现代糖生物学进展

现代糖生物学进展在网上找到一篇现代生物学进展的文章,觉得非常不错,现录下来,有空闲时慢慢欣赏:什么是糖生物学，简单地说就是研究多糖及其衍生物的结构、生物合成及生物学功能的科学。多糖是生物高分子家族中一个最丰富多彩的成员，广泛存在于各种植物、动物、微生物组织中，具有免疫调节、抗肿瘤、降血糖等多种生物活性。其最大优点是毒副作用小，来源广泛，资源丰富。尤其是来源于中草药的植物多糖，受到许多国家的重视。20世纪末，糖生物学开始蓬勃发展而引起世人注意，它是糖化学和生物学研究相结合的新兴学科，主要研究糖类化合物的结构、生物合成和生物学功能。本专题旨在介绍糖生物学的历史，糖生物学研究的内容，糖缀合物中糖链的结构及其生物学功能，天然多糖的组成及结构，天然多糖的生物学功能，以及糖生物学研究的发展等。1糖生物学的历史“糖生物学”起初由糖化学开始，而后是糖生物化学。20世纪初期，糖类化合物的化学、生物化学和生物学曾引起科学界很多人的关注。当糖生物化学研究积累了大量的资料，发现糖类化合物的研究与生物学的诸多领域出现了交叉，这就孕育了糖生物学的出现。1988年，一篇以“糖生物学”为题目的综述刊登在当年的“生物化学年评”，由此宣告了糖生物学这一分支学科的正式诞生。然而，当时由于糖类化合物自身结构的复杂性，使之难于测序，致使糖类化合物的研究远远滞后于蛋白质、核酸和脂类的研究。因此，人们为研究这些糖类化合物建立了一些新的工艺方法，这也为分子生物学研究领域开辟了另一个新的前沿，称为“糖生物学（glycobiology）”。20世纪末期，糖基转移酶转基因细胞的产生，钙粘素N-CD1单晶三维结构的阐明，肝素抗凝血五糖模拟物的合成，这些研究的出现极大地推动了糖生物学学科的发展。随后，科学家将糖化学和生物化学的传统原则与现代细胞和分子生物学对聚糖的研究相结合，而创用了“糖生物学”一词。如今“糖生物学”已经得到了广泛的认可，并创立专门的生物学杂志，日益壮大的科学学会和著名的戈登研讨会议，这些都是以“糖生物学”来命名的。目前糖生物学广义地被定义为，研究自然界中广泛分布的糖类（糖链或聚糖）的结构、生物合成和生物学功能的一门科学。实际上，糖生物学的研究焦点是糖类与其他分子的关系。糖生物学的研究包括对糖类化合物的命名，对其生物合成、结构和化学合成以及生物学功能的研究，还涉及部分分子遗传学、细胞生物学、生理学和生物化学这些基础学科方面的研究。2糖生物学研究的主要内容近年来，糖生物学研究的主题主要基于如下问题：（1）糖类化合物与其受体之间相互作用的分子机制如何？（2）应以何种功能实验来阐明糖类化合物的生物学角色？（3）如何将糖类化合物更好地应用于医疗保健中？若要完全解决糖生物学的这些基本问题，尚需数十年的努力。然而，迄今为止，人们已经揭示出糖类化合物的部分生物学功能，将在下述内容中加以介绍。3糖生物学研究领域中的常见术语人们将糖定义为多羟基醛或多羟基酮的化合物，或者能水解出上述单体的化合物。而单糖是一类不能水解为更简单的糖单位的化合物。单糖在其碳链末端有一个羰基（即醛基），或者在碳链内部的一个碳原子上有一个羰基（即酮基）。这两种单糖称为醛糖或酮糖。游离的单糖可以以直链或环状形式存在。图2-1单糖的存在形式一般来说，碳水化合物含有多个单糖(monosaccharide)，它们连在一起成为寡聚体或多聚体，又叫做寡糖或多糖。糖苷键是将一个单糖和另一个残基相连的共价键，特别是通过异头碳上的羟基和另一个残基相连。按照氧与异头碳的关系又可分为α连接或β连接。尽管其顺序和组成一样，但这两种类型的连键各具有不同的结构性质和生物功能。糖缀合物(glycoconjugate)是指含有单糖的糖基部分以共价键与另一种天然构件单位（如氨基酸、肽类或脂类）相连的大分子，例如糖蛋白(glycoprotein)、糖脂（glycolipid）和蛋白聚糖(protoglycan)。每一种糖缀合物都是一个或多个单糖或多个寡糖单位（即糖体，glycone）以共价键和另一个非糖组分（即配糖体，aglycone）结合。糖缀合物中没有和配糖体结合的寡糖通常都能保留其末端单糖组分的还原性。因此，该末端又称为还原末端，另一端则称为非还原末端。这与核酸链的3’端与5’端之分，多肽链的氨基端和羧基端之分相类似。4糖缀合物中糖链的结构及其生物学功能由单糖引起的糖链变化多于氨基酸或核苷酸。核苷酸和蛋白质都是线性多聚物，都只有一种基本的连接键。而理论上，每一个单糖都能以一个α或β键与链中的另一个单糖的一个或几个位点连接，或与其他单糖分子连接。由此可知，3个氨基酸或3个核苷酸都只能产生6种变体，但3个己糖根据考虑因素的不同，可组成三糖种类的数目在1056到27648之间。如果聚合体中的单位个数增加，其差值还会进一步增大。对于己糖的六聚体，其可能的组合可达万亿之多。因此，理论上，在复杂的生物体系中，可能存在的糖的数量是不可思议的。对于学习糖生物学的学生来说，值得庆幸的是，自然界存在的生物大分子只含有少数的单糖，其结合键型的数目也十分有限。但对于从事糖生物学研究的人员来说，该领域仍有很大的研究空间等待开发。随着糖链结构分析技术的进步和分子生物学技术的发展，研究糖链功能的方法和技术，如内切酶、外切酶、糖链合成的抑制剂的应用、DNA定点突变技术和糖基转移酶基因工程技术的快速发展，糖链的生物学功能也已逐渐得到阐明。研究结果表明，糖链作为信息分子参与细胞生物几乎所有的生命过程，特别是在细胞分化、发育、免疫、老化、癌变、信息传递等生命和疾病过程中起着特异性的识别、介导与调控作用。4.1调控机体免疫应答糖链通过糖蛋白的抗原性和免疫原性与免疫应答相互关联。糖链对糖蛋白抗原性的影响：有些糖链可以被抗体识别。例如人类免疫系统中就存在着以特异性糖基决定簇为靶点的循环抗体。含量约占循环免疫球蛋白G(IgG)家族1%的一类IgG，可对Gal(α1-3)Gal(b1-4)GlcNAc表位发生特异性结合。ABO血型系统是第一个与遗传病无关的单纯的人类特征多态性的体现，也是糖链被抗体识别的经典之作。GalNAc(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(b1-)AGal(α1-3)[Fuc(α1-2)]Gal(b1-)BFuc(α1-2)Gal(b1-)O(H)作为ABO(H)抗原基础的糖链结构依赖于为糖基转移酶编码基因的特性与形式，同时决定了它们的合成。这些抗原的结构最初是在红细胞表面被发现的，因此又被命名为“血型抗原”。后来，在其它组织和人体分泌物中也发现其存在。ABO分类是基于在红细胞表面A抗原与B抗原的存在与否，以及当相应的抗原缺失时，在血浆中两种抗体（即抗A和抗B）的存在为分类依据的。若A-或B-型中的糖链结构不进一步修饰，则称为O型或H型，这种血型通过抗-H抗体来确定。ABO(H)抗原的基础——糖链结构取决于以下两个因素，即遗传因素和编码糖基转移酶的基因的表达，该基因的表达决定了糖基转移酶的合成。少数情况下，在O型个体的所有细胞中均表达H抗原，即红细胞糖蛋白的α-1，2-海藻糖的末端存在半乳糖残基。A、B以及AB血型的抗原还需进一步糖基化，在各自酶的催化下，分别加上一个N-乙酰半乳糖胺或半乳糖残基。糖链对糖蛋白免疫原性的影响：人类免疫系统能产生癌细胞合成的“拟糖链”抗体。因为在癌症病人的血浆中能够检测出带有糖表位的肿瘤相关抗原(TAAs)或这些TAAs的抗体，通过测定TAAs或TAAs抗体的有无可以对一些癌症进行免疫诊断，并且通过测定它们的含量可以对肿瘤的发展进行跟踪。关于以TAAs的单克隆抗体为基础进行癌症免疫治疗的问题，多年来已经做了许多尝试，虽然获得的抗体与肿瘤细胞之间的某些作用机理尚不明确而未取得成功，但它仍具有广阔的发展前景。4.2介导细胞识别信号当人们对糖缀合物中糖链的生物学作用研究深入后，“作为识别信号的糖链”这一概念迅速发展起来，并通过对各种膜（包括病毒、细菌、真菌、植物和低等、高等动物）表面上糖缀合物的大量研究得到了系统地发展。糖缀合物中糖链的作用由参与分子与膜之间的相互作用迅速发展为参与膜与膜之间的相互作用，由此加深对细胞识别和粘附的分子机制的认识，这些都能促进对膜上糖缀合物功能的研究。由于癌细胞膜上某些糖缀合物结构被明显修饰，癌细胞膜上出现的畸形分子或许与癌细胞的反常行为和瘤转移有关。事实上，修饰后的糖缀合物可能作为抗体识别信号在原处发挥作用，这也解释了癌细胞的分散和逃离，而且，它们可以成为血管内皮细胞的识别信号，同时对次生肿瘤的形成起到重要作用。凝集素是能够识别某些具有特定结构特征的糖链的糖蛋白，通过与糖形成非共价连接，进而完成特异性的识别。每个凝集素分子含有两个或两个以上糖结合位点，即糖类识别域（CRD）。从CRD的数目看，凝集素是二价的或多价的，因此在两个或多个细胞表面可以通过与糖基结合来完成细胞间的交联，形成细胞聚集物，称作凝集。通过凝集素发生的红血球凝集，即高度糖基化的血红细胞凝集，被称为凝血。凝血是凝集素的一个重要特征，经常用作凝集素的检测和定性。凝集素是一类大小、结构和分子构造变化多样，尤其是糖识别域多样的异质低聚糖蛋白。根据与它们最具亲和力的单糖的类型可将凝集素分为五种类型：（1）与甘露糖结合型，（2）与半乳糖和乙酰氨基半乳糖结合型，（3）与乙酰氨基葡萄糖结合型，（4）与L-岩藻糖结合型，（5）与N-唾液酸结合型。某些凝集素的特异性非常强，可以区分葡萄糖与半乳糖或乙酰氨基半乳糖与乙酰氨基葡萄糖。因此，凝集素可以作为一种特异工具，从糖缀合物中“钓”出特定的糖蛋白。另一些凝集素结合单糖的特异性相对较低，例如很多被称为“甘露糖特异的”凝集素也可以与L-岩藻糖结合。还有一些凝集素并不选择性的与单糖部分结合，而是与糖缀合物中复杂的寡糖片断相互作用。因此，依据体外实验的单糖特异性对凝集素进行分类是对凝集素本身的特异性的简化，而凝集素本身的特异性通常是更加复杂并难以描述的。动物体内存在的凝集素有三个亚类：（1）S-型凝集素，（2）C-型凝集素，（3）P-型凝集素。S-型凝集素也被称为半乳凝素。许多不同类型的细胞都能表达半乳凝素，它们不只存在于浆核和细胞核中，也存在于细胞外，参与细胞黏附作用。它们发生结合作用通常需要还原基团如巯基。半乳凝素特异地结合β-半乳糖基，而且它们中的一些也能识别N-乙酰葡萄糖胺。C-型凝集素是一大类糖结合蛋白，它们在结合过程中需要Ca2+。它们包含有胞吞凝集素、胶原凝集素和选择素。胞吞凝集素是具有不同糖特异性的膜结合受体。一个重要的例子就是，哺乳动物肝脏中的无唾液酸糖蛋白受体，它与半乳糖和N-乙酰半乳糖胺结合。这使得那些末端唾液酸残基被切除，从而暴露出半乳糖和N-乙酰半乳糖胺残基末端的糖蛋白容易从循环中被清除。另一个重要的例子是，表达在巨噬细胞上的甘露糖结合蛋白（MBPs），它们是哺乳动物血清和肝脏中的可溶性凝集素。它们与感染微生物的寡聚甘露糖结合，在没有抗体参与的情况下激活补体系统，最终引起病原体的溶解。选择素可调节循环系统中白细胞与血管内皮细胞的选择性结合，这是白细胞从循环系统中清除和迁入所需组织的必要过程。目前，存在三种已知的选择素：L-选择素、P-选择素和E-选择素。P-型凝集素中最具代表性的是甘露糖-6-磷酸受体，它可以使糖基化的溶酶体酶与亚细胞组件相结合。很多凝集素像MBP-A一样以三聚体的形式存在，这便允许凝集素同时结合几个糖配体，但同时也要求配体有合适的间距。因此，许多凝集素并不与单糖结合，而是与那些具有正确三维结构的寡糖结合。寡糖是具有最大柔韧性的分子，可以以相当大的自由度围绕糖苷键旋转，所以凝集素与这些分子的亲和力受到它们形状的影响。能够特异地与相同寡糖结合的不同凝集素可能识别寡糖表面的不同区域。从动态分子的结构矩阵中选择特异的三维寡糖结构，将是期待研究的凝集素与糖相互作用的最重要的特征。4.3介导细胞运输当今糖生物学研究的热门领域是急性反应早期糖与蛋白质之间的相互作用。如果机体遭受损伤或组织受到刺激，免疫系统便把免疫细胞转移到其应激位置。因此，免疫学作用通常伴随着急性期反应，此反