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什么是透明质酸?

小结  |   术语  |   化学与物理特性  |   生物作用  |   透明质酸的降解
透明质酸的合成  |   糖基化HA与未改性HA比较  |   透明质酸的沿革史  |   参考文献

小结

透明质酸(HA)是一种最简单的糖胺聚糖(一类带负电荷的多糖),是细胞外基质(ECM) 1的主要成分之一。透明质酸是一种由有机体内细胞周围基质分泌的支架材料2。透明质酸是一种线性的、非硫酸化多糖,其在细胞外基质中提供了抗压强度、润滑作用和水化功能2。其还会调节细胞的粘附性和运动性3,4 ,并调节细胞的增殖和分化5,这使其不仅为一种组织结构成分,而且是一种活跃的信号分子。

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术语

  • 透明质酸(指所有生理形态的HA,其中最为常见的为钠盐)
  • 透明质酸
  • 最常见的缩写为HA,有时为HY

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化学和物理性质

概述

HA是一种线性、非枝化,由双糖反复交替连接而组成的聚合物:ß(1,4)-N-乙酰-D-氨基葡萄糖和ß(1,3)-D-葡萄糖醛酸(见图)6。与ECM中高含量的其他糖胺聚糖(GAGs)不同,如肝素和硫酸软骨素,HA为非硫酸化。HA链长度为从~0.200到10 MDA之间不等,最常见的大小范围为从2到5 MDa6,7,8


HA溶解在水中形成粘弹性溶液,随着浓度增加溶液粘度升高(10 mg/ml粘度为水的5000倍)6。然而在剪切应力的作用下,在保持弹性的同时粘度迅速下降。这一特点使得HA可成为理想的生物润滑剂9。HA在ECM中的实际结构不等,但通常为具有扩展结构和显著内在刚性的无规线团状。邻近糖类间的氢键是构成HA生物性质的最重要作用力9。然而,HA的体外物理性质也受到离子强度的显著影响9

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生物作用

HA与多种细胞外基质ECM分子相互作用,使其成为一种重要的结构成分7。它由全身的成纤细胞、角质细胞、软骨细胞和其他转化细胞连续分泌,并可由酶(透明质酸酶)降解10。表1给在出了人的各种组织和体液中HA的数量及其半存留期和分子量范围。

表1.人体中的HA10

位置 HA数量 半存留期 MW范围
细胞外基质 >2.5 g/L 数小时到周
脐带 cord 2-4 g/L
滑液(皮肤) 2-4 g/L 数小时
胸淋巴 <10 mg/L 数分钟 多分散
血清 0.01-0.10 mg/L 数分钟
整个身体 15 g/70 kg


结构化作用2,6

HA与细胞外基质ECM中存在的其它糖胺聚糖一起为组织提供了抗压强度。其负电荷性、亲水性和较长的聚合物尺寸使得大量的水分与基质相结合。此外,在剪切应力作用的过程中,HA的独特性质降低了其粘度,这意味着其可以起到润滑剂的作用。在静态条件下,它还具备弹性。最后,除了在细胞周围提供水合空间之外,由于其孔径和电荷密度它还可以调节生长因子及其它信号的传输。


信号传导

HA具有6个表征细胞表面受体:

  • CD44
  • RHAMM (透明质酸受体介导运动), CD168
  • LYVE-1 (淋巴血管内皮细胞受体HA受体-1)
  • HARE (内吞作用的透明质酸受体)
  • 排卵蛋白
  • Toll-4
  • CD44和RHAMM迄今为止得到最好的表征。它们都被认为参与到肿瘤的迁移、侵袭、黏附和增殖11-13

CD44

CD 44是一种I型单通道跨膜蛋白11,13。在CD 44中能竞争性结合较长链HA聚合物的最小HA单元是肝素十糖7。CD 44由许多细胞类型所大量表达。它具有17种异构体。由于各种各样的翻译后修饰作用(糖基化、磷酸化和蛋白质棕榈酰化),其具有更大的异质性。CD 44已被证明具有广泛的细胞功能,具有的功能作用包括13


HA 受体

  • 整合膜蛋白多糖
  • 用于基质金属蛋白酶的对接蛋白
  • 核转录因子
  • 肌动蛋白细胞骨架的信号传导
  • 对富含透明质酸HA的细胞外基质ECM的调控
  • 对粘附和淋巴细胞滚动的调节
  • 用于细胞生存/死亡的基质信号协调者
  • RHAMM或CD16812

RHAMM(透明质酸介导的细胞游走受体)不是一种跨膜蛋白。而是其与细胞表面有关,但存在于若干的细胞区隔中。RHAMM也如肝素一样与硫酸化的糖胺聚糖结合。迄今为止,这种HA结合蛋白已被证明参与了:

PDGF和HA介导的src、FAK、PKC和erk信号传导级联的激活

  • 运动对创伤的反应
  • 细胞周期G2M的推进
  • 在血管生成过程中小管的形成


发育/胚胎形成

“虽然在组织发育的多数描述中已经基本上被忽视,其囊括特殊化的组织形式(即平面外胚层和内胚层)——其最重要的细胞行为之一——是为可产生细胞外基质粘附支架的形成以使细胞内所有固体组织结合起来”  13

ECM不仅在组织体内平衡中起着至关重要的作用,而且在组织发育过程中也起着重要作用。当一种新的上皮细胞形成的同时,基底膜也会形成。这包括在胚胎内产生外胚层和内胚层时上皮细胞的形成。在胚胎形成的过程中,层粘连蛋白是第一个在基底膜内分泌的ECM蛋白质。在八细胞期胚胎细胞间隙空间中可观察到点状图案。胚胎发育后期,纤维连接蛋白、硫酸乙酰肝素和Ⅳ型胶原在同一区域积累,Ⅳ型胶原的沉积和自组装导致基底膜的组织化,从而促进粘附细胞的组织化,导致上皮单层ECM的极化13

胚胎ECM具有大量的糖胺聚糖(GAGs),其中HA最为显著14。人胚胎干细胞(H1、H9和H13)均已证明表达CD44和CD168(RHAMM),它们为HA受体。人体胚胎干细胞(hESCs)也通过包裹在HA水凝胶中进行培养。这些细胞经过培养生长15天,但无明显的分化。从水凝胶中恢复后,使用内皮生长培养基补充VEGF可使得hESCs分化14

HA大量存在于胚胎肝脏、胎儿肝脏和肝脏内的干细胞小生境(细胆管)的ECM中。肝干细胞和祖代细胞(肝母细胞)在包裹于HA水凝胶中并在一种充分定义的培养基(Kubota培养基)中生长过程中,已经可以成功地实现培养4周以上而不发生分化。此外,这些肝前体细胞以高水平表达CD 4415

癌症

HA在癌症中的作用仍有待阐明。迄今为止,有14种类型的癌症已被证明在肿瘤细胞或周围基质中高透明质酸水平有所升高16,19。然而,这是否是一种因果关系尚不清楚。对于卵巢癌来说,HA的积累与癌症之间的相关性非常强,其被认为是一种预示性标志物19。低MW分子量的HA能刺激肿瘤细胞的迁移(高MW分子量的HA不能)19。近年来,抑制内源性HA的合成(通过转染反义HAS、透明质酸合酶)已被证明当皮下注射在免疫功能不全小鼠上时可以减少体内PC3M-LN4(人前列腺癌)的生长。这些肿瘤的血管密度显示为降低了70~80%。通过注射外源性高分子量的HA 16恢复了肿瘤的生长。此外,相关研究还发现HA表达会影响一些信号通道(Erb2、Ras、MAPK和PI3激酶/Akt),可促进肿瘤的生长和存活16


血管生成

HA寡糖能促进血管的生成,而与此同时高分子量的HA却阻碍血管的生成16,17,19,20。除了HA片段和聚合物影响血管生成之外,透明质酸酶的水平和HA的降解与肿瘤的生长和血管的生成相关。由此推测,肿瘤HA的降解会产生HA寡糖,从而促进血管的生成和肿瘤的生长。也存在一些与该理论矛盾的信息,表明需要更多的研究来充分理解HA与血管生成之间的复杂关系16

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透明质酸的降解

HA可以通过两条途径从有机体中清除,这两种途径都需要透明质酸酶10,20

1. 细胞的内化和降解以及在溶酶体中的破坏10

透明质酸酶Hyal-1负责细胞内HA的分解代谢,并且主要是在溶酶体中发挥功能作用10,20。它是促进血管生成HA片段的酶,因为它能够将各种尺寸的HA链切割为四聚糖类20-15。由Hyal-1产生的四聚糖类可以通过在溶酶体中的β-葡萄糖醛酸酶和β-N-乙酰氨基葡糖苷酶完成降解。最终的降解产物为n-乙酰葡糖胺(可以回收)和葡萄糖醛酸(可以在戊糖途径中发生代谢分解)6


2. 从ECM中释放,并引流到脉管系统,然后由淋巴结、肝脏和肾部移除10

透明质酸酶Hyal-2负责分解细胞外HA10,20。经切割之后,HA通过淋巴系统进行转运。HA一旦进入血流,肝脏将清除约80%,肾清除另外10%10


7


有三种类型的透明质酸酶可以对HA进行消化:

  • 哺乳动物(内切-β-N-乙酰-D-氨基己糖苷酶,可产生四聚糖和六聚糖)
  • 水蛭/寄生虫(内源性β-葡萄糖醛酸酶)
  • 细菌(通过β消除而产生二聚糖、四聚糖或六聚糖;注意:这种酶在糖醛酸中的非还原端还引入了一种双键,其可以在232 nm处测得。)

透明质酸酶在酸性pH下能够发挥最好的作用,预期可起在溶酶体降解中起到作用。酶消化通常在37℃的乙酸钠缓冲液(pH4.8-6.0)中进行。通过改变消化时间,产生的HA低聚糖分布也发生改变—消化时间越长,链长就越短。

在人类基因组中编码具有5种哺乳动物同源类型的透明质酸酶:Hyal-1到4和PH-20(精子粘附分子1(Spam-1))20

  • Hyal-1在大多数组织中都有表达,在血浆和尿中也可以检测到。Hyal-1不进行膜表达,但其需要CD 44用于控制体内的透明质酸酶活性。在膀胱和前列腺癌中其表达上升20
  • Hyal-2在大多数组织中也有表达,但不在大脑中进行表达。它可分解细胞外的HA,它具有一种糖基磷脂酰肌醇(GPI)信号序列,该序列可将其锚定在膜上。Hyal-2也需要CD 44来降解体内HA。其被认为是一种细胞外酶,它是组织重塑和细胞迁移的关键10
  • Hyal-3在脑和其他几个组织中表达,但其功能尚未确定。它是GPI锚定的20
  • Hyal-4是硫酸软骨素的特异性底物,并且是GPI锚定的20
  • PH-20在精子中表达,其在受精过程中活跃,在此其降解富含HA的卵丘细胞10,20

化学品7

HA也可以通过非酶的方式降解。导致形成较短链长的最常见条件为:

  • 酸性条件
  • 碱性条件
  • 物理应力(高速搅拌或临界剪切)
  • 声波降解法(超声处理)
  • 自由基裂解(羟基自由基可通过非特异性切割糖苷键而引发HA的降解)

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透明质酸的合成

HA由所谓的透明质酸合成酶(HAS)合成。HA是在质膜上合成的,该聚合物从还原端延伸,从而从细胞表面挤出。这对于葡糖氨基葡聚糖来说是非典型的12。CD 44表达细胞将以细胞周围包覆的形式保存合成的HA。该HA用于产生Glycosil™,并且利用来自似马链球菌的重组hasA基因可合成HyStem,其在枯草杆菌中得以表达。产生的HA的大小在1 MDa范围内26

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Glycosil HA与未改性HA比较

未经修饰的HA很难(高粘度)具有协同作用,不能形成稳定的水凝胶(凝胶状溶液可以在高浓度时形成,特别是对于高分子量的HA,但不存在化学交联),并且HA在体内被内源性透明质酸迅速降解2,9

Glycosil通过在COOH或OH基团处向每个HA聚合物中引入多个硫醇基团而形成12。这些硫醇基团可以相互反应而形成二硫键,也可以与PEGDA反应生成水凝胶,这种水凝胶在体内可稳定保存4~8周22-25,但仍可被透明质酸酶降解。

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透明质酸的沿革史7,8

1934年- HA首先被从牛眼的玻璃体中分离出来,并以玻璃体(=透明质)和糖醛酸命名。

1930-40年 – HA从滑液、皮肤、脐带、肿瘤和公鸡肉冠中分离出来。

1951年 – HA的化学结构被测定出来

1970年代 – 软骨蛋白聚糖被证明与HA具有特殊的相互作用

1993年 – A组链球菌透明质酸合成酶的发现和克隆

1999年 – 活性透明质酸合成酶的首次纯化

目前 HA现在主要由细菌发酵生产

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参考文献

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