Science聚焦神秘的多糖

多糖或称碳水化合物是一种主要的生物分子，被认为与核酸、蛋白和脂类同样重要。科学家们能够通过多种工具系统化地研究DNA和蛋白，但他们却没有类似的工具来研究多糖，这也使得多糖成为被了解得最少的生物分子之一。本期Science上的这篇文章，介绍了近来糖科学领域的一些进展，并对未来进行了展望。

　　

生物通报道：细胞表面和蛋白上的多糖具有许多关键性作用，但人们对多糖的了解并不多。如果细胞生物学家想要研究癌症，将有许多传统方式可供选择，例如DNA测序、蛋白功能分析、基因敲除、甚至合成相应药物等等。如果研究多糖也这么简单就好了。

多糖或称碳水化合物是一种主要的生物分子，被认为与核酸、蛋白和脂类同样重要。几乎所有细胞的外表面都存在多糖，这些多糖能够介导细胞与细胞、细胞与微生物之间的通讯和相互作用。多糖也存在于许多蛋白上，帮助蛋白形成三维结构并结合其目标分子。科学家们能够通过多种工具系统化地研究DNA和蛋白，但他们却没有类似的工具来研究多糖，这也使得多糖成为被了解得最少的生物分子之一。

在这样艰难的条件下，近年来“糖科学的进展也相当不错”威斯康辛大学的化学家Laura Kiessling说。这是由于越来越多的研究者意识到多糖的重要性，大量的人才涌入这一领域，她认为“时机已经成熟”。这也是美国国家科学院国家研究委员会NRC得出的结论，NRC在八月的一份报告中督促相关机构将资金集中投入到未来十年的多糖研究工具开发上，就像美国能源部和国立卫生研究院对DNA测序及分析技术的支持那样。

如果科学家们能够掌握糖类的分子信息，将对疫苗研发和生物燃料等领域造成重要影响。主持这项NRC研究的化学家David Walt说，如果没有相应的研究技术，糖科学的研究就只能局限于一些具有特殊条件的实验室。

多糖研究的复杂之处在于，其构成方式与其他生物分子不同。核酸和蛋白质都是由其组成单元以相同的化学键连接起来的。一旦掌握了生成和破坏这些化学键的技术，就能够合成核酸和蛋白质。但多糖没这么简单，多种酶通过不同的化学键将十个以上的糖单元连接在一起，这才组成了一个多糖。多糖主要有五个家族，其中包括大量的不同分支和链状结构。多糖的结构不完全由相关酶的基因决定，还受到不同细胞中酶浓度的影响，依赖于遗传学与局部环境的相互作用。

这样的多样性成为了多糖研究的阻碍。生物学家通常利用结晶来获取蛋白结构，用X射线来定位氨基酸。然而，由于绝大多数蛋白都带有多糖，而同一蛋白上的多糖往往不同，人们很难获得一致的晶体结构。所以结构生物学家一般会去除多糖，舍弃了部分信息。由于昆虫蛋白上的多糖较为一致，现在研究人员选择在昆虫中研究糖蛋白，以便更好的保留多糖组分。

一项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结构生物学家Ian Wilson及其同事在Science上发表了文章，他们使昆虫细胞表达HIV衣壳蛋白gp120的关键部分，保留了蛋白上的多糖，并由此得到了两个高效HIV抗体的X射线晶体结构。研究显示，最有效的抗体结合高度保守的多糖，同时穿透多糖与其下的蛋白结合。

此外，科学家们正在慢慢开始合成复杂的多糖，在一年两次的American Chemical Society八月会议中哥伦比亚大学的有机化学家Samuel Danishefsky介绍了他合成肿瘤细胞相关多糖的策略，他将合成的多糖用于刺激免疫系统产生应答。

随着糖科学领域取得越来越多的进展，Walt等人指出现在重点是让其他研究团队也能够快速达到研究前沿。“糖科学领域急需分子生物学那样的革新技术，”Walt说。

NRC为促进多糖研究领域的“甜蜜革命”提出了建议，呼吁美国联邦机构资助多糖成像、测序、合成等科研项目。Walt等人还呼吁建立哺乳动物、植物和微生物多糖的集中数据库，类似Protein Data Bank和GenBank那样。如果各大机构能够切实把资金集中在糖科学领域，也许科学家们在十年内就能发布人类的糖组项目，为人们揭开糖类的秘密。

（生物通编辑：叶予）

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Looking for a Sugar Rush

Chains of these sugar molecules, called glycans, polysaccharides, or sometimes carbohydrates, are a primary class of biomolecules, arguably as important as the nucleic acids DNA and RNA, proteins, and lipids. They decorate the outer surface of nearly all cells, directing communication and interactions not only between our cells but with bacteria and viruses as well. They also coat many proteins and help orchestrate the way those molecules fold into their three-dimensional shapes and bind to their targets. Scientists have never had the tools to synthesize and alter glycans in the same systematic way they've been able to with DNA and proteins. That makes glycans one of the least understood classes of molecules in biology.