纈草酸

Sialic acid 是聚糖結構的關鍵部分。揭開膳食纖維酸的功能、合成、修改、訊號傳遞等。此外，還可找到按類別方便區分的矽丙酸研究產品。

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• 什麼是矽丙酸？
• 鍵氨酸合成和信號傳輸
• 鍵氨酸的生物合成
• Sialic Acids 的轉移
• Sialic Acids 的修飾
• 鍵氨酸的辨識與生物功能
• Sialic Acids and Pathogens
• Products for Sialic Acid Research

什麼是矽酸？

矽酸被歸類為碳水化合物，但在結構上與其他常見的糖類不同。儘管它們並不包含核心碳水化合物典型的嚴格多元醇結構 ([-CHOH-]n)，但鹽酸是聚糖結構的取代基，最常見的是以非還原末端分子的形式出現&.nbsp;N-glycan, O-聚糖，以及糖基磷脂酰肌醇 (GPI) 錨定蛋白。半乳醣酸也有別於其他糖類，因為半乳醣酸較少被利用為能量來源，但對於發育、細胞辨識、細胞附著和訊號傳遞卻至關重要。所有真核系統和幾種原核生物都會表達出sialic acid，其他致病的細菌、病毒和寄生蟲都會利用細胞表面的sialic acid作為配體，作為黏附在細胞上的一種手段，其中流感病毒是sialic-binding病原菌最著名的例子。

Sialic Acid Synthesis and Signaling

所有的矽唾液酸都是基於一個環狀的九碳結構，在 C1 位置有一個羧酸基團（見 Figure 1）。由於有羧酸基團，所以鹽基醯胺酸帶有固有的負電荷。最常見的sialic酸是N-乙酰基neuraminic acid (Neu5Ac、NeuNAc或NANA)、NN-acetyl-9-O-acetylneuraminic acid (Neu5,9Ac₂) 。¹可在碳原子 C4、C7、C8 和 C9 以及位於 C5 的胺上進行取代，多重取代有助於形成多種可能的結構。位於 C4、C7、C8 和 C9 的羥基可能會發生乙酰化、磷酸化、硫酸化或甲基化。由於可進行結構修飾的位置以及核心變異的數量，迄今已發現超過 50 種形式的矽唾液酸。在某些生理條件下，C7 和 C9 之間的 O 乙酸酯分子會移動，這是造成體內矽酸複雜性的另一個因素。

圖 1. (a) Neuraminic acid，所有纖維酸的核心結構。可在 C4、C7、C8、C9 及 C5 的胺基上進行結構修飾。(b) N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) 的結構。 (c) N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) 的結構。(d) N-acetyl-9-O-acetylneuraminic acid (Neu5,9Ac2) 的結構。

脊椎動物纖維酸的生命週期遵循明確的路徑，從合成到運輸、附著、移除。移除之後，鹽基醯胺酸可能會附著在 5'-triphosphate (CTP) 上，作為底物再利用，或是在鹽基醯胺酸特異性丙酮酸裂解酶和酯酶的作用下降解 (見 圖 2)。Altheide, et al、概述了縮水甘油酯參與的五個步驟2：

• 生物合成 - 從前體構造出序列酸
• 活化、轉運和轉移 - 產生序列酸供體底物，並透過轉移酶的作用附著到聚糖上
• 修飾 - 增加和重新定位修飾的序列酸。添加和重新定位修改到膳食纖維酸
• 辨識-膳食纖維酸辨識蛋白與膳食纖維聚醣結合
• 回收和降解-酵素去除膳食纖維酸殘基和降解游離膳食纖維酸的過程。

圖 2. 脊椎動物的 Sialic acid 代謝生命週期。

鍵氨酸的生物合成

動物體內的鍵氨酸合成主要在細胞體內進行，涉及四種酵素參與五步過程（見圖 3）。雙活性酵素 UDP-GlcNAc 2-epimerase/ ManNAc-6-kinase (基因符號 GNE)會將起始底物尿苷 5'- 二磷酸 --乙酰基-D-葡萄糖胺 (UDPGlcNAc) 轉化為 N-乙酰基-D-甘露胺 (ManNAc)，並移除 UDP 分子和碳水化合物的表聚。相同酵素的激酶功能會使糖磷酸化，產生 N-acetyl-d-mannose 6-phosphate (ManNAc-6-P)。由 NeuAc-9-P-synthetase (基因符號 NANS)啟動的磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 與 ManNAc-6-P 之間的縮合反應，會產生磷酸化的鮫酸前體 N-acetylneuraminic acid 9-phopshate (Neu5Ac-9-P)。此前體經由 Neu5Ac-9-P- 磷酸化酶 (基因符號 NANP)去磷酸化，產生關鍵的矽唾液酸 N-acetylneuraminic acid (2-ketoacetamido-3,5-dideoxy-D-glycero-D-galactonulosonic acid; Neu5Ac)。

圖 3. N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) 酵素合成及附著於聚糖結構的示意圖。

Transfer of Sialic Acids

生物合成之後，Neu5Ac 必須納入為核苷酸供體底物，才能隨後轉移至寡糖結構。這種底物的製造過程是在真核細胞的核內進行。Neu5Ac 被轉運到細胞核中，然後在 CMP-NeuAc 合成酶 (基因代碼CMAS) 的催化作用下，與 5'- 三磷酸胞苷 (CTP) 結合，失去焦磷酸而產生供體底物 CMP-Neu5Ac。然後，CMP-Neu5Ac 底物被運回細胞質，再運到高爾基，供硅氨酰轉移酶使用。

高爾基的硅氨酰轉移酶（ST）使用 CMP-Neu5Ac 作為糖供體，將 Neu5Ac 殘基連接到寡糖上。這些轉移酶會產生特殊的糖苷鏈接（α2→3、α2→6 或 α2→8），並且對用於附著的單糖受體有偏好。這些特異性由酵素命名法表示，例如 ST6Gal I 是一種半乳糖苷轉移酶，可與半乳糖形成 α2→6 連結。

酵素抑制劑通常是根據與功能性受體或底物的結構相似性來設計，預期抑制劑會被酵素不完全處理，反應會異常終止。這個概念被用在實驗中，使用含有非天然結構的 ManNAc 類似物，作為阻止纖維酸合成的方法。然而，類似物不但沒有干擾矽酸的合成，反而在酵素合成過程中被處理，其非天然成分完好無損，並隨後併入寡糖的末端。這種缺乏底物選擇性的情況可能並不令人完全驚訝，因為已經有證據顯示，椎體動物的生存必須要有sialic acid合成途徑。³非天然的半乳醯酸類似物能夠納入到聚糖寡糖中，讓研究人員能夠利用這種底物的彈性來研究半乳醯化對細胞生物學的貢獻。新陳代謝結合已與化學選擇性結合策略結合，在此過程中，半乳醯酸類似物的非天然基團可與檢測或附著分子共價結合、回顧了可透過代謝標籤納入的非天然單糖，其中N-乙酰基-D-甘露糖胺和矽唾液酸類似物最能成功應用於寡糖工程。⁵矽唾液酸代謝工程也被用於病毒黏附和先天性免疫系統調節的研究。非天然甘露胺類似物已被用來研究病毒血凝素結合的聚糖特異性要求，以及表達多聚矽酸的癌細胞的免疫靶向。^5,6

鍵氨酸的修飾

對神經氨酸的修飾發生在高爾基，不是在碳水化合物分子轉移到碳水化合物受體之前，就是在轉移之後。但Neu5Ac的羥基化形式--NN-甘氨酰新氨酸（Neu5Gc）的發展是一個例外。在非人類脊椎動物中，包括其他靈長類動物，Neu5Ac 會在細胞體內經由胞苷一磷酸-N-乙酰基neuraminic acid hydroxylase (CMP-N-acetylneuraminate monooxygenase; 基因符號 CMAH) 的作用轉換成 Neu5Gc。² The enzymes and mechanisms by which sialic acids are subsequently modified are not well defined.

Sialic Acid Recognition and Biological Function

Sialic acids 和 sialylated glycoproteins 及 glycoconjugates 是哺乳動物正常發育所必需的。由於ialic酸通常位於聚糖結構的末端，而且由於其酸性、帶負電的特性，ialylated glycoconjugates可以抑制許多分子間和細胞間的反應。如前所述，合成矽丙酸的能力被證實是小鼠存活和發育的必要條件。³多聚半乳糖醛酸是神經細胞黏附分子（NCAM）糖蛋白的一種轉譯後修飾，它的存在對於出生後神經元的發育是必要的，而膳食鹽酸是腦神經節苷脂（sialylated glycosphingolipids）的重要組成部分，膳食鹽酸對於哺乳類動物腦部的正常發育是必要的。⁷

Sialic acids 是脊椎動物先天免疫系統的重要組成部分。辨識矽酸的關鍵蛋白是 I 型選集蛋白，其中包括主要的sialic acid binding immunoglobulin-like lectins (Siglecs)亞家族。簡而言之，Siglec 蛋白在細胞表面表達，對於纖維化的配體具有高度特異性。細胞表面糖共聚物上的末端鍵醯酸可作為細胞表面 Siglecs 的配體，遮蔽 Siglecs 並防止與外部病原體結合。有關 Siglecs 及其在先天性免疫系統中的作用的討論不在此列出；讀者可參閱確定的評論以獲得更多資訊。^8-10這些蛋白質通過附著在細胞表面附近的半乳醯化聚糖上，產生"順式"鍵，降低病毒附著的可能性，並幫助保護（"遮蔽"）半乳醯化聚糖，使其免於外部病毒血凝素的附著。

末端ialic酸與Siglecs的順向結合被描述為向免疫系統識別細胞為"自我"，並防止巨噬細胞和免疫系統其他細胞的攻擊。⁸ 鏈鏈糖苷酶裂解導致末端ialic酸喪失，解除了Siglecs的面具，使Siglecs可以與另一個宿主細胞結合（"反式結合"），或與對Siglec結合位點有更強親和力的病原體結合。

末端半乳醯酸還能保護倒數第二個糖共聚物糖（主要是半乳糖）不受碳水化合物結合受體（如與發炎、凋亡和免疫細胞反應有關的 galectins（脊椎動物半乳糖特異性凝集素））的影響。

另一組對半乳醯化配體具有親和力的膜蛋白是選擇蛋白，這是一組由內皮細胞、白細胞和血小板表達的鈣依賴性凝集素。選擇蛋白對於與癌症有關的纖維化 Lewis X 抗原 (SLe^X) 有較弱的親和力，而且許多已發現對選擇蛋白有較高親和力的配體都是纖維化和岩藻糖基化的。在發炎部位的血管內皮細胞表面表達的選擇素會黏附白血球和血小板上的ialylated配體。這種微弱的黏附力會拴住循環的白血球，減緩它們通過靜脈的速度。白細胞被短暫拴住後，會沿著血管內皮細胞表面滾動，減緩其運輸速度，並讓趨化因子受體的信號激活白細胞的整合素表達。白細胞最後透過整合素-免疫球蛋白超家族結合附著在血管表面，並穿過血管壁移動到受損組織。

N-Acetylneuraminic acid 已被證實能夠清除自由基，包括過氧化氫和脂質氫過氧化物，¹¹而其他序列酸也可能具有抗氧化活性。¹²經靜脈注射的鯊烯酸能對抗脂多糖誘發的大鼠肝毒血症。¹³

鯊烯酸是電壓門控鈉通道α-亞基的組成物，其中亞基分子估計含有 100 個鯊烯酸殘基。如果亞基的半乳醯化不足，無論是在無法適當半乳醯化蛋白質的細胞系中表達，或是經由去半乳醯化作用，都會導致通道門控更為去極化。β₁-亞基的ialylation已被證實可間接支持α-亞基的鈉通道門控功能。¹⁴ 膠質酸的這種鈉通道門控功能已被視為治療癲癇發作的可能靶點。用神經氨酸酶處理大鼠海馬，以減少表面鹽酸殘基的數量，發現體外和體內癲癇模型都顯示癲癇發作敏感性降低。¹⁵

已在癌細胞中發現了半乳醯化表達的改變，包括半乳醯化程度的增加和半乳醯酸修飾的改變。癌細胞中的半乳醯化增加可能是由於半乳醯轉移酶的過度表達所致。¹⁶ Sialylated Lewis X (SLe^x)and sialylated Lewis a (SLe^a) (see 圖 4)碳水化合物結構被認定為在幾種類型的癌細胞中表達水平較高的腫瘤抗原。¹⁷ SLe^x 可作為內皮層 E-selectin 的配體，這種選擇素會在發炎事件誘發後，以依賴細胞激素的方式表達。Sialyl Lewis^x/a可能在 E-選擇素介導的癌細胞黏附子宮內膜的過程中發揮作用。

圖 4. sialyl Lewis^a（上）和 sialyl Lewis^x（下）寡糖的碳水化合物結構。請參閱常用符號命名法來識別碳水化合物。

Sialic Acids and Pathogens

包括流感病毒在內的幾種致病生物利用細胞表面的ialic acids進行附著和感染。²⁰ 流感對於細胞表面的ialic酸有兩種互補的活性，一種是對ialic酸有結合偏好的血凝素活性，另一種是能夠從寡糖中裂解末端ialic酸殘基的神經氨酸酶活性。流感病毒株的通用縮寫反映了血凝素 (H) 和神經氨酸酶 (N) 的存在。病毒利用真核生物表面末端的ialic酸作為配體，附著在細胞上進行感染。這些"反式"附著物的結合係數通常很低，因此為了強化與宿主細胞的結合，病毒與宿主之間通常會有大量的附著物。這種結合方式可讓病毒將其 RNA 轉移到宿主細胞，以進行後續感染和複製。目前已知的流感病毒血凝素有 16 種血清型，這些血清型對末端的半乳醯酸有特定的受體偏好。^21,22 這種連結偏好有助於降低禽人流感感染的風險。然而，這種轉移是可能的。1918 年大流行的流感病毒含有一種突變，能夠同時附著在α(2→3) 和 α(2→6) ialic acids 上。²³

病毒感染後，病毒的神經氨酸酶活性會裂解將病毒附著在細胞上的ialic acid基團，釋放出新形成的病毒粒子。兩種關鍵抗病毒藥物扎那米韦和奧司他韦是利用合理藥物設計和流感神經氨酸酶的蛋白結構開發的神經氨酸酶抑制劑 (NAI)。²⁴ 這些抑制劑的作用機制是佔據神經氨酸酶活性位點，阻斷糖酵解活性。²⁵

除了以神經氨酸酶抑制劑作為對抗流感感染的手段外，也篩選出以ialic acid為基礎的寡糖是否適合作為流感血凝素的配體。理論上，以ialyloglycoconjugates為基礎的藥物可以透過與病毒血凝素的競爭性結合，有效防止病毒附著於細胞表面。²²

儘管病毒的ialic acid結合能力正受到深入研究，其他致病細菌，包括 大腸桿菌大腸桿菌、奈瑟氏腦膜炎桿菌和 半乳鏈球菌 能夠合成 N-乙酰新氨酸。²⁶ 這些細菌細胞表面的sialic acid可以模仿宿主細胞上的sialylated glycans，從宿主的免疫系統中偽裝細菌。²⁶ sialic acid合成過程中的一個關鍵酶，CMP sialic acid synthetase，已經被認定為開發對抗細菌病原體藥物療法的潛在靶點。²⁷

引起人類惡性瘧疾的寄生蟲 惡性瘧原蟲使用優先與 Neu5Ac 結合的血凝素來附著在人類紅細胞上。然而， 惡性瘧原蟲 具有獨立於鞘氨醇酸的額外冗餘感染機制，導致瘧疾預防療法難以開發。²⁸

對於纖維酸和特異性結合纖維酸的蛋白質的深入認識已迅速擴展；截至 2002 年，纖維酸結構的數量被認為約有 40 種；在隨後的十年中，又有 10 種結構被確認。然而，有關半乳醣酸所參與的過程、這些活動的解釋，以及為什麼半乳醣酸的表達會在病理狀態下發生變化等細節，仍然是模棱兩可，也是持續研究的焦點。由於細胞ialylation 的變化與癌症、感染、糖尿病和其他疾病有關，因此尋求了解 sialylation 作為這些疾病的可能成因、影響或指示器的作用的科學家，都會對 sialic acid 的研究感興趣。

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用於矽藻糖酸研究的產品

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Sialic 酸和 Sialyl 低聚糖

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Sialic Acid 合成

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唾液酸轉移酶

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Sialic Acid 降解酵素

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多醣體

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去ialylated 多醣體

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神經醯胺酶 (Sialidases)

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神經氨酸酶檢測底物

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酵素抑制劑

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唾液酸代謝酵素抗體

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Sialyl-binding Lectins

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唾液酸檢測

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參考資料

1-20

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