ST3 β-半乳糖苷 α-2,3-唾液酸转移酶 5； ST3GAL5

唾液酸转移酶 9； SIAT9
CMP-NeuAc:乳糖神经酰胺 α-2,3-唾液酸转移酶
α-2,3-唾液酸转移酶V； ST3GALV
GM3 合成器
SATI

HGNC 批准的基因符号：ST3GAL5

细胞遗传学位置：2p11.2 基因组坐标（GRCh38）：2:85,837,120-85,889,034（来自 NCBI）

▼ 说明

ST3GAL5 基因编码一种唾液酸转移酶，通过将唾液酸添加到乳糖神经酰胺中，合成神经节苷脂 GM3 合酶（EC 2.4.99.9），这是一种富含神经组织的鞘糖脂（Boccuto 等人总结，2014 年）。

含唾液酸的鞘糖脂或神经节苷脂具有多种重要的生物学功能。在脊椎动物中，几乎所有神经节系列神经节苷脂都是由共同的前体神经节苷脂GM3合成的，其在主要神经节苷脂中具有最简单的结构。 GM3 是一种质膜鞘糖脂，参与分化诱导、增殖调节、成纤维细胞形态维持、信号转导和整联蛋白介导的细胞粘附。 ST3GAL5 负责 GM3 的合成（Ishii 等，1998）。

▼ 克隆与表达

Ishii 等人使用从单核细胞分化的人骨髓性白血病细胞系制备的 cDNA 文库（1998） 通过改进的表达克隆策略分离出了编码 SIAT9 的 cDNA，他们将其称为 GM3 合酶。预测的 362 个氨基酸的 SIAT9 蛋白具有唾液酸转移酶家族的特征，包括 II 型跨膜拓扑结构以及中心的唾液酸基序 L 和 C 末端区域的 S。然而，SIAT9 在唾液酸基序 L 的某个位置包含由 asp 到 his 的非保守取代，这在所有其他已知的唾液酸转移酶中都是不变的。水病图分析表明 SIAT9 可能锚定于高尔基膜的管腔侧。 SIAT9 与其他已知的唾液酸转移酶具有大约 27% 至 41% 的氨基酸序列相似性，这些唾液酸转移酶催化唾液酸与受体半乳糖部分形成 α-2,3 和 α-2,6 连接，但与催化形成唾液酸与受体半乳糖部分的酶不具有相似性。 α-2,8 连接至鞘糖脂和糖蛋白的非还原末端唾液酸残基。 Northern 印迹分析在所有测试的组织中检测到一个主要的 2.4-kb SIAT9 转录物，其中在大脑、骨骼肌、胎盘和睾丸中表达最高。 SIAT9广泛分布于人脑中，在大脑皮层、颞叶和壳核中表达略有升高。

Kim 等人通过筛选胎儿大脑 cDNA 文库，然后进行 5-prime RACE（2001） 鉴定了 4 个 ST3GAL5 变体，仅在 5 素 UTR 方面有所不同。这些变体是由选择性剪接和选择性启动子利用的组合产生的。对成人和胎儿组织的 Northern 印迹分析检测到 2.4 kb 转录物在胎儿脑和肺以及成人脑、胎盘和骨骼肌中表达水平最高。在胎儿肾脏中检测到较低的表达。

▼ 基因功能

石井等人（1998） 确定 SIAT9 的底物特异性高度限制为乳糖神经酰胺作为受体。

▼ 基因结构

金等人（2001） 确定 ST3GAL5 基因包含 9 个外显子，跨度约为 44 kb。编码区位于外显子 4 至 9。 Kim 等人（2002） 确定 ST3GAL5 基因的 5-prime 侧翼区域缺乏典型的 TATA 和 CAAT 框，但包含几个假定的转录因子结合位点，具有正向和负向调节元件。

Zeng等人通过基因组序列分析（2003） 确定 SIAT9 基因包含 7 个外显子，跨度超过 62 kb。他们指出，在他们的分析中，SIAT9 内含子比 Kim 等人报道的更大（2001）。曾等人（2003） 鉴定了外显子 1 上游的 2 个转录起始位点。在 DNA 结合测定中，5 引物近端片段结合了多个转录因子。

▼ 测绘

通过基因组序列分析，Kim 等人。 Zeng 等（2001） 将 SIAT9 基因对应到 2 号染色体（2003）通过基因组序列分析将SAIT9基因定位到染色体2p24.3-p24.1。

辛普森等人（2004） 通过鉴定纯合性区域，将婴儿期发病的症状性癫痫综合征（609056） 对应到 2p12-p11.2，并在位于该区域的 SIAT9 基因中发现无义突变。因此，该基因的位置似乎比想象的更近。

▼ 分子遗传学

在俄亥俄州吉奥加县的一个大型旧秩序阿米什血统中，辛普森等人（2004） 发现了一种与发育停滞和失明相关的常染色体隐性婴儿癫痫综合征（SPDRS; 609056）。他们对 2p12-p11.2 纯合性区域的基因进行了测序，并鉴定了 SIAT9 中的无义突变（R288X；604402.0001），预计该突变会导致 GM3 合酶（也称为乳糖神经酰胺 α-2,3 唾液酸转移酶）提前终止）。 GM3 合酶催化乳糖神经酰胺生物合成大多数复杂神经节苷脂的第一步。血浆鞘糖脂的生化分析证实，受影响的个体缺乏 GM3 合酶活性，其标志是完全缺乏 GM3 神经节苷脂及其生物合成衍生物，以及乳糖神经酰胺及其替代衍生物的增加。尽管神经节苷脂分解代谢缺陷与一系列溶酶体贮积病之间的关系已有充分记录，但这似乎是与人类疾病相关的神经节苷脂生物合成破坏的第一份报告。

Fragaki 等人在 2 名同胞中，由近亲法国父母所生，患有难治性癫痫和精神运动发育迟缓（2013） 在 SIAT9 基因（604402.0001） 中鉴定出纯合截短突变，这与 Simpson 等人鉴定的突变相同（2004） 在患有类似疾病的阿米什患者中。通过外显子组测序鉴定出的突变与家族中的疾病分离。对患者成纤维细胞的质谱分析显示，GM3 神经节苷脂及其生物合成衍生物完全缺失，并且替代球苷脂途径上调。成纤维细胞还表现出线粒体膜电位下降，与呼吸链的继发性功能障碍一致，并且细胞凋亡增加。弗拉加基等人（2013） 表明球苷的积累可能在呼吸链功能障碍中发挥作用。

索尔等人（1983） 报道了一个非裔美国家庭的同胞患有色素紊乱，他们将其描述为“盐和胡椒”。色素改变，严重智力低下。博库托等人（2014） 在受影响的家庭成员中检测到 ST3GAL5 基因纯合突变（604402.0002）。

▼ 动物模型

神经节苷脂存在于所有哺乳动物质膜上，参与识别和信号传导活动。山下等人（2003） 培育出缺乏 GM3 合酶的小鼠，这些小鼠无法合成 GM3 神经节苷脂。突变小鼠能够存活，似乎没有重大异常，但对胰岛素表现出更高的敏感性，其基础被发现是骨骼肌中胰岛素受体磷酸化的增强。重要的是，突变小鼠免受高脂肪饮食引起的胰岛素抵抗的影响。结果表明，GM3 神经节苷脂是胰岛素信号传导的负调节因子，使其成为 II 型糖尿病的潜在治疗靶点（125853）。

吉川等人（2009） 发现 Sati -/- 小鼠对各种声音刺激没有表现出惊吓反射，但它们对吹气表现出正常的惊吓反应。对 Sati -/- 小鼠的电生理学和组织学分析显示，内耳柯蒂氏器选择性退化，螺旋神经节分散，但耳蜗其他区域均正常。扫描电子显微镜显示，在 Sati -/- 小鼠的柯蒂氏器官中，外毛细胞的毛束存在显着缺陷，但内毛细胞则没有。脑干听觉诱发电位的检查显示，Sati -/- 小鼠在出生后第 14 天（P14） 的听觉反应减弱，这是首次在野生型小鼠中观察到听觉反应。 P17 未在 Sati -/- 小鼠中检测到听觉反应。薄层色谱法揭示了野生型耳蜗发育过程中几种神经节苷脂的巨大变化。在 P13 时，GM3 在耳蜗的所有区域表达，但在 P14 和成年小鼠中，GM3 表达仅限于血管纹、螺旋神经节和柯蒂氏器。 Sati -/- 小鼠的耳蜗中未检测到 GM3。吉川等人（2009） 得出结论，SATI 介导的耳蜗中 GM3 的合成对于听力的获得和维持至关重要。

巴拉蒂等人（2022） 证明，与野生型小鼠相比，Gm3 合酶敲除小鼠（Gm3s -/-） 的全身能量消耗增加，表现为耗氧量和二氧化碳产生增加以及呼吸交换率更高，这表明对能量的依赖增加葡萄糖作为能量。 PET 扫描还表明，短期禁食后，与野生型小鼠相比，Gm3s -/- 小鼠的脑葡萄糖摄取量更高。 Gm3s -/- 小鼠脑匀浆中复合物 I 呼吸和 ADP 刺激的状态 3 线粒体呼吸增加，这是由于丙酮酸脱氢酶缺陷的表达增加。糖酵解的抑制导致突变小鼠中红藻氨酸诱导的癫痫发作减少。

▼ 等位基因变异体（4 个选定示例）：

.0001 盐和胡椒发育衰退综合症
ST3GAL5、ARG288TER

在患有常染色体隐性盐和胡椒发育退化综合征（SPDRS；609056）的阿米什人中，Simpson 等人（2004） 证明了 SIAT9 基因中 c.694C-T 转变的纯合性，导致 arg232 到 ter（R232X） 的取代。在几个携带者中发现了杂合性。预计该突变会导致 GM3 合酶功能丧失。受影响的儿童完全缺乏 GM3 及其下游生物合成衍生物，但他们的 GM3 直接前体乳糖神经酰胺水平增加，并且有证据表明通过球苷脂和副球苷脂途径的通量增加。

王等人（2016） 报道了 37 名阿米什患者，其中包括 Simpson 等人之前报道的 8 名患者（2004），他们的 ST3GAL5 基因外显子 6 中的 R288X 突变是纯合的。

Fragaki 等人在 2 名同胞中，由近亲法国父母所生，患有难治性癫痫和精神运动发育迟缓（2013） 在 ST3GAL5 基因的外显子 6 中发现了纯合 c.862C-T 转换，导致 arg288 到 ter（R288X） 的取代。该突变与辛普森等人鉴定的突变相同（2004） 在患有类似疾病的阿米什患者中； Fragaki 等人的编号（2013）基于后来的参考序列。该突变通过外显子组测序进行鉴定，并与家族中的疾病分离。对患者成纤维细胞的质谱分析显示，GM3 神经节苷脂及其生物合成衍生物完全缺失，并且替代球苷脂途径上调。成纤维细胞还表现出线粒体膜电位下降，与呼吸链的继发性功能障碍一致，并且细胞凋亡增加。弗拉加基等人（2013） 表明球苷的积累可能在呼吸链功能障碍中发挥作用。

.0002 盐和胡椒发育衰退综合症
ST3GAL5、GLU332LYS

Saul 等人最初报道了 2 名同胞（1983）因为有“盐和胡椒”精神发育迟滞综合征（SPDRS；609056），Bocto 等人（2014） 在 ST3GAL5 基因的外显子 7 中发现了纯合 c.994G-A 转换，导致蛋白质 S 基序中的 glu332 到 lys（E332K） 取代。该突变是通过全外显子组测序发现并经桑格测序证实的，该突变不存在于 dbSNP（版本 137）数据库中，也不存在于来自该家族所在地理区域南卡罗来纳州的 561 名个体中。分子模型研究表明 E332K 取代会破坏蛋白质的稳定性。患者成纤维细胞未显示 GM2 或 GM3，这与 ST3GAL5 功能丧失一致。对患者细胞和血浆中糖脂谱的分析显示，人们开始转向具有较长脂肪酸链的神经酰胺。糖基转移酶 mRNA 的微阵列分析检测到 ST3GAL5 的表达略有增加，以及位于 ST3GAL5 下游和其他鞘糖脂生物合成途径中编码酶的转录物的更大变化。 N-连接、O-连接和鞘糖脂聚糖的综合糖组学分析揭示了糖蛋白唾液酸化的附带调节，以响应复杂神经节苷脂的损失。斑马鱼胚胎中 st3gal5 的吗啡啉敲低会导致神经元细胞死亡增加，而这种死亡可以通过野生型基因的表达来挽救。研究结果表明，人类神经细胞对 ST3GAL5 缺乏和鞘糖脂合成改变极其敏感。

.0003 盐和胡椒发育衰退综合症
ST3GAL5、CYS195SER

Lee 等人在 2 名患有椒盐发育退化综合征（SPDRS; 609056） 的韩国姐妹中（2016） 鉴定了 ST3GAL5 基因中的复合杂合错义突变：c.584G-C 颠换（c.584G-C，NM_003896），导致 cys195 到 Ser（C195S）取代，以及 c.601G-A转变，导致 gly201 到 arg（G201R；604402.0004）的取代。这些突变是通过外显子组测序发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分开。在千人基因组计划或 ExAC 数据库中未发现 C195S 变体，而 G201R 变体的发现频率较低（8.3 x 10（-6））。这两种突变都发生在蛋白质 L 基序中高度保守的残基处。两名同胞的血浆神经节苷脂几乎检测不到，表明功能丧失。尚未进行变体的功能研究和患者细胞中酶活性的测量。

.0004 盐和胡椒发育衰退综合症
ST3GAL5、GLY201ARG

讨论 ST3GAL5 基因中的 c.601G-A 转变（c.601G-A，NM_003896），导致 gly201 到 arg（G201R） 取代，在 2 个同胞的复合杂合状态下发现了盐和Lee 等人提出的辣椒发育退化综合征（SPDRS；609056）（2016），参见 604402.0003。