糖基化改变是癌细胞的一个普遍特征，某些聚糖是公认的肿瘤进展标志物。

历史

糖基化改变作为癌症标志的最早证据是某些植物凝集素显示出对肿瘤细胞的结合和凝集增强。
随后发现，培养细胞的转化通常伴随着细胞表面糖蛋白糖肽大小的普遍增加。
随着单克隆抗体技术的出现，发现了许多针对聚糖表位的“肿瘤特异性”抗体。在许多情况下，这些表位代表“癌胚抗原”——即在肿瘤细胞和胚胎组织上表达的聚糖表位。
与胚胎发生期间的正常细胞一样，肿瘤细胞也经历快速生长和组织侵袭。
某些类型的糖基化改变与带瘤动物或患者预后之间的相关性增加了人们对聚糖变化的兴趣。
体外细胞测定和体内动物研究现已支持以下结论：聚糖变化对肿瘤细胞行为的几个方面至关重要。

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癌症中的糖基化改变不是随机的

恶性细胞中的聚糖变化采取多种形式：某些聚糖表达的丢失或过度表达、不完整或截短聚糖表达的增加，以及较少见的新颖聚糖的出现。然而，这不仅仅是肿瘤细胞中生物合成紊乱的随机后果。只有非常有限的一组糖基化变化与恶性转化和肿瘤进展相关。

鉴于癌症是一个“微进化”过程，只有最适宜生存的细胞才能存活，并且肿瘤处于免疫监视压力之下，因此这些特定的聚糖变化很可能在肿瘤进展过程中被选择出来。

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N-聚糖分支和岩藻糖基化的改变

关于肿瘤细胞糖肽大小增加的经典报告现已部分被 N-聚糖 β1−6 分支的增加所解释（图47.1），这是由 N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶 V (GnT-V, MGAT5) 表达增强所致。

图 47.1 在细胞发生肿瘤性转化时，N-糖的尺寸增大，部分原因是 MGAT4 和 MGAT5 活性增强，它们催化 N-糖链上的 GlcNAc 分支。这可能导致 LacNAc 单元数量增加，这些 LacNAc 单元也可能被唾液酸化（sialylation）或岩藻糖化（fucosylation）。生成的糖链可能被凝集素（galectins）和选择素（selectins）识别。此外，FUT8 活性增加（它将核心 α1-6 岩藻糖转移到 N-糖上）也会促进肿瘤进展。相比之下，MGAT3 活性增加（催化将分叉 GlcNAc 转移到 N-糖链上）可能抑制肿瘤进展，部分机制是通过抑制凝集素结合。

MGAT5 基因转录的增加是由各种致癌转录因子以及病毒和化学诱导的致癌作用诱导的。
在小鼠中，MGAT5 上调的细胞显示转移频率增加，而缺乏 MGAT5 的自发逆转录株则失去转移表型。
在培养细胞中过表达 MGAT5 会导致转化表型，而 Mgat5 缺陷小鼠则显示病毒癌基因诱导的乳腺肿瘤生长和转移显著减少。
MGAT4 表达增加以形成 β1−4 分支的四触角 N-聚糖，也增强了肿瘤进展。

N-聚糖分支和延伸增加增强肿瘤进展的可能机制包括：

通过半乳糖凝集素与聚-N-乙酰乳糖胺 (LacNAc) 结合形成晶格，导致生长因子信号传导延长。
由于外链唾液酸化和岩藻糖基化增加，生成被选择素识别的唾液酸 Lewis x (SLex) 四糖（图47.1）。
在实体瘤中也观察到将核心岩藻糖转移到 N-聚糖的 FUT8 表达增加（图47.1），并促进肺癌和黑色素瘤的肿瘤进展。
催化 β1−4GlcNAc 转移到 N-聚糖上甘露糖 (Man) 以形成二分 GlcNAc 的 N-乙酰氨基葡萄糖基转移酶 III (GnT-III, MGAT3) 表达在大鼠肝癌和小鼠乳腺肿瘤中上调。然而，在这种情况下，二分 GlcNAc N-聚糖的存在抑制肿瘤进展。
缺乏 MGAT3 的小鼠显示乳腺肿瘤和肺转移增加，而高 MGAT3 表达与人类乳腺癌中更好的无复发生存率相关。
然而，在缺乏 MGAT3 的小鼠中肝肿瘤减少，并且 MGAT3 活性赋予卵巢癌细胞癌症干细胞特征。因此，MGAT3 对癌症进展的影响取决于组织环境。

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癌症中粘蛋白表达和截短 O-聚糖的改变 #216

癌症中唾液酸化的改变 #217

癌症中选择素配体表达增加 #218

癌症中血型糖基化的改变 #219

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糖鞘脂表达的改变 (ALTERED EXPRESSION OF GLYCOSPHINGOLIPIDS)

许多针对癌细胞产生的**“肿瘤特异性”单克隆抗体识别糖鞘脂**的聚糖部分。

一些糖脂在特定的癌症中高度富集（例如 Burkitt 淋巴瘤中的 Gb3/CD77，以及黑色素瘤中的 GM3、GD2 和 GD3）（图47.3）。
几种类型的肿瘤（特别是黑色素瘤和神经母细胞瘤）的特征是神经节苷脂合成水平非常高（第11章）。其中一些（例如 GD2）在非神经组织中通常不会高水平发现，因此是被动免疫治疗（单克隆抗体输注）和主动免疫治疗（用纯化糖脂免疫）的靶点。
在某些情况下，神经节苷脂也是修饰 Sia 的主要载体（图47.3）。
细胞培养研究表明，一些神经节苷脂促进肿瘤细胞生长和侵袭。
作为脂筏膜微域的主要组成部分，神经节苷脂调节众多受体的细胞信号传导。
此外，一些肿瘤脱落的神经节苷脂似乎具有免疫抑制作用。

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GPI-锚表达的丢失 (LOSS OF GPI-ANCHOR EXPRESSION)

在涉及造血系统的某些恶性和癌前状态中，观察到糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 锚定蛋白的完全丢失。
这是由于造血干细胞中 PIGA 基因（GPI-锚生物合成早期步骤所必需 [第12章]）的获得性突变所致。
相反，一些 GPI-锚定蛋白，例如癌胚抗原家族的成员，如 CEACAM5 (CEA)，在胃肠道、肺、乳腺和女性生殖系统等癌症中过表达。
CEACAM 家族的成员被认为通过干扰整合素信号通路参与肿瘤生物学。

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透明质酸的变化 (CHANGES IN HYALURONAN)

许多类别的恶性肿瘤表达高水平的透明质酸，这是一种由重复二糖单元 [GlcAβ1−3GlcNAcβ1−4]n 组成的大型带负电荷多糖（第16章）。

在癌症中，透明质酸定位于肿瘤细胞表面附近，并且在肿瘤相关基质中也富集。
在正常组织中，透明质酸至少有三个功能，这也可能促进肿瘤进展：
1. 它增加组织水合作用，促进细胞在组织中的运动。
2. 它通过与其他大分子的特异性相互作用内在性地参与细胞外基质的组装，从而参与促进或抑制肿瘤细胞存活和侵袭的肿瘤细胞-基质相互作用。
3. 透明质酸与几种类型的细胞表面受体相互作用，尤其是 CD44，它们介导或修饰细胞信号通路。
这些相互作用，特别是与在大多数癌细胞中升高的 CD44 剪接变体的相互作用，通常对肿瘤恶性程度至关重要，是当前新疗法的一个靶点。

在正常成人组织中，透明质酸对细胞信号传导和行为似乎相对惰性。然而，在胚胎发育、组织再生和各种病理学中，透明质酸-CD44 信号传导被激活，这可能是由于透明质酸酶对透明质酸的有限切割所致。

这种信号传导的后果是显著的，因为它促进细胞增殖、存活、上皮-间充质转化 (EMT) 和侵袭，这些都是恶性表型的关键要素（图47.5）。
透明质酸-CD44 相互作用是某些癌基因（尤其是受体酪氨酸激酶，如在众多癌症中被放大或突变的 ERBB2）组成性激活所必需的。
因此，透明质酸-CD44 相互作用促进了也是癌症标志的下游细胞内通路，例如磷脂酰肌醇 3-激酶 (PI3K)/AKT 和丝裂原活化蛋白激酶通路。
透明质酸-CD44 相互作用的拮抗剂在培养的恶性细胞中引起这些通路的失活，并在动物模型中抑制肿瘤生长和转移。
透明质酸-CD44 相互作用还刺激多药耐药性，而拮抗剂使耐药癌细胞对化疗药物敏感。
此外，透明质酸与其受体的相互作用对于几种类型的代谢和多药转运蛋白的活性也很重要。
这些广泛的影响可能是由于质膜（例如脂筏）中信号传导平台的稳定化所致，这依赖于透明质酸与 CD44 或在某些情况下与其他透明质酸受体（例如 LYVE-1 或 RHAMM/CD168）的多价相互作用（图47.5）。

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硫酸化糖胺聚糖的变化 (CHANGES IN SULFATED GLYCOSAMINOGLYCANS)

蛋白聚糖由核心蛋白组成，并饰有带负电荷的硫酸化糖胺聚糖 (GAG) 侧链，即硫酸软骨素 (CS)、硫酸皮肤素 (DS)、硫酸角质素 (KS) 和硫酸乙酰肝素 (HS)（第17章）。

许多蛋白聚糖的含量和分布在肿瘤发生过程中发生改变，结构和功能多样的 GAG，特别是 HS 链，与肿瘤发病机制有关。
HS 链共价连接到蛋白聚糖的核心蛋白（例如载脂蛋白、乙酰肝素聚糖和基底膜聚糖）。
其他蛋白聚糖，如核心蛋白聚糖、大聚糖、可变聚糖和角膜聚糖，携带 CS、DS 或 KS 链，也存在于大多数组织中，包括许多肿瘤类型。

与肿瘤形成相关的 HS 蛋白聚糖的主要功能是：

促进细胞-细胞和细胞-基质相互作用，这对于组织组装很重要。
结合广泛的生物活性因子，例如成纤维细胞生长因子-2 (FGF2)、血管内皮生长因子 (VEGF)、肝细胞生长因子、WNT 以及许多其他细胞因子和趋化因子。
因此，HS 蛋白聚糖可以构建抑制性屏障或允许性通路来进行细胞侵袭，并且可以隔离因子使其远离其受体，或有效地呈递给那些受体（图47.5）。

载脂蛋白-1 (Syndecan-1) 说明了 HS 的多个重要作用，尤其是在促进转移和血管生成方面。

早期工作表明 Syndecan-1 有助于维持上皮的正常分化状态，并且低水平的肿瘤相关 Syndecan-1 与恶性肿瘤相关。
Syndecan-1（以及其他 HS 蛋白聚糖）的生物活性受到蛋白酶和肝素酶（一种在特定位点切割 HS 链的酶）的酶促加工的影响。
高水平的蛋白水解释放的富含 HS 的 Syndecan 胞外域片段存在于多发性骨髓瘤以及某些类型癌症患者的血清中，并预示着不良预后。
Syndecan-1 胞外域也积聚在肿瘤微环境中，并在趋化因子和生长因子信号传导的激活中发挥重要作用，从而影响肿瘤细胞行为。
特别重要的是，胞外域促进向骨组织的转移，这是人类患者多发性骨髓瘤和某些癌症（例如乳腺癌或前列腺癌）的特征。

HS 蛋白聚糖的 HS 侧链被肝素酶和内切-β-葡萄糖醛酸酶切割成含有 10 至 20 个糖部分的片段。

肝素酶在许多类型的癌症中升高，肝素酶活性增加可导致血管生成和转移的诱导，这些过程与不良预后相关。
HS 切割促进血管生成所需的血管重塑以及 HS 结合的血管生成因子、生长因子和趋化因子的释放。
此外，肝素酶产物比完整的 HS 蛋白聚糖更具生物活性。
肝素酶对 Syndecan-1 HS 链的修剪和**基质金属蛋白酶-9 (MMP-9) ** 在骨髓瘤细胞中的上调导致 Syndecan-1 脱落增强，从而激活促进细胞迁移和血管生成的信号通路。
值得注意的是，除了在调节肿瘤血管生成和转移中的作用外，肝素酶和 Syndecan 还协同调节肿瘤细胞的细胞外囊泡分泌。
肝素酶的治疗性靶向不仅有可能阻断肿瘤生长，还有可能干扰肿瘤微环境。

除了 HS 切割外，HS 和其他 GAG 链的硫酸化模式的修饰也是肿瘤生物学的重要促成因素。

GAG 硫酸化模式通常决定了它们的生物学功能，并作为各种生长因子、细胞因子和趋化因子的特定识别基序。
许多参与 GAG 硫酸化的酶在恶性细胞中发生改变。
在卵巢癌和乳腺癌中均注意到 CS 4-O-硫基转移酶表达的变化，而癌性肺组织与非恶性组织相比显示出升高的 6-O-硫酸化 CS。
此外，已报道卵巢癌和结直肠癌中 6-O-硫基转移酶表达增加，以及乳腺癌和胰腺癌中 3-O-硫基转移酶表达增加。

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细胞质和细胞核 O-GlcNAc 的变化 (CHANGES IN CYTOPLASMIC AND NUCLEAR O-GlcNAc)

由 O-GlcNAc 转移酶 OGT 和己糖胺酶 OGA 调节的 O-GlcNAc 水平在许多癌症中发生改变。

O-GlcNAc 化发生在分泌途径之外，普遍存在于众多胞质、细胞核和线粒体蛋白，以及一些跨膜表面蛋白的细胞内结构域。
O-GlcNAc 循环充当营养传感器来调节信号传导、转录、线粒体活性和细胞骨架功能。
O-GlcNAc 化和磷酸化之间通常存在相互串扰，不仅在多肽的相同或邻近位点，而且通过调节控制这些修饰循环的酶。

O-GlcNAc 化可以通过改变转录因子和激酶的稳定性和活性来影响癌细胞代谢。

O-GlcNAc 化影响磷酸果糖激酶 1 活性，并将葡萄糖流重新导向磷酸戊糖途径。这种代谢转换可以赋予癌细胞生长优势。
此外，O-GlcNAc 化通过缺氧诱导因子-1$\alpha$ (HIF-1α) 转录因子调节癌细胞中的糖酵解。
许多癌基因和肿瘤抑制基因产物，包括 c-Myc、细胞周期蛋白 D1、NF-κB/p65、PFK1、SNAIL、Rb 和 p53，都被 O-GlcNAc 化。

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改变的聚糖表达机制 (MECHANISMS OF ALTERED GLYCAN EXPRESSION)

癌症基因组图谱 (TCGA) 已确定许多与癌症相关的糖基化基因表达改变。在某些情况下，其机制基础是已知的。

例如，MGAT5（图47.1）的转录由 v-src、H-ras 和 v-fps 以及转录因子 ets-1 诱导。
ST6GAL1 同样通过致癌 ras 异构体以及基因扩增而上调。
在白细胞中生成 SLex 的 FUT7 表达由 HTLV-1 的转录激活蛋白 Tax 诱导，该蛋白导致白血病。随之而来的 SLex 表达增加可能与成人 T 细胞白血病细胞的强大组织浸润能力有关，这很可能是由选择素介导的。
在晚期肿瘤中发现的缺氧条件下，耐缺氧癌细胞通过上调 HIF-1α 存活。HIF-1α 诱导几种糖基化基因的转录，导致肿瘤聚糖改变，包括 SLex 和 SLea 表达增强。
肿瘤缺氧也可能通过上调溶酶体唾液酸转运蛋白 sialin 的转录来影响膳食来源的非人 Neu5Gc 在人类肿瘤细胞中的掺入。
通过 DNA 甲基化或组蛋白去乙酰化/三甲基化下调糖基化基因，可能会沉默在某些类型的癌症中似乎抑制肿瘤进展的糖基化基因，例如 MGAT3 或 ST6GAL1。
通过微小 RNA 对糖基化途径的转录后调节也参与肿瘤进展。

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癌症干细胞和 EMT 过程中的糖基化变化 (GLYCAN CHANGES IN CANCER STEM CELLS AND DURING EMT)

癌症干细胞或肿瘤起始细胞构成了一小部分具有肿瘤起始能力的癌细胞亚群。

几种胚胎干细胞的特异性标志物聚糖（阶段特异性胚胎抗原-3 (SSEA-3)、带岩藻糖的 SSEA-3 (Globo H) 和 SSEA-4）也由癌症干细胞表达。
SSEA-1（小鼠的胚胎干细胞标志物）在人胶质瘤的癌症干细胞中发现。因此，这些聚糖的表达似乎与细胞的**“干性” (stemness) ** 相关。
其他癌症干细胞标志物包括糖蛋白 CD133 (prominin-1)、CD24 和 CD44，所有这些都受其糖基化状态调节。
在这些受体中，其配体透明质酸对 CD44 的激活对于维持癌症干细胞特征尤为重要。

癌症干细胞通常在**EMT（上皮-间充质转化）**的背景下进行研究。

经历 EMT 的细胞与癌症干细胞高度相似。EMT 是肿瘤进展中的一个关键事件，它使癌细胞为转移做准备。它由几个明确定义的转录因子（如 SNAIL 和 ZEB）控制。
EMT 诱导一组糖基转移酶的差异表达。具有间充质表型的癌细胞上调 ST6GAL1 和 MGAT5，同时下调 MGAT3。
N-聚糖分支和唾液酸化的相应变化影响对 EMT 过程至关重要的许多靶分子（如钙粘蛋白和整合素）的稳定性和/或活性。
其他 EMT 相关聚糖修饰包括 GD1 神经节苷脂，以及 Gg4 和 GM2 糖脂表达减少，同时 SLex 和 SLea 增加。
EMT 的典型特征是细胞粘附和侵袭性的改变；然而，细胞代谢也发生显著变化，其中许多由 O-GlcNAc 化指导。
将 O-GlcNAc 添加到 E-钙粘蛋白、Snail 和其他 EMT 相关蛋白质上，调节蛋白质稳定性或转运，最终导致代谢基因的表达失调。

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临床意义 (CLINICAL SIGNIFICANCE)

几种聚糖抗原用于检测和监测肿瘤的生长状态。

一种经典的 CA19-9 血清学测定（检测 SLea）用于监测胃癌、结直肠癌和胰腺癌患者的肿瘤负荷、对治疗的临床反应和疾病复发。
其他血清学生物标志物包括癌胚抗原 (CEA)（一种高度糖基化的糖蛋白，用于结直肠癌复发或转移的早期检测），以及 CA125（识别 MUC16，用于监测卵巢癌）。
此外，核心岩藻糖基化 α-胎儿蛋白 (AFP-L3) 可以是肝细胞癌 (HCC) 早期诊断的敏感且特异的循环生物标志物。

截短 O-GalNAc 聚糖 Tn、STn 和 T（图47.2）是肿瘤切片中癌症检测的良好标志物。

此外，检测携带这些截短 O-聚糖的特定糖蛋白（例如癌症特异性 MUC16 糖型）可提高癌症诊断和监测的特异性。
此外，用截短聚糖（包括 Tn 和 STn）修饰的特定糖蛋白已被用作靶点，以生成糖肽特异性抗体，这些抗体已在临床试验中显示出潜在的效用。
其他重要的生物标志物包括 SLex 相关聚糖，它们用于肺癌和乳腺癌中监测术后残留疾病。
近年来，除了细胞外囊泡中的糖蛋白外，人们对血清和其他体液糖蛋白的聚糖组学分析产生了浓厚的兴趣。
与癌症相关的聚糖特异性抗体（例如针对**非人 Sia (Neu5Gc) ** 的抗体）的经典发现也正在重新研究。
另一个潜在的进步在于通过定义癌细胞独特表达的糖蛋白糖型来提高已知癌症生物标志物的特异性（例如前列腺特异性抗原）。

聚糖在作为生物标志物的同时，也是癌症治疗的重要靶点。

一种针对 GD2 的单克隆抗体已获得美国 FDA 批准用于治疗小儿神经母细胞瘤，其他靶向 GD2 的抗体以及 CAR-T 细胞正在用于治疗神经母细胞瘤、胶质瘤、黑色素瘤和其他癌症的临床试验中。针对 GD2 的疫苗也在探索中。
携带 Tn 的 MUC1 形式是另一个有希望的靶点，针对 Tn−MUC1 的治疗性抗体和 CAR-T 细胞正在积极研究中。
此外，几种选择素抑制剂正在临床试验中显示出疗效，包括用于治疗多发性骨髓瘤和急性髓性白血病的靶向 E-选择素的糖模拟剂。
长期以来，已知肝素具有强大的抗肿瘤作用，部分原因是它能够阻断 P-和 L-选择素与肿瘤和/或宿主配体的结合（第34章）。
然而，肝素治疗癌症可能会受到其抗凝特性的限制，因此可能需要缺乏此类活性的低分子量肝素或类肝素。
低分子量肝素也可能通过阻断肝素酶活性或干扰组成性 HS 活性来抑制肿瘤进展。
其他肝素酶抑制剂，例如硫酸化磷酸甘露寡糖 PI-88（抑制血管生成和转移），可能通过阻断选择素或竞争性抑制 HS 结合和功能而起作用。
透明质酸的低分子量寡糖也可能具有治疗用途，因为它们抑制组成性多聚透明质酸的促癌影响，尤其是耐药性和透明质酸-CD44 相互作用诱导的信号传导事件。
可以进入细胞并充当诱饵以转移糖基化途径的二糖也显示出希望（第55章）。

最近，人们对靶向聚糖依赖性分子相互作用以增强免疫检查点抑制的兴趣日益浓厚。

N-糖基化对于 PD-L1 检查点分子的稳定以及被 PD-1 识别很重要。因此，治疗性干扰 PD-L1 糖基化可能提供一种阻碍免疫细胞上 PD-1 激活的机制。
唾液酸聚糖-Siglec 相互作用代表了另一个关键的免疫检查点，针对特定 Siglec 的功能阻断抗体已进入临床试验。
此外，正在开发通过施用唾液酸模拟物或将唾液酸酶靶向递送到肿瘤细胞表面来阻断或消融肿瘤细胞 Sia Siglec 配体的方法。
或者，造血癌细胞表达的 Siglec（例如 Siglec 2）可以作为 CAR-T 细胞免疫治疗或细胞毒性药物递送的识别分子。
总的来说，鉴于聚糖和聚糖结合蛋白在调节整体免疫反应中的众所周知的作用，利用聚糖和聚糖结合蛋白来调节抗肿瘤免疫具有巨大的潜力。