正在來臨的糖組學(xué)

正在來臨的糖組學(xué)關(guān)鍵詞：糖組學(xué)；信息傳遞；聚糖基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)已相繼來臨，受到了人們的關(guān)注。糖組學(xué)也悄然跟隨！基因組、蛋白質(zhì)組、糖組Crick于1958年提出“DNA-RNA-蛋白質(zhì)”作為基因信息傳遞的中心法則。事實上，生物體內(nèi)的信息流并不終止于蛋白質(zhì)。不僅是蛋白質(zhì)還可引發(fā)一系列的生物效應(yīng)，而且作為蛋白質(zhì)的酶還可以催化合成許多各種類型的、具有生物活性的分子，糖類就是其中最重要的一類。結(jié)構(gòu)多變、功能多樣的聚糖是由一組蛋白質(zhì)協(xié)同作用而合成的，這些蛋白質(zhì)主要是眾多的糖基轉(zhuǎn)移酶，以及一些糖苷水解酶。因此可以認(rèn)為，“蛋白質(zhì)一糖類”是基因信息傳遞的延續(xù)。而且，糖類本身也是一類重要的信息分子。多年來，許多糖生物學(xué)家一再強調(diào)這一點，只是仍未廣泛地被從事基因研究的學(xué)者所理解?？梢詮囊韵聨c來認(rèn)識聚糖是重要的信息分子。首先，豐富多樣的聚糖覆蓋了生物有機體的所有細(xì)胞。事實上，離開細(xì)胞來描述生命系統(tǒng)是完全不可能的。多種多樣的聚糖結(jié)構(gòu)確實與各種生命現(xiàn)象有重要的聯(lián)系。而這些生命現(xiàn)象，正如許多糖生物學(xué)家報道的那樣，確實發(fā)生在細(xì)胞水平，而且是在細(xì)胞表面，并不在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中。第二，聚糖蘊藏了結(jié)構(gòu)的多樣性，這種復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了核酸或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)⑴。具有足夠的多樣性是作為任何信息分子的基礎(chǔ)。聚糖極高的復(fù)雜性明顯地歸因于“連接方式異構(gòu)體”和“分枝形成”，而這種現(xiàn)象在其它的生物信息分子中并不存在。由于這種結(jié)構(gòu)多樣性，使表達(dá)在細(xì)胞表面的一組聚糖可能作為“條型碼”，就象在超級市場結(jié)賬時用來區(qū)別各種貨物一樣。當(dāng)然，用肽類和聚核苷酸類也可以，但那要長許多。第三，聚糖中許多令人感興趣的方面可能反映了它們的生物和分子的進(jìn)化作用，雖然這在以前很少被探討過。如:①多糖中少數(shù)穩(wěn)定構(gòu)成單位的自然選擇；②甲醛聚糖(formose)反應(yīng)可能是前生物期合成糖類的反應(yīng)，而糖酵解逆反應(yīng)中醇醛縮合并生成果糖的過程又和甲醛聚糖反應(yīng)的最后一步相同；③Lobry-de-Bruyn重排反映了果糖、葡萄糖及甘露糖之間的親緣關(guān)系；④復(fù)雜的單糖如唾液酸和脫氧已糖可由葡萄糖或甘露糖產(chǎn)生，反映了生物合成的保守性；⑤乳糖的出現(xiàn)可能是在分子進(jìn)化過程的后期；⑥核糖和核酸的起源仍是一個未解決的問題，等等。如果認(rèn)同糖類是重要的生物信息分子，而且是基因信息的延續(xù)，那么，在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)倍受重視的同時，應(yīng)該及時地進(jìn)行糖組學(xué)的研究。而且應(yīng)該有一個“基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和糖組學(xué)”的整體觀念。同樣，如果離開了基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，也是無法破譯“糖密碼”的。然而，糖密碼系統(tǒng)很可能完全不同于核酸和蛋白質(zhì)所攜帶的密碼。因為核酸和蛋白質(zhì)的語言可類比為西方的拼音文字；而糖類則不同，除了字母的序列外，還有另外的組合方式，更像東方的文字。猶如同樣筆劃的漢字，因排列組合不同，含義完全不同。如果能及時地將糖組學(xué)、糖生物學(xué)整合到迅速發(fā)展的生命科學(xué)中，有可能吸引更多的年青學(xué)者投身到糖類的研究中。糖組學(xué)計劃的基本戰(zhàn)略作者提出的糖組學(xué)的中心是糖蛋白，而且是基因組比較清楚的線蟲的糖蛋白。原因是，從“基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和糖組學(xué)”到整體觀念出發(fā)，應(yīng)以基因組學(xué)的豐碩成果為基礎(chǔ)，而且糖蛋白中的糖基化位點也與蛋白質(zhì)組學(xué)的研究相關(guān)聯(lián)。如以糖脂和蛋白聚糖為中心，或許使問題更為復(fù)雜，需要其它更多的原則。糖組學(xué)研究的主要對象是聚糖，因此，應(yīng)從糖蛋白上分離到聚糖。為了能和蛋白質(zhì)組學(xué)關(guān)聯(lián)，似乎以研究糖肽比研究單純的聚糖更合適。這樣，首要的任務(wù)是從糖蛋白中分離純化糖肽，可以采用“糖捕獲”法得到。以后的工作是收集單一生物（如線蟲）中各種糖肽，然后以此為靶標(biāo)，對各個糖肽的特性進(jìn)行表征。作者認(rèn)為可以用3個參數(shù)來描述糖肽：第一，作為糖肽原料的起始蛋白質(zhì)對應(yīng)基因在測定時的粘粒編號（cosmidID）；第二，糖肽的分子量；第三，糖肽對一組凝集素結(jié)合的解離常數(shù)（比）。d嚴(yán)格地說，表征聚糖的最重要參數(shù)是其一級結(jié)構(gòu)，即聚糖的糖殘基序列。但是目前糖序列的測定仍是糖類研究中的最大難點之一，在短期內(nèi)還不大可能有很大突破。由于目前已經(jīng)具有許多糖結(jié)合專一性各異的凝集素，它們可以區(qū)別糖殘基的連接方式、分支和修飾情況，在一定程度上某一聚糖鏈或糖肽對一系列凝集素的解離常數(shù)可以作為表征其結(jié)構(gòu)的參數(shù)。因此，系列凝集素親和層析多年來已被用于糖鏈的分離和糖殘基序列的測定。而前沿（frontal）親和層析法能較簡便地測定聚糖或糖肽和各種凝集素的親和能力。用“糖捕獲”法獲得糖肽通過凝集素親和層析法與無色細(xì)菌（Achromobacte》蛋白酶I（一種賴氨酸內(nèi)肽酶）聯(lián)用，可獲得一組糖肽?？偟难芯坎呗越榻B如下：（1）凝集素親和層析-1（分離糖蛋白）。各種凝集素柱可用于分離含有不同糖類的糖蛋白。純化過程根據(jù)不同糖蛋白類型使用分離的或連續(xù)的不同凝集素柱來進(jìn)行。（2）蛋白質(zhì)的消化。上述獲得的糖蛋白易受無色細(xì)菌蛋白酶I的消化而產(chǎn)生糖肽。在消化之前，需將糖蛋白在8mol/L尿素中完全變性，并在4mol/L尿素中至少消化16小時。這種酶對賴氨酸具有嚴(yán)格特異性，并具有滿意的裂解效果。（3）凝集素-親和層析-2（糖肽的分離）。靶分子糖肽可通過與上述相同的凝集素-親和層析柱從經(jīng)過消化的混合物中分離出來。（4）用HPLC純化糖肽。由于通過⑶獲得的糖肽有數(shù)十種，為了進(jìn)行更為完全的分離，可采用雙向HPLC與不同類型的柱聯(lián)合應(yīng)用。（5）序列分析、質(zhì)譜及K測定。將上述已純化的糖肽進(jìn)行序列分析。如果任何6個氨基酸d位置是固定的，憑經(jīng)驗所知，則在線蟲基因數(shù)據(jù)庫中可得到一種獨特的基因提示。另一方面，如果每一糖肽的分子量通過ESI-MS或TOF-MS來測定，理論上亦可獲得其聚糖部分的質(zhì)量，因為可從基因組數(shù)據(jù)庫中知曉多肽序列。這樣得到的粘粒編號，分子量以及通過前沿親和層析獲得的K進(jìn)而構(gòu)成糖組數(shù)據(jù)庫。d用前沿親和層析法測定￡d前沿親和層析法是由Kasai等⑶首創(chuàng)的定量方法。該法的最主要特點是在樣品濃度不變的情況下，將過量體積的樣品（如熒光標(biāo)記糖肽）連續(xù)地加入凝集素柱中，該過程簡單，原理清楚，凝集素的K獲得具有高的可靠性。最近這種層析法與HPLC系統(tǒng)的聯(lián)用已獲得成功。dSchrieme1等［4〕利用ESI-MS進(jìn)行檢測，也有用熒光進(jìn)行檢測，后者更為簡單快速（每個循環(huán)20min）并能進(jìn)行靈敏分析（每次分析為20pmolPA-寡糖）。為了應(yīng)用到糖肽，用NBD-F進(jìn)行標(biāo)記亦在考慮中。糖組學(xué)和生命科學(xué)在過去十年里，許多糖基轉(zhuǎn)移酶的基因已成功地被克隆，但聚糖的生物作用仍難以捉摸。這樣的反差留給我們的印象是，聚糖屬于特殊的一族。雖然以傳統(tǒng)方式進(jìn)行研究還是必要的，但糖生物學(xué)家正處在關(guān)