聚糖：生命的甜蜜外衣

糖是人类不可缺少的食物和能量来源，但如果仅仅把糖看作食物就太低估它们了。糖，尤其是聚糖几乎参与了机体的每一个生物学过程。聚糖是由很多单糖分子以共价键构成的复杂聚合物，它们数量庞大、种类繁多，装饰着细胞表面。聚糖是细胞“身份”的重要标记物，帮助细胞之间或与外部环境进行通讯。研究还表明聚糖在癌症、自身免疫性疾病等多种重大疾病中起到关键作用。尽管它们无处不在又十分重要，但对人类来说，结构复杂且少有规律的聚糖仍然非常神秘。

糖酶“百宝箱”

为了探索聚糖结构和功能的奥秘，美国怀俄明大学的Donald Jarvis和佐治亚大学的Kelley Moremen等研究人员搭建了一个合成、修饰、降解聚糖的酶库，并能在哺乳动物细胞或昆虫细胞中表达这些酶。这个库对于研究聚糖来说可谓是“百宝箱”，相关研究成果发表在近期的Nature Chemical Biology 杂志上。^[1]

该文作者之一、亚利桑那州立大学生物设计研究所主任Joshua LaBaer说：“很显然，这些精巧的糖结构在健康和疾病中都起到了至关重要的作用。”^[2] 目前科学界对聚糖生理活性的理解还很少，最大原因之一就是聚糖结构复杂且缺少规律。与其他重要的生物大分子（例如核酸、蛋白质）不同，聚糖的合成并非是基于模板的组装，而是由大型酶家族的复杂相互作用产生。不同酶家族所处位置和环境不同，会产生或除去特定的糖分子。“这项工作首次集合了所有酶的克隆拷贝，这个非常宝贵的工具箱能够极大地帮助科学家研究聚糖。”^[2]

天然产物和有机合成是聚糖分子的主要来源，它们在结构生物学、分子生物学、再生医学、分子医学、分子探针等多个领域都扮演着重要角色。图片来源：Gifu Global Glyco-Lab at Gifu University ^[3]

在该项研究中，研究人员成功生产了所有已知的人类糖酶（glycoenzyems），例如糖基转移酶、糖苷水解酶、磺基转移酶以及其他聚糖修饰酶，与超过7000种脊椎动物聚糖的合成和修饰有关。为了实现这个宏大的目标，该研究团队试图简化过程，只生产能够在宿主细胞有效表达的酶型。研究人员制定了一个设计策略来捕捉那些编码区域，并把它们转入表达载体，由此获得一个表达载体库。接着就可以将表达载体转入昆虫细胞（Sf9等）或哺乳动物细胞（HEK293）中，以催化结构域融合蛋白的形式表达。分泌表达的糖酶再被分离纯化，用于下一步结构和功能的研究。

糖酶库的构建流程。图片来源：Nat. Chem. Bio.

研究团队最终得到了一个涵盖339种糖酶的酶库。结果显示，在昆虫和哺乳动物细胞中，很多糖酶可以高水平表达，但具体到特定的酶在哪个系统中表达得更好就不好说了，需要分别尝试。

这是个巨大进步。遥想当年有人想在更简单的原核细胞（如大肠杆菌）中表达糖酶，大部分尝试都折戟沉沙。而这一次的宿主细胞是更复杂的真核细胞，需要对编码酶的基因进行相当程度的修饰才能表达，但他们成功了。

甜甜的生命

这篇文章的通讯作者之一Kelley Moremen表示，“研究动物细胞的聚糖结构一直是个巨大的挑战，尤其是技术方面。为了理解这些分子如何在细胞表面表达，如何调控并实现功能，我们必须先搞清楚酶的特性，因为这些酶负责制造、修饰、降解聚糖。” ^[2]

其实聚糖的重要性，早在高中生物课本中就有体现。来跟小氘一起复习：构成生物系统的四类大分子是核酸、蛋白质、脂质和聚糖。聚糖对维持细胞结构和功能必不可少，同时也在细胞信号传导、免疫和炎症反应中发挥关键作用。

细胞表面的聚糖可以说是细胞的“身份证”。它们可以将白细胞引到发生感染的部位，使免疫功能准确响应。在流感早期阶段，流感病毒能够识别细胞表面的聚糖，并与之结合，附着在人类宿主细胞上。

细胞表面的聚糖分子。图片来源：Nat. Methods^[4]

不过免疫系统也能反过来利用聚糖发现病原体。免疫系统能够识别并学习病毒、细菌和其他入侵者表面的聚糖，建立先天性和适应性的免疫防御机制。

最简单的糖分子——葡萄糖也是非常重要的生物分子。葡萄糖是合成很多聚糖的原料，更是人体主要的能量来源。葡萄糖代谢机制发生障碍则会导致糖尿病等严重的代谢疾病。血糖过高会损伤多种器官，更可能诱发心血管疾病。而血糖过低则可能使人晕眩，甚至因能量不足而猝死。

能源方面，聚糖同样不可忽视。植物细胞的细胞壁重要由聚糖组成，地球上生物质主要以聚糖形式存在。因此，植物的聚糖是发展可持续能源的重要选项。

虽然生命离不开聚糖，但它始终没有和分子生物学界的“双雄”——核酸和蛋白质——一样平起平坐。主要原因在于聚糖结构过于复杂且没有规律。

给蛋白质穿上“糖衣”

从基因到蛋白质的“中心法则”简单明了，至少大多数情况下是这样。也许是冥冥中注定，中心法则的规律可能是生物大分子中最简单的规律。DNA只由4种核苷酸以不同的顺序组成，转录成RNA，再翻译成蛋白质。

聚糖的产生就复杂得多了。生物体合成聚糖没有类似于合成核酸或蛋白质那样的模板，而是在复杂的环境因素中，如细胞代谢、细胞类型、发育阶段、营养丰度等，根据需要进行组装。神经细胞、皮肤细胞或肌肉细胞都有自己专门的聚糖，病变细胞的聚糖也会有特征性的修饰。为了合成如此种类繁多的聚糖，生物体必然需要大量功能各异的酶为其服务。

人类基因组中编码蛋白质的基因只有大约19,000个，^[5] 翻译后表达的蛋白数量也不是很多，如何产生如此复杂的生理过程呢？聚糖在这里功勋卓著。蛋白质一旦合成，它的氨基酸序列不会改变，四级结构也就基本固定了，只有在受到外界作用时才会产生构象改变。但聚糖或糖基化修饰相当于蛋白质的“大衣柜”，换一套衣服就是一副全新的面孔和功能。

聚糖的加入使原本简洁的中心法则变得变化多端。一个基因指导合成一个功能和结构单一的蛋白质已经无法解释很多生理现象，必须考虑糖的作用。聚糖在蛋白质上看似微小的修饰，对人类的健康和疾病具有深远意义。例如，研究细胞和蛋白质异常的糖基化已经成了癌症研究领域的新战场。

再回到糖酶库的工作，研究者们为糖生物学提供了宝贵的表达载体库资源，全世界的研究人员都可以通过DNASU（一个质粒共享机构）^[6] 获得需要的质粒。

在新酶库的帮助下，聚糖会不会在基因组学、蛋白质组学、化学合成、材料科学和医学等领域迎来甜蜜的春天呢？一起期待吧。

编译自：

1. Expression system for structural and functional studies of human glycosylation enzymes. Nat. Chem. Bio., 2018, 14, 156, DOI: 10.1038/nchembio.2539

2. https://biodesign.asu.edu/news/sugar-coated-world

3. https://www1.gifu-u.ac.jp/~kassei1/iCeMS_Gifu/newpage7.html

4. https://www.nature.com/articles/nmeth0111-55

5. Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes. Hum. Mol. Gen., 2014, 23, 5866, DOI: 10.1093/hmg/ddu309

6. https://glycoenzymes.ccrc.uga.edu/