正在来临的糖组学

正在来临的糖组学
关键词：糖组学；信息传递；聚糖
基因组学和蛋白质组学已相继来临，受到了人们的关注。

糖组学也悄然跟随！
1. 基因组、蛋白质组、糖组
Crick于1958年提出“DNA→RNA→蛋白质”作为基因信息传递的中心法则。

事实上，生物体内的信息流并不终止于蛋白质。

不仅是蛋白质还可引发一系列的生物效应，而且作为蛋白质的酶还可以催化合成许多各种类型的、具有生物活性的分子，糖类就是其中最重要的一类。

结构多变、功能多样的聚糖是由一组蛋白质协同作用而合成的，这些蛋白质主要是众多的糖基转移酶，以及一些糖苷水解酶。

因此可以认为，“蛋白质→糖类”是基因信息传递的延续。

而且，糖类本身也是一类重要的信息分子。

多年来，许多糖生物学家一再强调这一点，只是仍未广泛地被从事基因研究的学者所理解。

可以从以下几点来认识聚糖是重要的信息分子。

首先，丰富多样的聚糖覆盖了生物有机体的所有细胞。

事实上，离开细胞来描述生命系统是完全不可能的。

多种多样的聚糖结构确实与各种生命现象有重要的联系。

而这些生命现象，正如许多糖生物学家报道的那样，确实发生在细胞水平，而且是在细胞表面，并不在细胞质和细胞核中。

第二，聚糖蕴藏了结构的多样性，这种复杂性远远超过了核酸或蛋白质的结构［1］。

具有足够的多样性是作为任何信息分子的基础。

聚糖极高的复杂性明显地归因于“连接方式异构体”和“分枝形成”，而这种现象在其它的生物信息分子中并不存在。

由于这种结构多样性，使表达在细胞表面的一组聚糖可能作为“条型码”，就象在超级市场结账时用来区别各种货物一样。

当然，用肽类和聚核苷酸类也可以，但那要长许多。

第三，聚糖中许多令人感兴趣的方面可能反映了它们的生物和分子的进化作用，虽然这在以前很少被探讨过。

如：①多糖中少数稳定构成单位的自然选择；②甲醛聚糖(formose)反应可能是前生物期合成糖类的反应，而糖酵解逆反应中醇醛缩合并生成果糖的过程又和甲醛聚糖反应的最后一步相同；③Lobry-de-Bruyn重排反映了果糖、葡萄糖及甘露糖之间的亲缘关系；④复杂的单糖如唾液酸和脱氧已糖可由葡萄糖或甘露糖产生，反映了生物合成的保守性；⑤乳糖的出现可能是在分子进化过程的后期；⑥核糖和核酸的起源仍是一个未解决的问题，等等。

如果认同糖类是重要的生物信息分子，而且是基因信息的延续，那么，在基因组学和蛋白质组学倍受重视的同时，应该及时地进行糖组学的研究。

而且应该有一个“基因组学、蛋白质组学和糖组学”的整体观念。

同样，如果离开了基因组学和蛋白质组学，也是无法破译“糖密码”的。

然而，糖密码系统很可能完全不同于核酸和蛋白质所携带的密码。

因为核酸和蛋白质的语言可类比为西方的拼音文字；而糖类则不同，除了字母的序列外，还有另外的组合方式，更像东方的文字。

犹如同样笔划的汉字，因排列组合不同，含义完全不同。

如果能及时地将糖组学、糖生物学整合到迅速发展的生命科学中，有可能吸引更多的年青学者投身到糖类的研究中。

2. 糖组学计划的基本战略
作者提出的糖组学的中心是糖蛋白，而且是基因组比较清楚的线虫的糖蛋白。

原因是，从“基因组学、蛋白质组学和糖组学”到整体观念出发，应以基因组学的丰硕成果为基础，而且糖蛋白中的糖基化位点也与蛋白质组学的研究相关联。

如以糖脂和蛋白聚糖为中心，或许
使问题更为复杂，需要其它更多的原则。

糖组学研究的主要对象是聚糖，因此，应从糖蛋白上分离到聚糖。

为了能和蛋白质组学关联，似乎以研究糖肽比研究单纯的聚糖更合适。

这样，首要的任务是从糖蛋白中分离纯化糖肽，可以采用“糖捕获”法得到。

以后的工作是收集单一生物(如线虫)中各种糖肽，然后以此为靶标，对各个糖肽的特性进行表征。

作者认为可以用3个参数来描述糖肽：第一，作为糖肽原料的起始蛋白质对应基因在测定时的粘粒编号(cosmid ID)；第二，糖肽的分子量；第三，糖肽对一组凝集素结合的解离常数(K d)。

严格地说，表征聚糖的最重要参数是其一级结构，即聚糖的糖残基序列。

但是目前糖序列的测定仍是糖类研究中的最大难点之一，在短期内还不大可能有很大突破。

由于目前已经具有许多糖结合专一性各异的凝集素，它们可以区别糖残基的连接方式、分支和修饰情况，在一定程度上某一聚糖链或糖肽对一系列凝集素的解离常数可以作为表征其结构的参数。

因此，系列凝集素亲和层析多年来已被用于糖链的分离和糖残基序列的测定。

而前沿(frontal)亲和层析法能较简便地测定聚糖或糖肽和各种凝集素的亲和能力。

3. 用“糖捕获”法获得糖肽
通过凝集素亲和层析法与无色细菌(Achromobacter)蛋白酶Ｉ(一种赖氨酸内肽酶)联用，可获得一组糖肽。

总的研究策略介绍如下：
(1)凝集素亲和层析-1(分离糖蛋白)。

各种凝集素柱可用于分离含有不同糖类的糖蛋白。

纯化过程根据不同糖蛋白类型使用分离的或连续的不同凝集素柱来进行。

(2)蛋白质的消化。

上述获得的糖蛋白易受无色细菌蛋白酶Ｉ的消化而产生糖肽。

在消化之前，需将糖蛋白在8mol/L尿素中完全变性，并在4mol/L尿素中至少消化16小时。

这种酶对赖氨酸具有严格特异性，并具有满意的裂解效果。

(3)凝集素-亲和层析-2(糖肽的分离)。

靶分子糖肽可通过与上述相同的凝集素-亲和层析柱从经过消化的混合物中分离出来。

(4)用HPLC纯化糖肽。

由于通过(3)获得的糖肽有数十种，为了进行更为完全的分离，可采用双向HPLC与不同类型的柱联合应用。

(5)序列分析、质谱及K d测定。

将上述已纯化的糖肽进行序列分析。

如果任何６个氨基酸位置是固定的，凭经验所知，则在线虫基因数据库中可得到一种独特的基因提示。

另一方面，如果每一糖肽的分子量通过ESI-MS或TOF-MS来测定，理论上亦可获得其聚糖部分的质量，因为可从基因组数据库中知晓多肽序列。

这样得到的粘粒编号，分子量以及通过前沿亲和层析获得的K d进而构成糖组数据库。

4. 用前沿亲和层析法测定K d
前沿亲和层析法是由Kasai等［3］首创的定量方法。

该法的最主要特点是在样品浓度不变的情况下，将过量体积的样品(如荧光标记糖肽)连续地加入凝集素柱中，该过程简单，原理清楚，凝集素的K d获得具有高的可靠性。

最近这种层析法与HPLC系统的联用已获得成功。

Schriemer等［4］利用ESI-MS进行检测，也有用荧光进行检测，后者更为简单快速(每个循环20 min)并能进行灵敏分析(每次分析为20 pmol PA-寡糖)。

为了应用到糖肽，用NBD-F 进行标记亦在考虑中。

5. 糖组学和生命科学
在过去十年里，许多糖基转移酶的基因已成功地被克隆，但聚糖的生物作用仍难以捉摸。

这样的反差留给我们的印象是，聚糖属于特殊的一族。

虽然以传统方式进行研究还是必要的，但糖生物学家正处在关键的转折点，应该有新的思路。

以基因组学为基础的糖组学可能是合
适的研究方向。

是否可通过线虫糖组学的研究，将人类的糖组学作为下一个目标。

如果聚糖结构的差异可按照不同个体、发育状况、疾病、紊乱等因素进行归类的话，则糖组的概念、聚糖功能和他们存在的理由将被确定。

这可能是一个新的生命科学的开始。