糖代码分子模板指导骨骼与神经发育、组织再生及创伤和疾病后的动态修复反应

《International Journal of Molecular Sciences》：The Glyco-Code Molecular Template Instructively Guides Skeletal and Neural Development, Tissue Regeneration and Dynamic Repair Responses Following Trauma and Disease

　　

摘要专业翻译 糖胺聚糖（Glycosaminoglycans，GAGs）编码了细胞可解读的指导性信息，用以调控组织发育、修复反应、再生以及创伤或疾病后组织功能的恢复。这些信息被称为糖代码（glyco-code），是组织发育与修复的路线图。本综述表明，对糖代码的更清晰理解将有助于改进修复生物学策略，特别是在骨骼与神经修复、再生以及治疗性生物材料设计方面。新兴的周围神经修复治疗方法日益趋向于多模式递送、微环境调控和仿生结构支撑相结合；然而，糖胺聚糖的电导特性尚未被充分整合到这些策略中。这一空白具有重要的临床意义，因为神经系统疾病影响全球超过40%的人口，涉及卒中、偏头痛、阿尔茨海默病和糖尿病神经病变等疾病，约达三十亿人。因此，纳米颗粒工程化平台和糖代码驱动的生物材料可能提供未来的再生疗法，将糖胺聚糖的结构、电荷、配体结合能力、信息功能和驻留细胞群体的电导调控相结合，以驱动神经恢复。糖胺聚糖与多种结合蛋白的多功能性相互作用，在健康和疾病状态下协调多种组织的形态与功能，并已被广泛用于修复生物学中的组织工程方案。组织图谱（tissue atlases）、先进糖组学（advanced glycomics）和分子动力学结合研究目前正在单细胞水平上鉴定糖胺聚糖结合蛋白在治疗性修复过程中的作用，有助于识别更有效恢复组织功能的分子靶点。DynamicBind和SurfDock是深度学习方法，能够准确展示在理解潜在治疗药物与预期靶点对接方面的最先进性能，识别未见蛋白靶点中的隐蔽口袋（cryptic pockets），并加速针对此前不可成药靶点的小分子开发，有望拓展含聚糖结构的计算药物发现视野。

论文主体内容专业总结

1. 引言

糖胺聚糖（GAGs），包括硫酸软骨素（CS）、硫酸皮肤素（DS）、硫酸乙酰肝素（HS）、硫酸角质素（KS）和透明质酸（HA），是蛋白聚糖（PGs）和细胞外基质（ECM）的关键组成部分，为细胞提供机械感觉线索。HA是唯一非硫酸化的GAG，支持组织稳态、区室化、水合和细胞保护，在软骨中形成HA-聚集蛋白聚糖聚集体以赋予承重特性，在中枢神经系统（CNS）的神经元周围网络（PNNs）中支持突触认知过程。GAG修饰的PGs存在于细胞表面、细胞内和ECM中，其特异性硫酸化和差向异构化模式使GAG序列能够与生物活性调节分子发生组织和时间依赖性相互作用。内皮糖萼通过剪切介导的机械感觉信号转导调节血管功能，糖萼受损时释放的聚糖片段可作为生物标志物监测组织损伤程度和治疗性修复效果。ECM分子的基质隐 crypt 片段（matricryptic fragments）具有组织修复和细胞指导特性，其中许多有益效应由GAG组分介导。硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPG）片段如agrin在心脏修复和再生中显示出前景，perlecan结构域V和LG3片段对缺血性卒中后血脑屏障（BBB）修复具有有益作用。

1.1 糖代码的复杂性与功能性细胞指导能力

糖代码是与DNA/RNA和蛋白质系统在信息复杂性上相抗衡的复杂通信系统。聚糖在结构多样性上远超蛋白质或核酸，不直接由基因组编码，而是通过非模板依赖的生物合成酶网络合成。基于平行反应监测的红外基质辅助激光解吸电喷雾电离质谱（PRM-IR-MALDESI）技术已实现对缺血性卒中中复杂CS异构体分布和GAG特征的时空映射。

1.2 GAG的物理化学性质

GAG是具有高负固定电荷密度的聚离子ECM组分，其相关抗衡离子支持水保留、离子通量调节和渗透调节细胞信号传导，使GAG能够影响膜去极化和细胞活化，特别是在神经元等可兴奋细胞类型中。在脑和脊髓损伤后，PGs及其GAG侧链的破坏迅速改变内皮ECM，损害神经血管单元和血脑屏障完整性、突触组织和PNNs。损伤诱导的HA解聚产生生物活性片段，抑制少突胶质细胞介导的髓鞘再生，促进炎症、血管生成和基质降解。GAG还通过静电相互作用调节离子平衡和机械转导，HS和CSPGs调节组织力学、整合素信号传导和受体酪氨酸激酶活性。

1.3 GAG的生物多样性及其赋予组织的功能特性

1.3.1 GAG在细胞-细胞和细胞-ECM通信中介导的细胞控制

涉及PGs的细胞周围和间质分子网络为细胞提供机械感觉系统，使其能够感知和响应微环境扰动，改变代谢谱并补充因疾病或创伤耗竭的ECM组分。

1.3.2 GAG与Wnt蛋白在干细胞更新、迁移性多能干细胞谱系发育、组织发育和修复反应中的作用

干细胞受其局部微环境（niche）调控，Wnt短程信号促进干细胞自我更新，而通过HA、perlecan和laminin等ECM组分退出Wnt信号niche的细胞则分化并获得多能迁移特性。甲苯胺蓝染色的PNS和CNS组织标本显示GAG广泛分布，特别是在含神经祖细胞干细胞的区域，包括室下区、齿状回颗粒细胞和神经血管单元。

1.4 特定GAG类别的生物多样性结构与功能

五种GAG类别由其重复二糖单元及其与PG核心蛋白的连接方式定义。HA是最简单的GAG，HS是结构最复杂的GAG，CS含有在胚胎组织发育和修复过程ECM重塑中出现的瞬时硫酸化基序。

1.4.1 HA：简单GAG但在组织发育中具有多种功能作用

HA在滑液中以2-3 MDa聚合物形式存在，在某些肿瘤中可达7 MDa。聚合HA具有抗炎作用，清除活性氧（ROS），支持水合作用，形成HA-聚集蛋白聚糖复合物帮助软骨抵抗压缩，并在PNNs中支持神经元认知过程。HA通过CD44、EGF和TGFβ受体途径促进成纤维细胞和角质形成细胞介导的伤口修复反应。去聚合HA可促进炎症、血管生成和基质重塑，HA在脱髓鞘病变中积累，通过HA/Toll样受体-2（TLR2）信号传导抑制晚期少突胶质祖细胞成熟从而阻碍髓鞘修复。

1.4.2 HS结构的复杂性及其功能性相互作用基序

HS是除肝素外最具异质性的GAG，含有硫酸化（S）结构域和N-乙酰化（NA）结构域。HS经历2-O、3-O、6-O和N-硫酸化，这些位点决定HS的相互作用性。FGF1结合位点中存在特异性三糖IdoA2S-GlcNS6S-IdoA2S，6-O-硫酸化对FGF1-HS相互作用至关重要。主要形态发生素Hedgehog（Hh）、BMP和Wnt依赖HS硫酸化与其相互作用。抗凝血酶（AT）五糖GlcNAc6S-GlcA-GlcNS3S6S-IdoA2S-GlcNS6S中关键的3-O-硫酸化基序对AT抑制活性至关重要，3-O-硫酸化也显著增强tau蛋白与细胞表面HS的结合，促进其在AD中的细胞摄取和类朊病毒样传播。

1.4.3 CS和DS在组织发育中的功能作用

CS和DS调节组织发育、伤口愈合和疾病进展，在神经系统中具有特定功能作用。聚集蛋白聚糖（aggrecan）是关键的PNN组分，参与认知和突触可塑性。CS硫酸化基序3B3[?]、4C3、7D4和6C3可识别发育中经历形态发生的组织，这些基序在健康成熟组织中不可检测，但组织退化时重新出现。CS/DS GalNAc4S6S的生物合成涉及软骨素4-O-硫酸转移酶-1（C4ST-1）、皮肤素4-O-硫酸转移酶-1（D4ST-1）和N-乙酰半乳糖胺4-硫酸6-O-硫酸转移酶（GalNAc4S-6ST），其产物与CNS损伤、癌症、纤维化、骨质疏松和病毒感染相关。

1.4.4 KS是一种高度相互作用的多功能糖胺聚糖

角膜KS的蛋白质组学和固相结合研究表明KS是高度相互作用的GAG，与85种激酶相互作用。

1.4.5 激酶调节组织稳态

激酶是人类蛋白质组中最大最多样的蛋白质家族之一，拥有500多个成员，约占人类基因组的2%。

1.4.6 磷酸化作为分子开关

激酶通过将ATP等高能分子的磷酸基团转移到特异性底物来调节细胞生物学，这种可逆磷酸化与磷酸酶介导的去磷酸化共同修饰丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸残基，影响蛋白质构象和活化、亚细胞定位及蛋白质-蛋白质相互作用。

1.4.7 生理与治疗意义

磷酸化对调节细胞生长、代谢和凋亡至关重要，激酶在癌症、炎症性疾病和神经退行性疾病中不可或缺，是重要的治疗靶点。

1.4.8 KS-蛋白聚糖参与肿瘤发展调控

Podocalyxin（PODXL）是一种跨膜PG，是胚胎植入期间人子宫内膜上皮接受性的负调节因子，也是肿瘤相关诊断和预后生物标志物，在多种上皮癌中过表达并与不良预后相关。Lumican是携带多达四个N-连接KS链的II类小富含亮氨酸蛋白聚糖（SLRP），在ECM组织中发挥关键作用，可抑制肿瘤细胞迁移和侵袭，具有MMP抑制剂模块（lumcorin），抑制黑色素瘤细胞迁移并发挥血管静止效应。

1.4.9 KS具有电导性并参与神经感觉过程

KS是一种电导性GAG，可能通过沿KS链穿梭质子的能力参与神经元信号传导。KS可通过Grotthuss穿梭捕获和转移质子，可能参与神经递质相关过程。低硫酸化KS亚型在软骨鱼类的罗伦氏壶腹（Ampullae of Lorenzini）中构成超灵敏质子检测凝胶，可检测低至5 nV/cm的电场，是自然界已鉴定的最灵敏质子检测系统。

2. 神经传递过程中的神经递质转运与释放

神经递质储存在神经元胞体中的突触囊泡内。跨膜KSPG SV2是智能储存和转运蛋白聚糖，将突触囊泡中包裹的神经递质转运至突触间隙。突触结合蛋白（Synaptotagmin）是Ca²⁺传感器蛋白，与SV2相互作用协助同步囊泡运输。神经递质传递功能障碍与多种脑疾病相关，包括AD、帕金森病（PD）、精神分裂症、抑郁症和药物成瘾。

2.1 特异性HSPGs对突触的稳定作用

突触处的特异性HSPGs为神经元通信提供稳定性、特异性和可塑性。Neurexins通过选择性剪接和HS修饰调节抑制性和兴奋性突触。Pikachurin支持光感受器-双极神经元带状突触，对极速视觉信号传导至关重要，Eyes-shut通过与dystroglycan LamG结构域相互作用稳定光感受器轴丝初级纤毛。

2.2 HSPGs增强Wnt和IHh蛋白在组织中的溶解性和转运

HSPGs调节Wnt配体扩散、形态发生素梯度和生长板软骨中细胞表面Wnt聚集。Perlecan LDLR结构域II结合并共分布Wnt和印度 Hedgehog（IHh）于生长板梯度中。

2.3 Perlecan对印度 Hedgehog 的结合

Perlecan结合IHh调节软骨内骨化过程中的软骨细胞分化和增殖。IHh受滑膜关节形成和软骨内骨化中Wnt信号通路调控，Wnt/β-catenin和IHh通路共同调节生长板形态发生、软骨内骨化、成骨细胞分化、软骨细胞增殖和肥大。

2.4 Wnt梯度在生长板软骨和软骨内骨化中的作用

Wnt信号对生长板发育和维持至关重要，调节细胞命运、增殖和组织组织。Wnt蛋白包括Wnt7a溶解度有限，但通过其LDL受体结构域结合perlecan，实现细胞外转运和骨骼发生中的梯度形成。

2.5 Wnt信号协调软骨形态发生和骨骼发育

Wnt信号中枢性调节软骨原基形态发生和骨骼发育，经典和非经典Wnt通路控制软骨形成和软骨内骨化过程中的软骨细胞分化、增殖和肥大，其失调与骨关节炎等疾病相关。

2.6 BMPs与软骨

BMPs是TGF-β相关蛋白，调节软骨细胞和成骨细胞发育，主要通过结构域I中的HS和CS链结合perlecan，静电相互作用形成受保护的局部生长因子池供受体呈递。Perlecan增加BMP生物利用度和骨形成及修复过程中的受体激活。

3. GAGs在神经组织调节中的关键方面

GAGs通过指导细胞、引导ECM重塑和支持创伤后伤口愈合来调节组织发育、稳态和修复。CNS损伤后，胶质瘢痕中CSPG积累稳定受损组织但限制轴突再生，特别是通过抑制性4-硫酸化GAG链以及aggrecan、brevican、phosphacan、neurocan和versican的表达改变。Aggrecan、HA和aggrecan聚集体通过CS链抑制背根神经节（DRG）神经元突起生长，软骨素酶消化可减少这种抑制。Hyaluronidase-4是哺乳动物CS水解酶，具有与细菌软骨素酶相似的CS降解特性。

4. GAGs在促进伤口修复和组织再生中的潜力

GAGs和PGs促进伤口愈合和组织再生。糖尿病伤口因免疫失调、神经病变、感染和慢性炎症而愈合不良。GAG-based疗法在改善糖尿病伤口护理和神经修复方面显示出前景，包括GAG介导的糖尿病伤口修复策略、GAG-based大孔支架用于生长因子释放、多种神经引导导管、电刺激和电鳗启发离子凝胶。电导性抗炎壳聚糖/CS-A/羟乙基纤维素离子凝胶导管在大鼠坐骨神经模型中显示出生物相容性，促进施万细胞活化、轴突引导、髓鞘再生和功能恢复。

5. 未来GAG研究

组织图谱推进了疾病进展、治疗反应和单细胞水平功能组织组织的细胞层面理解。超过50%的蛋白质已知经历糖基化，越来越多的证据表明糖基化在细胞分化、发育和疾病中发挥关键作用。TransCODE联盟的大规模合作研究提供了非经典开放阅读框（ncORFs）的蛋白质水平证据，约25%的7264个ncORFs在95520个蛋白质组学实验的大规模分析中产生可检测肽段。暗蛋白质组ncORFs及其编码的小蛋白（miniproteins）和肽素（peptideins）识别出人类蛋白质组编码信息的显著扩展。

6. 下一代测序进展阐明GAG生物合成酶在组织功能中的重要性

GAG生物合成的调控仍未完全阐明，硫酸化GAG合成受损与先天性结缔组织疾病日益相关。下一代测序已鉴定出影响糖基转移酶、磺基转移酶、异构酶、连接区酶和UDP-糖或硫酸转运体的致病基因。这些通路的功能障碍破坏CS和HS合成，导致骨骼异常以及涉及心脏、肾脏、认知和免疫的系统性效应。

7. 结论

GAGs是具有显著结构和功能复杂性的生物调节分子。尽管定义GAG与结合蛋白的结构-功能关系存在挑战，新方法正在改善对这些相互作用的理解，并实现修复生物学中日益有效的应用。GAG-informed组织修复和再生的持续创新既必要又有前景。