Science聚焦神秘的多糖

日期：2012-10-23 08:18:40

細胞表面和蛋白上的多糖具有許多關鍵性作用，但人們對多糖的了解并不多。如果細胞生物學家想要研究癌癥，將有許多傳統方式可供選擇，例如DNA測序、蛋白功能分析、基因敲除、甚至合成相應藥物等等。如果研究多糖也這么簡單就好了。

多糖或稱碳水化合物是一種主要的生物分子，被認為與核酸、蛋白和脂類同樣重要。幾乎所有細胞的外表面都存在多糖，這些多糖能夠介導細胞與細胞、細胞與微生物之間的通訊和相互作用。多糖也存在于許多蛋白上，幫助蛋白形成三維結構并結合其目標分子。科學家們能夠通過多種工具系統化地研究DNA和蛋白，但他們卻沒有類似的工具來研究多糖，這也使得多糖成為被了解得最少的生物分子之一。

在這樣艱難的條件下，近年來“糖科學的進展也相當不錯”威斯康辛大學的化學家Laura Kiessling說。這是由于越來越多的研究者意識到多糖的重要性，大量的人才涌入這一領域，她認為“時機已經成熟”。這也是美國國家科學院國家研究委員會NRC得出的結論，NRC在八月的一份報告中督促相關機構將資金集中投入到未來十年的多糖研究工具開發上，就像美國能源部和國立衛生研究院對DNA測序及分析技術的支持那樣。

如果科學家們能夠掌握糖類的分子信息，將對疫苗研發和生物燃料等領域造成重要影響。主持這項NRC研究的化學家David Walt說，如果沒有相應的研究技術，糖科學的研究就只能局限于一些具有特殊條件的實驗室。

多糖研究的復雜之處在于，其構成方式與其他生物分子不同。核酸和蛋白質都是由其組成單元以相同的化學鍵連接起來的。一旦掌握了生成和破壞這些化學鍵的技術，就能夠合成核酸和蛋白質。但多糖沒這么簡單，多種酶通過不同的化學鍵將十個以上的糖單元連接在一起，這才組成了一個多糖。多糖主要有五個家族，其中包括大量的不同分支和鏈狀結構。多糖的結構不完全由相關酶的基因決定，還受到不同細胞中酶濃度的影響，依賴于遺傳學與局部環境的相互作用。

這樣的多樣性成為了多糖研究的阻礙。生物學家通常利用結晶來獲取蛋白結構，用X射線來定位氨基酸。然而，由于絕大多數蛋白都帶有多糖，而同一蛋白上的多糖往往不同，人們很難獲得一致的晶體結構。所以結構生物學家一般會去除多糖，舍棄了部分信息。由于昆蟲蛋白上的多糖較為一致，現在研究人員選擇在昆蟲中研究糖蛋白，以便更好的保留多糖組分。

一項AIDS病毒研究展示了糖蛋白研究的重要性。去年，斯克里普斯研究所的結構生物學家Ian Wilson及其同事在Science上發表了文章，他們使昆蟲細胞表達HIV衣殼蛋白gp120的關鍵部分，保留了蛋白上的多糖，并由此得到了兩個高效HIV抗體的X射線晶體結構。研究顯示，最有效的抗體結合高度保守的多糖，同時穿透多糖與其下的蛋白結合。

此外，科學家們正在慢慢開始合成復雜的多糖，在一年兩次的American Chemical Society八月會議中哥倫比亞大學的有機化學家Samuel Danishefsky介紹了他合成腫瘤細胞相關多糖的策略，他將合成的多糖用于刺激免疫系統產生應答。

隨著糖科學領域取得越來越多的進展，Walt等人指出現在重點是讓其他研究團隊也能夠快速達到研究前沿。“糖科學領域急需分子生物學那樣的革新技術，”Walt說。

NRC為促進多糖研究領域的“甜蜜革命”提出了建議，呼吁美國聯邦機構資助多糖成像、測序、合成等科研項目。Walt等人還呼吁建立哺乳動物、植物和微生物多糖的集中數據庫，類似Protein Data Bank和GenBank那樣。如果各大機構能夠切實把資金集中在糖科學領域，也許科學家們在十年內就能發布人類的糖組項目，為人們揭開糖類的秘密。