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(shí)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(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，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(diǎn)來認(rèn)識(shí)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(jī)體的所有細(xì)胞。事實(shí)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(shí)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(bào)道的那樣，確實(shí)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(yùn)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(jí)市場(chǎng)結(jié)賬時(shí)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(zhǎng)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(gè)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(shí)，應(yīng)該及時(shí)地進(jìn)行糖組學(xué)的研究。而且應(yīng)該有一個(gè)“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?yàn)楹怂岷偷鞍踪|(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(shí)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(jì)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(diǎn)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(duì)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(duì)各個(gè)糖肽的特性進(jìn)行表征。作者認(rèn)為可以用3個(gè)參數(shù)來描述糖肽：第一，作為糖肽原料的起始蛋白質(zhì)對(duì)應(yīng)基因在測(cè)定時(shí)的粘粒編號(hào)（cosmidID）；第二，糖肽的分子量；第三，糖肽對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)，即聚糖的糖殘基序列。但是目前糖序列的測(cè)定仍是糖類研究中的最大難點(diǎn)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(duì)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(cè)定。而前沿（frontal）親和層析法能較簡(jiǎn)便地測(cè)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。總的研究策略介紹如下：（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(shí)。這種酶對(duì)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(cè)定。將上述已純化的糖肽進(jìn)行序列分析。如果任何6個(gè)氨基酸d位置是固定的，憑經(jīng)驗(yàn)所知，則在線蟲基因數(shù)據(jù)庫中可得到一種獨(dú)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(cè)定，理論上亦可獲得其聚糖部分的質(zhì)量，因?yàn)榭蓮幕蚪M數(shù)據(jù)庫中知曉多肽序列。這樣得到的粘粒編號(hào)，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(cè)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(diǎn)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(jiǎn)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(cè)，也有用熒光進(jìn)行檢測(cè)，后者更為簡(jiǎn)單快速（每個(gè)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)