引用本文
王钰清, 邢雪聪, 柴许然, 等.
植物凝集素的生物学功能与应用[J]. 广西科学, 2020, 27(1): 27-39. DOI: 10.13656/j.cnki.gxkx.20200311.004
WANG Y Q, XING X C, CHAI X R, et al.
The Biological Function and Application of Plant Lectins[J]. Guangxi Sciences, 2020, 27(1): 27-39. DOI: 10.13656/j.cnki.gxkx.20200311.004
植物凝集素的生物学功能与应用
四川大学生命科学学院, 四川成都 610064
摘要: 凝集素是一种非酶非免疫来源、能特异性结合糖的蛋白或糖蛋白，广泛分布于动植物及真菌中，具有凝集细胞、抗病毒、抗细菌、抗真菌及寄生虫，以及影响精卵识别和诱导肿瘤细胞凋亡或自噬等生理功能。在物种抗击外来伤害、免疫反应、信号转导等诸多生物过程中发挥重要作用。在所有凝集素中，植物凝集素分布最广，种类最多，功能多样。本文介绍了植物凝集素的研究背景，主要生物学功能及其在医学、分析测试方法和农业领域的应用，并在此基础上展望植物凝集素在医学、农业和生化领域的研究方向。
关键词:
凝集素 植物凝集素 生物学功能 应用 展望
The Biological Function and Application of Plant Lectins
College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, 610064, China
Abstract: Lectin is a non-enzymatic and non-immune source, a protein or glycoprotein that specifically binds to sugars.It is widely distributed in animals, plants and fungi.And it has the physiological functions of agglutinating cells, antivirus, anti-bacterial fungi and parasites, as well as affecting the identification and inducing apoptosis or autophagy of tumor cells.Lectin plays an important role in the fight against foreign harm, immune response, signal transduction and many other biological processes.Among all lectins, plant lectins have the widest distribution, the largest variety, and various functions.This review introduces the research background, main biological functions of plant lectins.And it also shows the application of lectins in medicine, analytical testing methods and agriculture.Based on this, the future research directions of plant lectins in the fields of medicine, agriculture and biochemical research are prospected.
Key words:
lectin phytolectin biological function application future research
0 引言
1.5 良好的免疫活性
植物凝集素存在于大多数植物中，能与特异碳水化合物可逆结合，是一种非酶非免疫来源的蛋白或糖蛋白[1]。植物凝集素的研究始于19世纪末，Peter Hermann Stillmark在1888年的博士学位论文中描述了从蓖麻植物(Ricinus communis)种子中分离出一种剧毒血凝素蓖麻毒蛋白(Ricin)[2]。随后不久Hellin H.在相思豆提取液中也发现了具有类似毒性的相思豆毒蛋白(Abrin)[3]。同时期Paul Ehrlich发现蓖麻毒蛋白和红豆因可以作为免疫学研究的模式抗原，具有很高的商业价值[4]。1936年，Summer和Howell[5]发现凝集素可以专一性地结合糖。1960年，Howell又发现在细胞有丝分裂过程中，植物凝集素起到促进作用[2]。1975年，Becker等首次解析出伴刀豆球蛋白(Concanavalin A)的三级结构[2]。目前为止已经发现1 000多种植物凝集素[2]，不同的植物凝集素具有不同的分子结构和生物学活性，根据其结构特征以及糖结合特异性等不同分类方法，可以将植物凝集素分成不同的类别[1, 6-7](表 1)。
表 1 不同分类依据下的植物凝集素分类
Table 1 Classification of plant lectin according to different base for classification
| 分类依据 Base for classiffication |
类型Types |
| 亚基的结构特征 Structural characteristics of plant lectin subunits |
部分凝集素、全凝集素、超凝集素、嵌合凝集素 Merolectins，hololectins，superlectin，chimerolectins |
| 碳水化合物的结合特异性 Carbohydrate binding specificity |
D-甘露糖或D-葡萄糖凝集素、N-乙酰氨基葡萄糖凝集素、N-乙酰氨基半乳糖凝集素、D-半乳糖凝集素、L-岩藻糖凝集素、N-乙酰神经氨酸(唾液酸)凝集素 D-mannose agglutinin or D-glucagglutinin，N-acetylglucosamine agglutinin，N- acetylgalactose agglutinin，D-galactose agglutinin，L-fucosine agglutinin，N-acetylneurine (sialic acid) agglutinin |
| 序列相似性及其之间的进化关系 Sequence similarity and evolutionary relationship |
双孢蘑菇家族、苋科植物家族、几丁质酶相关蛋白家族、蓝藻凝集素家族、欧矛家族、雪花莲家族、橡胶蛋白家族、木菠萝家族、豆科家族、具有赖氨酸基序的蛋白、烟草凝集素家族、蓖麻毒蛋白-B家族 Agaricus bisporus agglutinin (ABA)，Amaranthin，Chitinase-related agglutinin (CRA)，Cyanovirin，Euonymus europaeus，Galanthus nivalis agglutinin，Hevein，Jacalins，Legume lectin，Lysin motif，Nictaba，Ricin-B families |
植物凝集素特异性的分子识别能力使其在植物防御、信号传导、免疫反应等各方面发挥了重要作用。并且由于其特殊的糖及糖复合物的结合特性，使得其具有细胞凝集、抗病毒、抗真菌、抗寄生虫、诱导细胞凋亡或自噬等能力，在农业、医学以及生化检测等方面有着广泛的科研应用前景与商业价值。
1 植物凝集素的主要生物学功能 1.1 特异性的碳水化合物结合能力植物凝集素最初被人类发现是由于其凝结血细胞造成凝血毒性，随后的研究揭示了其凝集细胞的作用机制：植物凝集素通常具有两个或两个以上的糖结合位点，可以同时与多个细胞表面的糖受体结合，使原本游离的单细胞凝集成团(如精子、淋巴细胞、细菌、真菌等)[8-9]。植物凝集素本身不具有催化活性，但是其特异结合单糖或寡聚糖的能力[10]使其可以结合在可溶的碳水化合物，或者带有糖链结构的糖蛋白或糖脂等糖缀合物的糖残基上，从而引发一系列的下游级联反应[11]。植物凝集素与受体糖的结合具有以下特性：(1)植物凝集素对识别的糖分子种类和构象具有特异性(如蓖麻毒素只与含D-半乳糖的凝集素受体结合)；(2)植物凝集素对识别的糖分子受体结合位点周围的结构具有特异性，即与植物凝集素结合的受体糖分子结合位点的大小、形状、在糖链中的位置以及糖苷键的类型都会影响植物凝集素与受体糖分子的结合；(3)植物凝集素与糖的作用是动态的，即随着细胞发展阶段的不同，细胞膜上植物凝集素的结合位点、种类和数量都会发生变化。
1.2 广泛的抗虫活性植物凝集素对鞘翅目、双翅目、鳞翅目、膜翅目、等翅目和同翅目等多种不同种类的昆虫都具有杀伤作用[12-13]，尽管尚不完全清楚植物凝集素杀虫作用的确切机制，但许多研究表明，植物凝集素的碳水化合物识别特性参与了这种作用的介导[13]。植物凝集素与昆虫的肠道周围营养层结构或肠道中部的几丁质结构相互作用从而发挥其毒性，抑制消化吸收，使得昆虫无法获得营养，从而导致其死亡[14]。也有其他的报道表明，植物凝集素还可以通过减少昆虫食量、干扰昆虫血淋巴中存在的内源性凝集素作用、抑制细胞增殖等方式对昆虫造成伤害[15-16]。不论植物凝集素究竟如何发挥其毒性，都必须规避消化酶对其的降解，并显示对昆虫肠道中同化蛋白的抗性，这些与植物凝集素结合昆虫肠道糖缀合物的能力密不可分[13]。
此外，植物凝集素还具有抗寄生虫活性。目前有报道称少数几种植物凝集素具有抗寄生虫活性，如木菠萝素可以用于治疗克氏锥虫的感染[17]，其通过与寄生虫中存在的特定碳水化合物结合，从而对该碳水化合物的生物过程造成干扰[18]。
1.3 独特的抗细菌、抗真菌、抗病毒活性除了杀虫特性外，植物凝集素还对多种细菌、真菌和病毒具有抗性。植物凝集素通过结合在微生物入侵的作用位点，与微生物细胞膜表面的糖组分相互作用来达到抑制微生物粘附、迁移或生长的作用[19]，尽管凝集素不能改变膜的结构和渗透性，或阻断微生物入侵细胞的过程，但它们通过对微生物凝集和固定化等方式来辅助宿主杀灭这些侵入的微生物[13]。
植物凝集素抗真菌活性主要通过与真菌表面的几丁质和其他聚糖结合影响真菌的存活或其他生命活动，从而表现出杀菌作用。如植物凝集素附着于菌丝后，影响养分吸收和孢子萌发[13, 20]；植物凝集素的结合还可引起壳质在细胞壁中的合成或沉积[21]。同时，植物凝集素还可以引起菌丝的膨大，细胞空泡化以及菌丝细胞壁的溶解，增加真菌对渗透压等各种胁迫条件的敏感性[20-22]。
植物凝集素对病毒的抵抗活性主要通过结合病毒包膜糖蛋白上存在的聚糖，阻止其传播和渗透进入宿主细胞[23-24]。此外，植物凝集素还可以通过交联病毒的表面聚糖，阻止其与其他共受体相互作用。不同的植物凝集素具有不同的抗病毒活性及能力，这取决于其碳水化合物结合特异性[25-26]。
1.4 潜在应用前景的抗肿瘤活性关于植物凝集素能够诱导哺乳动物细胞，特别是肿瘤细胞凋亡的报道可以追溯至20世纪90年代，植物凝集素通过Caspase途径或线粒体途径诱导细胞凋亡和自噬来达到抗肿瘤活性的目的[13]，抑制肿瘤血管生成[27]或阻断细胞周期[28]等方式也有报道。近年来关于植物凝集素抗肿瘤活性的研究主要集中于应用方面，在肿瘤检测、靶向载体、免疫佐剂等方面都展现出优秀的应用前景，而关于作用机理的研究大多集中在10年前(表 2)。
表 2 主要植物凝集素的抗肿瘤活性研究统计
Table 2 Statistics of anticancer activity of major phytolectins
| 类别 Class |
名称 Name |
细胞系 Cell line |
凋亡活自噬途径 Apoptotic or autophagic pathways |
报道时间 Published time |
| 豆科植物凝集素 Legume lectin |
伴刀豆蛋白A Concanavalin A (Con A) |
人黑色素瘤细胞A375 Human melanoma cell A375 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[29] |
| 人白血病细胞HL-60、人急性淋巴细胞白血病细胞Molt4 Human leukemia cell HL-60 and acute lymphoblastic cell Molt4 |
线粒体膜电位途径 Collapse of mitochondrial potential |
2012[30] | ||
| 刀豆蛋白Br Canavalia brasilien- sis (ConBr) |
人白血病细胞Molt-4和HL-60细胞系 Human leukemia cell Molt-4 and cell line HL-60 |
线粒体膜电位途径 Collapse of mitochondrial potential |
2012[30] | |
| 大豆凝集素 Soybean agglutinin (SBA) |
人组织细胞淋巴瘤细胞U937、急性早幼粒白血病细胞HL60 Human cultured monocyte-like cell line U937, human leukaemia cell HL60 |
抑制生长和DNA合成 Reduced the growth and DNA synthesis |
2001[28] | |
| 苦参凝集素 Sophora flavescens lectin (SFL) |
道尔顿氏淋巴瘤(DL)携带小鼠 Dalton's lymphoma (DL) bearing mice |
活性氧依赖凋亡途径 ROS-dependent apoptosis pathway |
2014[31] | |
| 豌豆凝集素 Pisum sativum agglutinin (PSA) |
人宫颈癌细胞HeLa Human cervical cancer cell HeLa |
Caspase依赖的死亡受体途径 Caspase-dependent apoptosis mechanism |
2008[32] | |
| 艾氏腹水癌细胞 Ehrlich ascites carcinoma cell |
G2/M期细胞周期阻断，诱导凋亡途径 G2/M cell cycle block，and induced apoptosis pathway |
2013[33] | ||
| 菜豆凝集素 Phaseolus vulgaris agglutinin (PHA) |
人乳腺癌细胞MCF-7 Human breast cancer cell MCF-7 |
死亡受体依赖的凋亡途径 Death receptor-mediated apoptosis pathway |
2010[34] | |
| 相思子凝集素 Abrus agglutinin (AGG) |
道尔顿淋巴瘤 Dalton's lymphoma tumor model |
降低Bcl-2和Bax蛋白的表达比例，释放细胞色素c激活caspase-3 Apoptosis was mediated by reduction in ratio of Bcl-2 and Bax protein expression, and activation of caspase-3 through release of cytochrome-c |
2008[35] | |
| 人肝癌细胞HepG2和人角质形成细胞HaCaT Human hepatoma cell HepG2 and the immortalized human keratinocyte cell HaCaT |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2014[36] | ||
| 人脐静脉内皮细胞HUVECs和人乳腺癌细胞MDA-MB-231 Human umbilical vein endothelial cell HUVECs and human breast cancer cell MDA-MB-231 |
活性氧依赖凋亡途径 ROS-dependent apoptosis pathway |
2016[37] | ||
| 人咽鳞癌细胞FaDu Human pharyngeal squamous cancer cell FaDu |
活性氧依赖凋亡途径 ROS-dependent apoptosis pathway |
2017[38] | ||
| 人宫颈癌细胞HeLa Human cervical cancer cell HeLa |
通过活性氧的产生诱导细胞凋亡信号，降低Bcl-2/Bax比值，从而诱导线粒体通透性转变，进而激活caspase-3 Induced the apoptosis signal via generation of reactive oxygen species and decrease in the Bcl-2/Bax ratio thereby inducing mitochondrial permeability transition with consequent activation of caspase-3 |
2008[39] | ||
| 黄芪凝集素 Astragalus mong- holicus lectin (AML) | 人宫颈癌细胞系HeLa、人成骨样细胞系MG63、人白血病细胞系K562 Human cervical carcinoma cell line (HeLa), human osteoblast-like cell line (MG63) and human leukemia cell line (K562) |
细胞周期阻断 Cell cycle arrest |
2009[40] | |
| 荷包豆凝集素 Phaseolus coccineus L.lectin (PCL) |
鼠纤维肉瘤细胞L929 Mouse fibrosarcoma cell L929 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[41] | |
| 鼻咽癌细胞系HONE1 Nasopharyngeal carcinoma cell line HONE1 |
细胞周期阻滞和外源凋亡途径 Cell cycle arrest and extrinsic apoptosis pathway |
2016[42] | ||
| 白芸豆凝集素 White kidney bean lectin (WKBL) |
人肝癌细胞HepG2、人乳腺癌细胞MCF7和肝细胞WRL68 Human hepatoma cell HepG2, human breast cancer cell MCF7 and hepatocytes WRL68 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2016[42] | |
| 花生凝集素 Peanut agglutinin (PNA) | 人宫颈癌细胞HeLa和道尔顿淋巴瘤小鼠模型 Human cervical cancer cell HeLa and Dalton's lymphoma (DL) bearing mice model | 活性氧依赖凋亡途径 ROS-dependent apoptosis pathway |
2014[43] | |
| 百脉根凝集素 Lotus corniculatus lectin (LCL) |
人急性髓性白血病THP-1 Human leukemic cancer cell THP-1 |
细胞周期阻断 Cell cycle arrest |
2013[44] | |
| 人肝癌细胞Hep3B Human hepatocellular carcinomas cell Hep3B |
活性氧(ROS)显著增加，线粒体膜丢失。线粒体过渡渗透率剧变(MTP)、Bax易位、细胞色素c释放、caspase-3活性和PARP降解 Significant increase in reactive oxygen species (ROS) and loss of mitochondrial membrane potential rapid changes in mitochondrial transition permeability (MTP), Bax translocation, cytochrome c release, caspase-3 activity, and PARP degradation |
2004[45] | ||
| Ⅱ型核糖体失活蛋白 Type Ⅱ ribosome inactivating protein |
槲寄生凝集素 Mistletoe lectin (ML) |
人唾液腺肿瘤细胞A253 Human salivary adenoma tumor cell A253 |
通过活化caspase-3诱导凋亡细胞死亡，通过转录下调hTERT抑制端粒酶活性 Activation of caspase-3 and the inhibition of telomerase activity through transcriptional down-regulation of hTERT |
2004[46] |
| CLY/HT-29 | 下调特定miRNA Down regulated specific miRNA |
2010[47] | ||
| 人外周血单核细胞 Human peripheral blood monouclear cell (PBMC) |
Caspase和MAPK依赖途径 Caspase-dependent pathway and MAPK-dependent pathway |
2011[48] | ||
| 人白血病T淋巴细胞Jurkat、B淋巴细胞BJAB Human leukemic T lymphocyte Jurkat and B lymphocyte BJAB |
不依赖受体的线粒体途径以及Caspase依赖的凋亡途径 Receptor-independent mitochondria-controlled apoptosis pathway and caspase-dependent apoptosis pathway |
2018[49] | ||
| 人肝癌细胞SMMC-7721 Human hepatoma cell SMMC-7721 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2012[50] | ||
| 米糠凝集素 Rice bran agglutinin (RBA) |
人单核细胞白血病细胞U937 Human monoblastic leukemia cell U937 |
细胞周期阻断及Caspase依赖的凋亡途径 Antiproliferative activity and caspase-dependent apoptosis pathway |
2001[51] | |
| 苦瓜凝集素 Momordica charantia lectin (MCL) |
鼻咽癌细胞CNE-1和CNE-2 Nasopharyngeal carcinoma (NPC) cells CNE-1 and CNE-2 |
G(1)期细胞周期阻断，线粒体损伤，Caspase和MAPK途径 G(1)-phase arrest, and mitochondrial injury, caspase-dependent pathway and MAPK-dependent pathway |
2012[52] | |
| 蓖麻毒蛋白 Ricin |
霍奇金淋巴瘤细胞L540 Human Hodgkin's lymphoma-derived cell line L540 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[53] | |
| 几丁质结合凝集素 Chitin-binding lectin |
小麦胚芽凝集素 Wheat germ agglutinin (WGA) |
F-344大鼠结肠癌 Colon carcinogenesis in F-344 rats |
减少肿瘤数量 Reduce the number of tumors |
2001[54] |
| 马铃薯凝集素 Solanum tuberosum lectin (STL) |
人骨髓白血病细胞系U937 Human myeloid leukaemia cell line U937 |
抗增殖活性 Antiproliferative activity |
2014[55] | |
| 雪花莲类似凝集素 Galanthus nivalis agglutinin (GNA) |
大蒜凝集素 Allium sativum L-lectin (ASL) |
人组织细胞淋巴瘤细胞U937、急性早幼粒白血病细胞HL-60 Human cultured monocyte- like cell line U937, human leukaemia cell HL-60 |
抑制生长和DNA合成 Reduced the growth and DNA synthesis |
2001[28] |
| 黄精凝集素 Polygonatum cyr- tonema lectin (PCL) | 人宫颈癌细胞HeLa Human cervical cancer cell HeLa |
凋亡途径 Apoptosis pathway |
2008[56] | |
| 人类黑色素瘤细胞A375 Human melanoma cell A375 | 线粒体介导的ROS-p38-p53途径 Mitochondria-mediated ROS- p38-p53 pathway | 2008[57] | ||
| 人非小细胞肺癌细胞A549 Human lung adenocarcinoma cell A549 |
活性氧介导MAPK和NF -κB激活 Reactive oxygen species mediated MAPK and NF-κB activation |
2016[58] | ||
| 金缕梅凝集素 Lycoris aurea agglutinin (LAA) |
人乳腺癌细胞MCF-7 Human breast cancer cell MCF-7 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[59] | |
| 人非小细胞肺癌细胞A549 Human lung adenocarcinoma cell A549 |
G2/M细胞周期阻断以及抑制PI3K-Akt存活途径 G2/M cell cycle arrest and inhibiting PI3K-Akt survival pathway |
2013[60] | ||
| 麦冬凝集素 Ophiopogon japonicus lectin (OJL) | 人乳腺癌细胞MCF-7 Human breast cancer cell MCF-7 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[59] | |
| 羊耳蒜凝集素 Liparis noversa lectin (LNL) |
人乳腺癌细胞MCF-7 Human breast cancer cell MCF-7 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2009[59] | |
| 玉竹凝集素 Polygonatum odor- atum lectin (POL) |
人非小细胞肺癌细胞A549 Human non-small cell lung cancer A549 cells |
抑制Akt-NF-κB通路以及活性氧依赖凋亡途径 Inhibiting Akt-NF-κB pathway and ROS-related apoptosis pathway |
2014[61] | |
| 鼠纤维肉瘤细胞L929 Murine fibrosarcoma cell L929 |
增加FasL和FADD相关蛋白水平，导致caspase-8活化、线粒体跨膜电位崩溃和细胞色素c释放，导致caspase-9和caspase-3活化 Increased the levels of FasL and Fas-Associated protein with Death Domain (FADD) proteins and resulted in caspase-8 activation，mitochondrial transmembrane potential collapse and cytochrome c release, leading to activations of caspase-9 and caspase-3 |
2009[62] | ||
| 木菠萝凝集素 Jacalin |
面包树果实凝集素 Frutalin (FTL) |
人宫颈癌细胞HeLa Human cervical cancer cell HeLa |
细胞毒性 Cytotoxic effects |
2011[63] |
| 香蕉凝集素 Musa acuminata (Del Monte banana) lectin (BanLec) |
鼠白血病细胞L1210 Leukemia cell L1210 |
死亡受体介导凋亡途径 Death receptor-mediated apoptosis pathway |
2009[64] | |
| 人肝癌细胞Hep3B Human hepatoma cell Hep3B |
死亡受体介导凋亡途径 Death receptor-mediated apoptosis pathway |
2009[64] | ||
| 桑叶凝集素 Morus alba leaf lectin (MLL) |
人乳腺癌细胞MCF-7 Human breast cancer cells MCF-7 |
抑制纤维连接蛋白介导的整合素-FAK信号以及Ras和P38 MAPK的激活 Inhibiting fibronectin mediated integrin-FAK signaling through ras and activation of P38 MAPK |
2017[65] | |
| 菠萝蜜凝集素 Artocarpus hetero- phyllus (Jackfruit) lectin (ArtinM) | 白血病细胞系NB4，K562，U937 leukemia cell lines NB4, K562, U937 |
细胞生长抑制和线粒体膜电位破坏 Cell growth suppression and disruption of mitochondrial membrane potential |
2011[66] | |
| 单子植物甘露糖结合凝集素 Monad man- nose binding lectin | 半夏凝集素 Pinellia ternata agglutinin (PTA) |
人肝癌细胞Bel-7404 Human hepatoma cell Bel-7404 |
细胞毒性 Cytotoxicity |
2014[67] |
| 川木通凝集素Clematis montana lectin (CML) | 鼠纤维肉瘤细胞L929 Murine fibrosarcoma cell L929 |
Caspase依赖的凋亡途径 Caspase-dependent apoptosis pathway |
2014[68] |
1.5 良好的免疫活性
先天免疫系统是抵御各种病原体感染的第一道防线。该系统由少数蛋白质和某些吞噬细胞组成，这些吞噬细胞识别特定的病原相关模式分子(PAMPs)引发免疫反应。宿主先天免疫的激活是机体对任何病原体产生特异性免疫的前提。植物凝集素作为识别这些病原相关模式分子的识别受体(PRRs)，在植物防御中发挥着重要作用，同时在动物体内也可以作为良好的先天免疫调节剂。它们能够调节细胞因子的分泌和其他免疫介质的产生，例如活性氧(ROS)和活性氮中间体(RNI)，以提高宿主抵抗微生物感染的防御能力[69-70]。
植物凝集素介导的免疫活性可以通过以下两种方式表现出来：(1)植物凝集素通过直接结合在细菌细胞表面，抑制细菌与宿主细胞的结合。(2)植物凝集素结合到免疫细胞表面，诱导信号转导，激活免疫反应[71]。这些植物凝集素具有增强免疫细胞吞噬活性的能力，从而抵抗细菌感染后细胞因子的产生[72]。如Con A在鼠类巨噬细胞中可以通过JNK、p38和NF-κB依赖性信号传导途径增加各Toll样受体(TLR)的表达[70-73]。ConBr在鼠脾细胞中诱导了IL-2、IL-6和IFN-γ等细胞因子的产生，但却抑制了IL-10，并产生了NO[74]，它还在体内激活淋巴细胞，引起凋亡，并且在外周血单核细胞(PBMC)中产生TNF-α，并从肥大细胞中释放组胺[75-76]。这些都显示其具有良好的免疫活性。
2 植物凝集素的应用 2.1 植物凝集素在医学中的应用关于植物凝集素在医学中的应用，报道最多的是抗肿瘤药物的相关研发，目前主要集中在将植物凝集素作为免疫佐剂或载体制剂方面。在药物研发中，利用植物凝集素与糖链特异性结合的特性，可以使药物靶向结合到相应的肿瘤细胞表面[77]。许多肿瘤组织中都存在异常的糖基化，从而可以将载有抗癌药物的纳米颗粒表面连接上植物凝集素或者抗体，进一步将药物靶向结合到肿瘤细胞表面[77]，以增强对肿瘤细胞的杀伤力，减少副作用[77-78]。
除了在载体制剂中的应用外，许多植物凝集素在体外实验中都有直接抑制肿瘤细胞生长的作用。研究发现槲寄生凝集素可以通过下调Bcl-2, 调节细胞色素C的释放，通过线粒体途径引起胆管癌细胞ICC-9810的细胞凋亡[79]。人乳腺癌细胞系(MCF-7, 231)以及人肝癌细胞系(HepG2)在菜豆凝集素的作用下，生长状况也受到抑制，且具有剂量依赖性[80]。一种从曲序南星(Arisaema tortuosum)中提取的凝集素，也被证实对人癌细胞系HT29、SiHa和OVCAR-5有抑制作用[81]。
同样地，由于肿瘤细胞中存在异常糖基化，这些异常的糖蛋白可以作为肿瘤的生物标志物，利用植物凝集素与糖链特异性结合的特点，可以开发检测这些肿瘤生物标志物的试剂[78]。植物凝集素芯片是植物凝集素研究发展的产物，它可以快速且灵敏地对各种聚糖进行高通量的检测。芯片表面上固定有不同的已知植物凝集素，这些植物凝集素会与待测样品中的寡糖特异性结合，对与样品结合后的芯片进行扫描，可以得到点阵数据，通过这些数据和已知植物凝集素的寡糖结合特异性进行分析，从而推断出样品中寡糖的组成[82]。植物凝集素的应用还可以为临床上疾病的诊断提供证据。例如由于肝细胞癌患者的唾液糖蛋白糖链发生改变，因此特异性结合岩藻糖基的凝集素AAL对肝癌患者的唾液糖蛋白结合能力减弱，由此可以区分肝细胞癌患者和乙肝患者或者乙肝后肝硬化患者[83]。
除在肿瘤医学方面的作用外，植物凝集素在其他医学方面也显示出重要作用。在抗病毒方面，研究表明，不同的植物凝集素可以抑制HIV的侵入、逆转录或是整合等生物学过程，从而达到抗HIV的作用[84]。针对外源植物凝集素在临床应用中可能面临的免疫原性和促淋巴细胞有丝分裂活性等副作用，可采用定点突变技术获得低免疫原性的凝集素[84]。在生殖医学方面，植物凝集素也展现出避孕和抗早孕的作用，有文献证实，植物凝集素可以导致精子在体外相互凝集，失去运动能力，从而阻止受精[85]。有学者认为，植物凝集素可以通过干扰精子与透明带的识别结合，干扰胚胎着床以及使胚胎发育停止或退化等机制来达到避孕效果[86]。植物凝集素还可以作为免疫调节佐剂添加进疫苗中，以增强和指导针对特定疾病的免疫反应[87]。同时一些植物凝集素(如SBA、PNA、Con A和PHA等)还可以与巨噬细胞或树突状细胞上的糖基化TLR受体相互作用，因此可以作为TLR激动剂使用[88-89]。
2.2 植物凝集素在分析测试方法中的应用近年来，植物凝集素已广泛用于结构和功能糖组学领域。与仪器技术相比，植物凝集素的特异性和敏感性使其进一步成为生化检测的重要工具[90]。
2.2.1 酶联凝集素测定(ELLA)技术酶联凝集素测定法可以用于检测未固定细胞表面的特定碳水化合物单元。该测定采用酶联免疫吸附测定(ELISA)的原理，唯一的不同就是将ELISA中的抗体替换为植物凝集素。因为植物凝集素对寡糖的不同结构具有很高的特异性，因此ELLA技术可用于检测各种组织样品中的寡糖表达谱。该技术使用样本较少且具有高通量潜力，易于操作，成本低[91]。
2.2.2 凝集素印迹技术凝集素印迹技术是蛋白质印迹技术的扩展，其中唯一的不同就是将蛋白质印迹技术中的抗体替换为植物凝集素。使用不同的聚糖特异性凝集素探针检测聚糖结构，具有高特异性、高敏感性，而且可以非常方便地筛选复杂蛋白质样品[92]。
2.2.3 固定凝集素亲和色谱技术固定化凝集素亲和色谱技术是一种可用于糖蛋白分离和富集的方法。植物凝集素的固定化和糖蛋白的结合洗脱是这一技术的关键。使用质谱分析可以鉴定许多蛋白质的特异性糖基化位点[93]。
2.2.4 基于凝集素阵列的聚糖谱分析生物识别元件的研究为基于凝集素阵列的聚糖谱分析技术打下基础[94]。凝集素阵列技术可以快速灵敏地表征糖结合物上的碳水化合物。通过使用固定在固相支持物上的高密度植物凝集素，可以检测单个样品中糖蛋白或糖脂中碳水化合物含量的不同[91]。
2.2.5 流式细胞仪流式细胞仪是一项强大的技术，能够对混合物中不同类型细胞的结构特征进行定量，而某些类型细胞的独特细胞表面聚糖结构，可以通过使用经过化学修饰的植物凝集素来辅助流式细胞仪进行表征[95]，该技术也可用于细胞分选。
2.2.6 电化学阻抗谱技术(EIS)通过将植物凝集素用作分子识别元件而开发的电化学阻抗谱技术，具有灵敏度好、特异性高、稳定性好等特点，可用于制成便携的生物传感系统，是一种通过识别碳水化合物来进行分子表征、检测表面改性、生物识别的有效工具[96]。该技术可以方便地鉴定区分甲胎蛋白[97]。
2.3 植物凝集素在农业领域的应用 2.3.1 转凝集素基因获得抗性植株很多植物本身含有凝集素，而且在对抗捕食者的过程中拥有不俗的效果，而通常情况下植物内源凝集素对其自身没有影响，只是对昆虫具有毒性。因此可以通过转基因的方法，将某些特定的植物凝集素导入到其他植物中使其获得抗虫特性。其中，豆科植物一直是凝集素的最大贡献物种，例如将从豆科植物国槐中克隆的凝集素基因转入到烟草中，可以使烟草对小菜蛾的抗性达到62.2%，同时大豆凝集素基因lec-s的烟草实验也证明其对甜菜夜蛾有很大的抑制作用。类似地，凝集素也可以被应用到水稻、油菜、马铃薯、甜菜、烟草、小麦番茄中去[98-99]，以增强特定物种对多种菌株的抗菌活性。除直接转基因到其他物种中，凝集素转基因制品也可以用于帮助植株抵御病虫害，例如利用pET-28a质粒构建豆科凝集素Le4基因的原核表达载体，再将得到的凝集素产物涂在小麦叶片上，可以很好地抵御蚜虫的侵扰[100]。
2.3.2 转凝集素基因提高生物固氮能力根瘤菌是一种专一性寄生菌，可以辅助豆科植物固氮。而豆科植物的凝集素可以促进根瘤菌结合附着在含有豆科凝集素的植物根部[101]，在共生固氮中具有引导作用[102-103]。如利用基因工程技术将豇豆凝集素基因(psl)转导入白三叶草根中之后，对豇豆根毛专一结合的根瘤菌也可以结合到白三叶草根中。这为将根瘤菌定植到其他非豆科植物，引导共生固氮提供思路[104]。将豆科凝集素基因转入拟南芥、烟草、苜蓿、水稻、沙棘等植物均可以使其成功结瘤或长出瘤状类似物[105]，证明凝集素引导共生固氮具有普适性。因此转凝集素基因获得固氮植株在减少化肥施用、增加作物产量、提升效率和保护环境等方面都具有很好的前景。
3 展望植物凝集素具有特异性识别糖链的作用，在医学、农学等多个领域都有大量的研究成果，具有广泛的研究前景。
在医学领域，植物凝集素主要被用于开发诊断试剂或芯片、靶向药物载体、免疫佐剂等方面，具有很高的经济及研究价值，但不可否认的是，在对肿瘤细胞有抑制作用的同时，有些植物凝集素对正常的细胞也有很强的毒性[2]。因此，将植物凝集素作为药物前体进行修饰和改造，从而研发新药将成为未来的研究热点。
在农业上，利用基因工程将凝集素基因转入农作物中，从而构建出抗虫抗病或是有固氮能力的转基因植物已经成为研究的热点，这将会对未来农业发展、解决粮食短缺和环境污染等问题做出重大贡献。利用原核表达系统获得转基因凝集素产物并涂抹到植株表面，可以使植株在非转基因状态下获得相应的抗病虫害或固氮效果，具有一定的研究价值，但关于涂抹凝集素失效时间、施用成本等方面还有待改进。
在生化研究方面，植物凝集素已广泛用于结构和功能糖组学领域。与仪器技术相比，植物凝集素的特异性和敏感性使其具有不可替代的优势，利用植物凝集素开发或改进新型生化检测方法，对糖生物学研究的深入具有深远的意义。
植物凝集素作为分布最广、种类最多的一种凝集素，是一座天然的宝库，无论是对其本身进行深入研究还是进行修饰改造都有着诱人的前景，相信关于凝集素的研究一定会进一步为人类的科技进步和社会发展做出贡献。
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