唾液粘附素不具有传递抑制信号的能力，事实上，可能有助于增强Sia-表达细菌的吞噬作用[82]. 在这方面，有趣的是，一些Sia表达细菌在其Sia中添加了O-乙酰基[8,83]，一种显著降低唾液粘附素对聚糖识别的修饰[81,84]. 与此同时，Siglec-12在Sia识别所需的关键精氨酸残基中发生了人类特异性突变，有趣的是，祖先形式更倾向于结合Neu5Gc[85]. 此外，Siglec-13在人类血统中已被完全删除[86]. 其中一些发现可能与Neu5Gc的最初丢失有关，和/或与表达Neu5Ac的病原体和人类宿主之间正在进行的进化军备竞赛有关。

Siglec-6在胎盘中的人特异性表达

如上所述，CD33相关Siglecs主要存在于免疫系统的细胞上。令人惊讶的是，Siglec-6[87]由他人从胎盘cDNA文库中独立克隆[88]. Siglec-6确实在人胎盘的滋养层细胞中以易于检测的水平表达[87]. 有趣的是，在黑猩猩、大猩猩和猩猩的胎盘中没有发现这种表达[89]尽管所有这些胎盘中都存在潜在的Siglec-6配体。人胎盘中Siglec-6的表达是可变的，正常足月分娩后最高，选择性剖宫产术中胎盘切除后最低，无分娩开始[89]. 这些数据表明，Siglec-6在分娩过程中上调，特别是在人类中。在没有任何其他数据的情况下，人们只能推测这一发现的意义。一种可能是该分子的抑制性胞质ITIM基序有助于下调胎盘信号，从而控制或延迟分娩过程。在这方面，与人类相比，黑猩猩的劳动过程非常短，这一点很有趣[90,91]. 虽然人们通常认为，长时间的人工分娩是由于胎儿头部和母亲盆腔出口的相对大小所致，但也有可能有必要减缓人类分娩过程，以避免进一步损坏胎儿大脑和/或母亲产道。需要进一步研究来解决这个假设。

T细胞CD33相关Siglec表达的人特异性缺失

在对人血细胞上Siglec表达的初步研究中，人们注意到T细胞是个例外，即不表达CD33相关Siglec或表达水平很低。令人惊讶的是，这是一种人类特有的特征，因为在黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猩猩的T细胞上发现了易于检测的多种Siglec[92]. 因为所讨论的Siglecs也都编码在人类基因组中[86]，这表示人类T细胞表达的选择性下调。同样，这种变化的进化起源尚不确定。无论如何，似乎确实存在一个功能性结果，即当通过T细胞受体复合体刺激时，人类T细胞比黑猩猩T细胞更具反应性[92]. 相反，使用凝集素的强烈非特异性刺激在人类和黑猩猩T细胞之间没有显示出重大差异，这表明人类T细胞的反应能力没有内在差异。黑猩猩T细胞上CD33相关Siglecs（尤其是Siglec-5）的表达可能会降低或抑制这些细胞对生理刺激的反应能力。通过下调Siglec-5（黑猩猩T细胞的主要Siglec）的表达，或通过强制人类T细胞表达Siglec-5，获得了支持这一假设的证据。在这两种情况下，预测的响应都发生了，即，黑猩猩T细胞在下调Siglec-5后的反应有所改善，而人类T细胞在表达Siglec-5oragutans后的反应减少[92]. 最近的一项研究[93]指出我们工作中使用的特异性抗CD3抗体可能高估了黑猩猩和人类T细胞反应性的差异程度。无论如何，图1本论文的研究继续显示人类和黑猩猩T细胞之间存在明显差异，人类总体上表现出更强的反应，尤其是在缺乏抗CD28协同刺激的情况下[93].

综上所述，所有这些数据都与人类T细胞容易发生高反应的假设相一致，也许可以解释人类对与过度T细胞反应相关的疾病的倾向，如类风湿性关节炎、哮喘和其他自身免疫性疾病[94–96]. 这也可能有助于解释为什么携带HIV的T细胞感染在人类AIDS中迅速发展到丢失和破坏，而黑猩猩的病毒在黑猩猩中增殖，但不会导致T细胞大规模丢失[97]. 需要进一步的研究来证实这一总体假设，以及人类Siglec表达缺失是否是主要原因。如果是这样，上调Siglecs对人类T细胞的调节的治疗可能有助于控制人类T细胞介导的疾病。

Siglec-11在大脑中的人类特异性表达

Siglec-11是一种CD33相关的Siglec，在人类和其他灵长类动物的组织巨噬细胞亚群中表达，并因其胞浆ITIM基序而被认为具有抑制功能[98]. 在最初对人类Siglec-11进行鉴定的过程中，也发现其在大脑的小胶质细胞中表达。乍一看，这并不奇怪，因为小胶质细胞本质上是来自循环血单核细胞的长期巨噬细胞样细胞。然而，进一步的研究显示了人类Siglec-11的几个独特特征[45]. 首先，人类SIGLEC11公司与相邻的假基因（最近显示为SIGLEC16公司)，涉及编码分子前两个氨基末端结构域的序列的过程。基因转化并不罕见，但它们通常会对转化的基因造成永久性损伤。然而，在以下情况下SIGLEC11公司开放阅读框架得以维持，产生了一种新的分子，其中氨基末端序列与黑猩猩的氨基末端序列截然不同。幸运的是，最初针对人类Siglec-11的抗体与祖先的黑猩猩分子发生交叉反应。这种抗体的使用表明，虽然黑猩猩和其他类人猿确实在其组织巨噬细胞中表达Siglec-11，但它们在小胶质细胞中表达的水平很低。

与许多针对人类的发现一样，很难确定进化选择机制或当前影响是什么[45]. 由于Siglec-11的祖先黑猩猩强烈倾向于结合Neu5Gc，这可能代表了对Neu5Gc缺失的另一种进化调整。不管是什么原因，基因转换碰巧包括了5′非翻译区的约250个碱基对，这可能有助于诱导小胶质细胞的表达（我们的未发表数据）。一旦发生这种情况，不仅会对人类对脑侵袭病原体的抵抗力或敏感性产生潜在影响，还会对神经元的发育和功能产生潜在影响。这是因为长寿的小胶质细胞不仅仅是免疫细胞[99]，但也被认为具有营养功能，甚至参与大脑的发育和维持神经功能的某些方面[100]. 总的来说，可以合理地假设，无论最初的原因是什么，小胶质细胞中Siglec-11的表达可能导致了人脑中的一些变化。有趣的是，小胶质细胞在许多人脑疾病中发挥着重要作用，如阿尔茨海默病、HIV-1相关痴呆症和多发性硬化症[101]. 不幸的是，小鼠没有Siglec-11的同源基因。因此，除非我们在Siglec-11的合成中发现人类缺陷，否则很难实现这一假设。另一种方法是在小鼠大脑的小胶质细胞中转基因表达Siglec-11。最近的一项研究发现，一些（但不是所有）人类失去了Siglec-11的激活物，即Siglec-16，这使得对这一问题的分析更加复杂[102]. 很有意思的是，看看这是否也是（正如作者所建议的）人类特有的事件。

CD33相关Siglec表达中是否有更多人类特异性变化的例子？

总的来说，我们的数据表明，人类进化与多种CD33相关Siglecs表达模式的一些主要变化有关。似乎不太可能每一个都是涉及单个Siglecs启动子区特定碱基对变化的独立事件。相反，考虑到这些基因中的大多数聚集在19号染色体上约0.5 Mb的区域内[86]，增强子、位点控制区和/或表观遗传改变更有可能影响整个簇的表达。因此，在其他组织和细胞类型中寻找其他独特的人类Siglec表达变化似乎是值得的。

Siglec-5和-14 Sia结合性能的恢复

Siglec-5在许多其他血白细胞上以不同的水平表达[103]. 然而，Siglec-14由一个相邻基因编码，具有激活而非抑制特性，这一事实使情况变得复杂[104]. 此外SIGLEC14公司基因正在进行谱系特异性基因转换SIGLEC5公司基因，包括编码两种蛋白质前两个结构域的序列（协同进化的一种形式）[104]. 因此，通过持续的基因转换事件，Siglec-5和-14的Sia-结合特性在每个灵长类物种中保持不变。令人惊讶的是，在大猩猩、黑猩猩和猩猩分子中，这些siglecs的V集结构域中对Sia识别至关重要的精氨酸残基发生了突变，留下了一个开放的阅读框，但是一种无法结合Sia的蛋白质。相反，人类Siglec-5/14序列似乎恢复了精氨酸残基，从而恢复了Sia结合特性[104]. 物种序列差异的本质是，人们无法绝对确定特定于人类的恢复。然而，其他三种原始人谱系中的每一种都独立突变精氨酸残基的可能性似乎不大。这种人类Sia结合Siglec-5和-14的明显恢复的意义尚不确定，所有其他原始人血统中结合缺失的意义也不确定。无论如何，它提供了CD33相关Siglecs中人类特定变化的另一个例子。考虑到人类T细胞缺乏表达方面的额外差异，还需要进一步的工作来分析这个问题。

人类唾液酸生物学发生如此多的谱系特异性变化真的是独一无二的吗？

尽管在Sia生物学中发现了许多人类特有的变化，但人们必须认识到，这些变化发生在一个易于在许多分类群中快速进化的系统中，因为其他地方已经讨论过多重选择压力[42]. 以下几点表明，人类的处境非同寻常。首先，上面提到的所有变化都是人类血统特有的，其他研究的原始人彼此之间没有差异。第二，小鼠和大鼠的Siglecs比较显示几乎没有差异[86]尽管这两个物种在人类和黑猩猩之前很久就有了共同的祖先。第三，对多种CD33相关Siglecs唾液酸结合Ig-like V-set结构域的基因和蛋白质序列的研究表明，人类进化速度更快（相邻Ig C2-set结构域的序列提供了良好的对照）[11]. 最后，我们可以构建一个进化场景，将这些变化中的一些相互联系起来（见图1) [10]. 无论如何，我们必须对唾液酸生物学中一些人类特有的变化实际上是不相关的事件的可能性持开放态度，这些事件恰好发生在一个本质上容易快速进化的系统中。在这方面，最好对所有其他原始人的唾液酸生物学进行更详细的研究。不幸的是，目前国家卫生研究院的政策使得在我们最亲近的进化亲属中进行任何类型的研究变得越来越困难，甚至是被认为是人类道德的研究[105,106].

Neu5Gc在正常人体细胞和组织中的代谢结合

禁用鼠标Cmah公司通过HPLC分析检测，该基因在任何组织中均未留下可检测到的Neu5Gc[107]，甚至通过质谱法[108]. 这表明脊椎动物中只有一个基因决定Neu5Gc的生物合成。尽管如此，我们不仅在人类癌症和胎儿组织中检测到Neu5Gc（正如之前文献中所预期的那样），而且在几种正常组织类型中，尤其是在人类手术标本或尸检组织的内皮和上皮中[57]. 这一发现使得Neu5Gc很可能来自外源。在这方面，一项人类志愿者研究证实，口服Neu5Gc确实被人体吸收[57]. 迄今为止对食品进行的有限调查表明，Neu5Gc最丰富的来源包括红肉（羊肉、猪肉和牛肉），其中牛奶制品含有大量。因此，我们假设长期饮食摄入的Neu5Gc与内皮细胞和上皮细胞结合，可与循环中的抗Neu5G c抗体（见下文）结合，以刺激慢性炎症[10].

人类抗Neu5Gc的循环抗体

许多年前，研究表明，在某些人类疾病状态下出现的所谓“嗜异性抗体”可以针对含有Neu5Gc的表位[31,32,109–113]，（在参考文献中审查[33]). 这些抗体是通过动物红细胞凝集或ELISA检测这些红细胞中的高分子量糖蛋白来检测的[33,114,115]. 另一项检测涉及在小糖脂G上检测Neu5Gc立方米（Neu5Gc）[31,33,116]. 据报告，使用这些分析，正常人没有抗Neu5Gc抗体[32,111,115,117–120]. 然而，最近使用一种考虑到背景和其他控制因素的更为特殊的检测方法的研究表明，所有正常人实际上都有显著水平的Neu5Gc循环抗体[57,59,60,121]. 事实上，一些正常人体内有大量的循环抗体，甚至超过了某些已知的天然血型和异种反应抗体的水平[60]. 此外，这些抗体可以在Neu5Gc喂养的人类细胞上诱导补体沉积[59].

值得注意的是，Neu5Gc分子本身不能填充抗体的结合位点（副表位），也可以在不同的潜在聚糖上修饰和/或以各种链接呈现。在此基础上，我们最近使用了一组新的天然和化学酶合成聚糖，以表明许多正常人具有丰富且多样的此类抗Neu5Gc抗体谱，每种抗体与各种含Neu5G的表位反应不同[60]. 与有关抗聚糖抗体的标准教条相反，正常人中最常见的抗Neu5Gc抗体也属于IgG类[60]. 如上所述，早期文献也报道了癌症、类风湿关节炎、传染性单核细胞增多症和其他疾病患者中更容易检测到的抗Neu5Gc抗体。目前正在使用一种新型聚糖微阵列进一步研究这一发现。

人类摄入Neu5Gc的意义

Neu5Gc的主要饮食来源似乎是哺乳动物来源的食物，以及主要的堆积部位（血管内皮和中空器官内壁的上皮细胞）[57]，碰巧也是似乎优先发生在人类身上的疾病的发生地，即大血管闭塞性动脉粥样硬化和上皮性癌。有趣的是，这两种疾病都与食用红肉或牛奶有关[122–130]慢性炎症加重[131–137]. 此外，肿瘤中的缺氧条件可以上调溶酶体Sia转运蛋白的表达，这似乎是Neu5Gc并入人类细胞所必需的[138].

我们目前的工作假设是，长期的Neu5Gc组织掺入与针对这些聚糖的循环抗体结合会导致这些细胞类型持续的慢性炎症，从而导致独特的人类疾病特征。目前正在使用Cmah公司将动物视为类人宿主。对人群进行流行病学研究也是必要的。由于Neu5Gc的掺入和周转机制在个体之间可能不同，以及抗体水平在个体之间也有很大差异，这些研究变得复杂。总的来说，在我们对这些有趣的假设得出任何最终结论之前，还需要做更多的工作。

Neu5Gc在生物技术产品中的意义

无论对人类疾病有何影响，将来自动物细胞和/或动物源培养基成分的Neu5Gc纳入用于人类治疗的各种生物技术产品中[139–144]，（包括干细胞）[145–147]具有潜在的相关性，因为人类的抗Neu5Gc抗体表达量如此之大，有时甚至很高[60]. 与基于不敏感方法的先前保证相反[148]需要进一步研究，以确定向人类注射含有Neu5Gc的生物治疗产品是否会产生任何短期和长期后果。需要考虑的潜在并发症包括立即过敏反应、循环半衰期缩短、免疫复合物形成、现有抗Neu5Gc抗体水平升高、增强对潜在多肽的免疫反应性，以及人体组织直接负载更多Neu5G c。

的初步表型Cmah公司-空鼠标

两组小鼠在Cmah公司基因，通过新-选定磁带插入[107]，或使用Cre公司-外显子6的介导性切除使基因型与人类突变基因型基本相同[108]. 第一只小鼠主要是关于B细胞生物学缺陷的研究，这是基于这样一个事实，即（与人类的情况不同）小鼠中的CD22高度依赖Neu5Gc作为其首选配体。在这种情况下，配体的丢失导致了与CD22本身丢失相似的表型，即过度活跃的B细胞[107]. 虽然从Siglec生物学的角度来看，这一发现非常有趣且具有指导意义，但它可能与人类情况有关，也可能与人类状况无关，因为人类和其他人类CD22分子似乎都能同样很好地识别Neu5Ac和Neu5Gc[76]. 第二只具有类人基因型的小鼠在繁殖到同类背景后，进行了进一步评估。正如早期对人类的研究所预测的那样，这些小鼠体内快速生长的肿瘤能够摄取口服给药的Neu5Gc[108]. 然而，吸收和结合的程度远低于人类肿瘤，这可能是因为可以在很短的时间（周）内进行实验和/或由于小鼠的不同代谢途径。无论如何，这些数据证实了Neu5Gc可以被外源性肿瘤吸收。我们还注意到，出生于含有内源性Neu5Gc的杂合母鼠的纯合子缺失小鼠在生长期间积累了大量Neu5G c子宫内增长。这证实了胎儿组织能够从母体来源并入Neu5Gc，并支持了之前在人类胎儿和胎盘组织中发现的Neu5G c可能也来自母体饮食摄入的观点。

小鼠的进一步表型特征揭示了人性的其他特征[108]. 首先，年龄较大的小鼠内耳出现退化过程，导致听力下降。这可能与人类年龄相关的听力损失有关。非人类灵长类动物的另一个常见特征是皮肤伤口愈合更快[149,150]. 有趣的是Cmah公司null小鼠在伤口愈合方面也表现出明显的类似人类的延迟[108]. 这种表型还需要进一步研究。涉及新陈代谢、生殖等的其他表型正在研究中，需要进一步研究以了解这些表型是否与人类进化有关。在这方面，必须认识到，即使Cmah公司null小鼠具有类似人类的基因型，它不能提供当前人类状况的完美现象。毕竟，人类的突变发生在200万到300万年前，从那时起，进化时间已经过去了。因此，空老鼠充其量只是对二百万到三百万年前情况的再现。当然，即使是这样，情况也不一定如此，因为无效表型被引入了啮齿类动物的背景，而不是人类生物学。

对人类疾病的影响

尽管人类和其他原始人之间有着密切的遗传相似性，但人类和我们最亲近的进化近亲在各种疾病的发病率和严重程度上有许多明确和明显的差异。早先已经提供了无法简单用解剖差异解释的此类疾病的列表[94–96]. 虽然在这一点上是推测性的，但我们已经提出了可检验的假设，即Sias或Siglecs的几种人类特异性变化可能是如何导致或促成这些疾病差异的。例如，艾滋病毒和乙型和丙型肝炎病毒感染的晚期并发症的发生率和严重程度的差异，以及成年人对其他病毒感染的严重反应，可能是由于人类的高反应性T细胞，我们认为这种状态可能是由于Siglec在这些细胞上的表达受到抑制[92]. 到目前为止，T细胞在其他原始人中起重要作用的其他疾病也没有常见的报道，包括哮喘、牛皮癣和类风湿性关节炎[94–96]. 考虑到这些疾病在人群中的发病率接近或超过1%，数千只大猩猩在圈养设施中接受了广泛的医疗护理，这些差异似乎很可能是显著的。然而，还需要进一步的研究来证实这一点。如前所述，人类和黑猩猩对两种不同类型疟疾的易感性差异可能部分归因于红细胞表面Sias的差异，红细胞是疟疾裂殖子的靶细胞[50]. 同样，由于人类细胞Sia成分的差异，其他需要Sia进行侵袭性结合的传染病可能在人类中有不同的表达或表现。此外，α2–6键唾液酸的表达差异[64]这可能有助于解释对禽流感和人流感病毒等病原体敏感性的差异。最后，如上所述，面对抗Neu5Gc反应时，人体组织中Neu5G c的代谢掺入可能有助于解释饮食中摄入红肉和牛奶与某些慢性炎症加剧的疾病之间的某些联系。当然，与Siglec表达缺失相关的人类T细胞的高反应性可能会进一步加剧这种慢性炎症。目前正在对这些可能性进行进一步研究。

结论和未来展望

CMAH突变是人类和其他原始人之间已知的第一个遗传和生化差异。当大约10年前被发现时，这可能只是一个随机事件，只是在一个小的有效人口规模内漂移到固定状态。此外，还有其他一些血统中Neu5Gc的表达似乎较低或缺失，例如鸡。考虑到所有这些，第一眼就不清楚这一事件是否对人类进化有任何意义。然而，必须结合发生这种遗传事件的特定物种来考虑这些遗传事件的影响，Neu5Gc是黑猩猩（人类的共同祖先）中非常突出的Sia，通过许多组织广泛表达，并与一些Siglecs的识别有关。也许正是由于这个原因，Neu5Gc表达的缺失可能对这一谱系产生了更大的影响。无论如何，我们有理由推测，我们现在发现的Sia生物学的多重差异通过一系列相关事件而相互关联（图中给出了一种可能的情况）1).

需要做更多的工作来证实或驳斥其中一些假设。在某些情况下，由于伦理和/或实际原因，我们无法重现进化事件和/或无法在人类或其他原始人身上进行许多理论上有趣的实验，这使我们受到了阻碍。因此，从基因上“人性化”或“黑猩猩化”小鼠并研究其后果似乎是合理的。此外，鉴于Siglec在人类中的不寻常表达模式（例如在胎盘和大脑中），有必要在人类中意外位置寻找Siglec表达的其他示例。这将需要与其他原始人组织进行仔细的比较，由于目前国家卫生研究院（NIH）的限制政策，即使是大猩猩的尸检组织样本也很难获得，这使得这一点更加困难[105,106]. 因此，小鼠实验可能是我们所能做的最好的实验，以尝试和理解人类进化的这些阶段。

也有可能发现人类个体在某些途径和/或分子中存在缺陷，而这些途径和分子似乎经历了人类特有的变化。这些例子可能有助于解释人类进化过程中这些变化的具体功能。无论这些变化中的一些是否与人类进化本身有关，该系统都为明确物种分支内聚糖变化的快速进化提供了极好的案例研究。当它变得相关时，可以通过直接研究原始人类化石来研究其中的一些差异[41]. 然而，鉴于这类样品的珍贵性质，这项工作必须非常仔细地加以证明。总的来说，未来看起来很有趣，继续在许多方面研究这些问题将是有益的，不仅可以更好地理解人类进化，而且可以理解人类疾病。

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