糖生物学与糖工程的前景

细履平沙

糖生物学与糖工程的前景

香山科学会议第103次学术讨论会于1998年8月25日至28日在香山举行，主题为“糖生物学与糖工程的前景”。张树政院士、陈惠黎教授、朱正美教授为本次会议执行主席。会议把糖生物学与糖工程的研究作为2l世纪生物学研究的重要方面进行了学术交流和探讨，从而明确了我国在糖生物学与糖工程研究方面的战略方向。

一、糖生物学与糖工程的前景

中科院微生物所张树政院士作了“糖生物学与糖工程的诞生、蓬勃发展及前景”的综述报告。张树政全面论述了当前国际糖生物学与糖工程研究的动态。1988年牛津大学R．A．Dwek教授首先提出了“Glycobiology”，标志着糖生物学的诞生。美国对糖生物学与糖工程非常重视，日本则在1991年开始实施一个耗资数百亿日圆的15年“糖工程前沿计划”，欧盟1994年亦推出了一个“欧洲糖研究开发网络”与美、日竞争。国际上已召开了多次糖生物学和糖工程的国际会议。K．Landsteinerl900年发现人的血型是不同的，并因此获1930年nobel医学奖。免疫学家经过半个世纪的研究于1960年由Watkins确定了血型抗原决定基的糖链结构，表明决定血型的物质是糖链。她指出，细胞内密布着糖链，这些糖链与蛋白或脂共价结合成糖蛋白、糖脂或蛋白聚糖(合称糖缀合物)。细胞表面糖缀合物上的糖链承担着细胞一细胞相互作用和细胞一细胞外基质相互作用，作为激素、凝集素、酶、毒素、病毒、细菌等的识别分子，还是细胞表面抗原。糖链在细胞表面承担信息分子的功能。她说“糖分体抗原(CD)”是发育过程中细胞的糖蛋白或糖脂的糖抗原性的改变，是由于序列增加或减除一个糖残基所引起的。用单克隆抗体人们已确认糖蛋白和糖脂的糖链结构是癌发育抗原。她介绍了糖生物学中的一场革命及引发的高潮。1990年11月，3个不同的研究小组几乎同时发现了血管内皮细胞E一选择素(E-selectin)能识别白细表面的四聚糖唾液酸路易斯X(Slex，一种血型抗原)。这是第一次在人体中确证了糖结合蛋白E-selectin、P-selectin和L-selectin等家庭成员与寡糖SLex (也包括Slea)之间的识别功能。更使人吃惊的是在肺癌和大肠癌细胞表面也存在SLex，被称为糖生物学中的一场革命。这一革命引发了一场制备抗炎和抗癌药物的大竞赛，许多以糖命名的药厂如雨后春笋应运而生。最后，张树政介绍了糖生物学研究近年来取得的重大进展，指出中国应该在这一领域作出应有的贡献。

上海医科大学陈惠黎教授作了“第14次国际糖复合物讨论会及牛津大学糖生物学研究所简评”的综述报告。陈惠黎指出，会议上的报告充分表明神经糖生物学(Neuroglycobiology)将成为2l世纪糖生物学研究的重点，糖病理学(GlycoPathology)研究糖脂和糖蛋白合成及分解过程中各种酶的先天缺陷及各种病理情况下糖链的变化，是另一个前沿热点。陈惠黎还向与会者介绍了牛津大学糖生物学研究所的情况。牛津大学生化系是世界上最大的生化系之一，拥有多名nobel奖获得者和皇家学会成员，数百名博士后及博士生，其所属糖生物学研究所成立于1989年。他评述了糖生物学研究所在免疫糖生物学(Im-munoglycobiology)、糖病毒学(G1ycovirology)及凝集素(Lectin)三个方面取得的主要成就。他指出，日本学者近年选择糖的研究为主攻目标，而日本政府对糖生物学研究十分重视，使日本现在已站在糖生物学研究前沿。陈惠黎认为，目前国内糖生物学研究落后，国家应给予重视，我国应在中国地方病的糖生物学、神经糖生物学及糖基转移酶三个方面开展研究。

在讨论中,北京医科大学李中军教授就刚在美国San Diego参加的“XIX International Carbohydrate Symposium”的情况作了介绍。他总结了3条：(1)与会议相比国内相关领域的研究水平低。(2)糖研究上化学与生物学交叉非常大，跨国合作也非常多，著名实验室将成果推向产业化倾向非常强。(3)寡糖的化学合成目前仍不成熟，而固相合成方法的研究开发正在快速发展。化学与生物化学、免疫学合作发展糖药物已成为一种趋势。

国家科学技术部惠永正研究员就中国糖生物学研究战略问题指出，应加强糖研究方法学上的研究，争取在糖链的测序与合成上有突破，鼓励物理、化学物理、化学家介入；其次，应重视中药、地方病的糖生物学研究。

二、细胞黏附和迁移过程中的糖链作用

北京医科大学周柔丽教授作了题为“糖链在细胞癌变与转移中的作用以及糖类抗癌的潜在价值”的评述报告。她首先分析了细胞生命活动的基本特征，指出细胞的生命活动分为两种：管家活动和社会活动。管家活动主要由磷酸化控制，而细胞的社会活动则由糖基化来调控。细胞的黏附和迁移是由糖链来调控的，糖链在细胞癌变和迁移中起重要作用。因此，糖链结构在癌症诊断及预防上有极高应用价值。最后，周柔丽指出，从抑制癌细胞增殖及转移相关糖链的生成、抗黏附和增强抗肿瘤免疫功能等方面用糖类或其衍生物抑制癌瘤的生长与转移已在动物实验中取得明显效果，未来用于人类肿瘤治疗有乐观的前景。

上海医大查锡良教授介绍了O—GlcNAc化蛋白研究的现状。O-GlcNAc化蛋白在真核细胞中分布较广泛，在核和胞浆中均存在。近年来发现在老年性痴呆患者脑中tua蛋白的O-GlcNAc化被磷酸取代；还发现O—G1cNAc可调节P53蛋白与DNA结合等。他指出，O-G1cNAc化的生理意义及其与磷酸化的关系尚待阐明，对O-G1cNAc化的研究已成为目前糖生物学研究的热点。

讨论中，陈惠黎指出应加强对糖链变化与肿瘤间关系的研究。周柔丽说糖与信号转导密不可分，糖不仅参与信号转导，而且启动信号转导。糖生物学研究应重视生命科学研究的整体性，从不同层次、不同侧面进行研究。中科院微生物研究所金城副研究员指出，糖链的生物学功能是参与识别和介导生命过程，糖链生物学功能的研究本身就是复杂而多样的。中国的肝癌患者占世界的40％，因此肝癌的糖生物学基础研究及肝癌的诊断和治疗方法的开发应该是一个重大命题。

军科院李松研究员提出糖生物学研究应注重对与疾病相关的糖链及其分子靶标的研究，为药物设计提供理论基础，如寻找糖链合成相关酶的抑制剂以作为潜在的药物。西安医科大学田梦玉教授则提出透明质酸在细胞外参与癌细胞的转移，透明质酸合酶抑制剂研究可能成为抗转移的药物；此外，病原体是通过糖介导感染宿主的，开展这一过程的基础研究将为抗感染药物的开发提供理论基础。

中科院生物物理所陈建文研究员说，在研究中发现用ConA处理N3蛋白后有构象变化，阴离子通道活性升高；致病支原体ConA结合蛋白(28KDa)多次传代后丢失而丧失致病性，认为引入糖生物学或糖化学研究，相信会有所发现。东北师大张翼伸教授指出，糖结合蛋白ConA与糖链结合后，老年痴呆病(CD)研究表明ConA的构象发生明显变化。上海医大顾建新教授说糖链对阴离子通道的影响可能是细胞存在的内源性凝集素与阴离子通道结合。中科院上海生化所王克夷研究员认为ConA与N3蛋白结合可能使N3蛋白的单体结合，形成完整的离子通道。他指出生物分子也有多样性，应该得到保护。

三、糖免疫学

大连医科大学朱正美教授在报告中评述了“糖免疫学中的某些进展”，指出糖免疫学主要研究寡糖在免疫机制中的作用、糖基化改变与疾病的关系以及新型糖治疗策略的发展等。她全面介绍了国际前沿和动态，指出：(1)寡糖分析新技术的发展促进了糖免疫学的研究深入，分析寡糖与多肽链间相互作用及观察其构象的动态变化已成为可能。(2)各型免疫球蛋白都有不同程度的糖基化。(3)糖基化自身免疫疾病密切相关。(4)一半的配子对于母体是‘非自我’，如何保护受精卵和胚胎免受母体免疫体系的排斥，对正常的生殖功能和维持种族繁衍均至关重要。

中科院生态环境中心孔繁祚研究员从寡糖类植物免疫系统激活剂、寡糖类植物生长调节剂和动物免疫寡糖的研究三个方面论述了“与植物和动物免疫有关的寡糖的结构、活性及其合成的研究”的进展情况，指出从真菌细胞壁多糖中分离到的高效植保素激活剂，是非常有应用前景的高效、无毒、无公害农药。另外，他还介绍了化学合成糖链方法的研究进展。

在讨论中，王克夷指出在动物体内参与免疫的还有糖识别蛋白凝集素，在植物中参与免疫的寡糖则称为寡糖素(Oligosaccharin)。金城认为目前寡糖素的研究多是以真菌和昆虫为对象，植物细菌病的危害也很大，也应对植物细菌病的糖生物学研究予以关注。军事医学科学院焦克芳研究员认为，孔繁祚对植物寡糖素合成研究取得的成果，如果能够继续扩展，并程序化(如多糖合成仪)，不仅具有明显的经济潜力，学术价值潜力也很高。这一发现为糖类具有自我编码能力的假说提供了实验依据。北京师范大学何忠效教授认为，糖生物学研究是在基因工程、蛋白质工程及糖链结构分析技术发展的基础上兴起的，在理论上有很大探索空间，在实践中应与生物学的其它相关分支学科合作。北京医科大学临床肿瘤医院许佐良研究员指出，细胞生物学研究必然涉及糖分子。另外蛋白表达后如何糖基化也是一个重要领域。糖的研究难度远远超过核酸和蛋白质的研究，因此，糖研究方法学应有所完善。

四、糖药物

王克夷讨论了“糖药物的发展趋向”，指出糖药物是一类以糖为基础的药物，包括糖类及很多可以与糖类、糖类相关的结合蛋白和酶相互作用的化合物。糖药物的作用位点是细胞表面，其特点是可作用于病理过程的第一步，而且不进入细胞，是副作用相对最小的药物；糖药物来源广，大多数是天然存在的化合物，可以和中草药开发相结合。在全面论述了按来源，机制和组成分类的糖药物类型后，分析了今后糖药物发展的4个趋向：(1)建立天然或合成的糖库用于药物筛选、从肽库或核酸库中筛选糖的模拟物及从海洋生物资源中寻找糖类药物。(2)多价糖药物的研究、利用糖类的识别功能开发导向定位药物及利用糖的保护作用提高药物在体内的寿命是药物改造的趋向。(3)对寡糖素和固氮共生中的糖的研究表明，作用于植物的“糖药物”也一定大有可为。(4)以结构或作用机制为基础的糖药物设计。

中医研究院吴志奎研究员在分析国内中医药研究的优势和存在问题时指出，多糖是中医药发挥独特疗效的重要物质基础。常用中药多达5000余种，多糖广泛存在于许多药材中。然而，我们在中医药多糖研究上仅限于一般分离和免疫药理研究，尚未重视对中药多糖活性寡糖的结构功能的研究。在中医药领域开展糖生物学研究必将加速中医药现代化进程。

中科院上海有机化学所田庚元研究员作了“分子识别与药物创新”的专题发言。他指出，糖链作为信息分子在细胞识别、细胞黏附等生命现象中扮演着重要角色，对糖链分子识别机制的研究是药物创新的基础。其次，中草药是我国创制新药的一个源泉。近20年来，我国对大量中草药来源的多糖及糖缀合物进行了研究，但存在几个问题应予重视：(1)用于实验药理学研究的中草药来源的糖多是粗制品，从分子水平上阐明它们的药理作用和作用机制受到很大限制。(2)不少多糖制剂已用于临床，但其化学结构不明确，质量难控制，药效重复性差。(3)多糖及糖缀合物的结构测定本身因分离纯化及研究技术的限制仍有很多困难。他还以牛漆多糖和枸杞子糖缀合物的研究为例说明糖生物学研究将使中药研究水平与国际接轨。

张翼伸根据多年的研究实践，提出：(1)研究多糖的结构功能关系，首先必须建立多糖结构测定的成套方法，而其中的难点在于对多糖的分离纯化。(2)中草药的特色之一是复方。既要研究纯化多糖的结构与功能，也应注意多糖混合后的变化，特别是构象的变化。(3)研究多糖应寻找活性中心寡糖。(4)要考虑其它因子如色素、蛋白、金属离子等对多糖构象及功能的影响。(5)对多糖进行化学修饰。与会专家学者就糖药物研究及中草药现代化与糖生物学研究间的关系问题展开了热烈讨论。中国医学科学院卢圣栋研究员说，在基因工程产品研究中会遇到表达多肽的免疫原性、半衰期、生物活性等问题，这些问题的产生都是由于在E.co1i中的表达不能产生糖基化所致。糖基化修饰和高效表达体系的研究是非常需要重视的课题。顾建新认为，昆虫细胞表达量至少是CHO细胞的l0倍，而昆虫细胞与动物细胞相比多了糖苷酶，因此可改造昆虫细胞，将糖苷酶基因knockout用于基因工程药物的生产。

金城提出在糖药物研究方面应注意：(1)糖库的建立可促进糖链结构功能研究，可从中找到新药。(2)抗感染糖药物不会像抗生素那样产生抗性，是抗感染药物开发的新途径。(3)FDA即将出台新的基因工程药物标准，规定基因工程药物的质量控制必须有糖基化指标。因此糖生物学家和从事基因工程、蛋白质工程研究的科学家都应介入糖生物学的研究。张翼伸认为中草药的复杂性表现在2个方面：其一，中草药成分复杂，糖只是一部分。其二，药材有地域性、季节性差别，地道药材的质量控制比较难。引进糖生物学研究不仅可解决中草药中多糖有效成分的作用机制，而且为中草药的质量控制提供依据。北京中医药大学钱家骏教授认为，目前面临的问题是缺乏临床机理研究，现代生物技术的介入成为中药现代化的关键。中草药成分复杂，合多糖、生物碱及皂甙等，研究中应注意对研究方法的完善。焦克芳指出，难治与不治之症均与糖有关，正是糖的保护作用所致；中草药上品基本都是糖及糖衍生物，此方面的研究大有可为。顾建新强调中药有效成分中含有大量多糖，其作用机制研究将能阐明治病机理。专家学者均认为中医药作用机理的糖生物学基础研究具有中国特色，在理论上会有突破，亦具有现实意义。

五、蛋白聚糖与疾病

预防医学科学院李玉瑞研究员论述了“蛋白聚糖在几种疾病中的变化”。她首先指出作为糖缀合物除糖蛋白、糖脂外，还有蛋白聚糖。随后概述了蛋白聚糖在糖尿病、风湿性关节炎等疾病患者体内的病理变化，提出应开展蛋白聚糖的糖理学研究。

田梦玉在“蛋白聚糖结构多样性与神经组织蛋白聚糖”的专题发言中指出，蛋白聚糖广泛存在于细胞外基质、细胞表面和细胞内，其功能主要有：细胞结构约束因素、维持或抑制细胞生长、具黏附和抗黏附作用、生物过滤器、促进血管形成、诱导神经轴突生长、在正常发育和病理条件下结合、贮存及向靶细胞释放生长因子和参与信号传导。蛋白聚糖结构复杂，对其结构的测定仍是难点，开展蛋白聚糖糖链合成及降解酶和糖链单抗的研究，不但可阐明其合成调控，也会为结构测定提供工具。开展蛋白聚糖的功能研究意义非常重大。

在讨论中，王克夷认为蛋白聚糖中GAG(糖胺聚糖)研究目前进展不大，主要是合成调控机制不明。朱正美指出我国将肝素作为原料出口，国外将肝素的活性寡糖分离后就大幅升值。因此应开展对蛋白聚糖中功能性寡糖的研究。医科院基础所许彩民副研究员指出，GPI蛋白是一种新发现的膜蛋白，参与膜蛋白转运、信息传递、细胞黏附、补体调节等，有许多生理功能。近年来又发现它与某些血液病、神经系统病及免疫疾病发病机制有关，另外许多微生物都有GPI蛋白。因此，GPI蛋白的研究是生物学和医学研究的热点，其基础研究将有助于揭示疾病机制。

六、糖链合成调控及其功能

顾建新回顾了对糖基转移酶研究的国内外进展，指出通过糖基转移酶基因knockout小鼠研究糖蛋白链的变化对动物整体的影响，显示了糖基转移酶除合成糖链外的其它功能，指出糖基转移酶研究的趋势：(1)构建一系列糖基转移酶缺损细胞株，用以研究糖基转移酶作用及糖链功能的模式细胞库；(2)改造昆虫细胞表达系统，改变其表达糖蛋白的糖链，用于表达糖蛋白；(3)糖基转移酶与癌症和肿瘤的关系；(4)糖基转移酶的表达调控及其生理意义等。

上海交大张惟杰教授从进化的角度讨论了糖基化的生物学意义，提出糖基化、乙酰化、甲基化同为蛋白质修饰的步骤，可以认为蛋白质糖基化经历了由单糖修饰到糖链修饰、修饰胞内蛋白到胞外蛋白、与磷酸化关联的单糖修饰到与磷酸化不关联的糖链修饰的进化过程。

在讨论中，王克夷认为，糖链的微不均一性所表现出的糖型在研究糖链功能中是一个重要因素，实验表明单拷贝基因产物的糖型多，而非单拷贝基因产物的糖型少，这可能是对基因表达调控的补充。周柔丽指出糖链在糖蛋白中并非仅表现为微调作用，有些肽类激素的糖链就起至关重要的作用。金城认为，对糖基转移酶及其表达调控的研究，从理论上可阐明糖链功能及调控，从应用上可解决基因工程药物的糖基化问题。陈惠黎也指出，要了解糖链的功能，还要研究糖基化与磷酸化、细胞周期的关系。张树政强调糖基转移酶是糖链的“母亲”，应是研究的重点。

焦克芳作了“糖类空间结构的计算机模拟研究(糖类结构特点与生命信息传递)”的专题发言。他指出，通过对囊多糖和巴戟天寡糖三维结构的计算机模拟研究发现了糖类三维结构的有限性，与此形成的强烈反差是糖链一维结构的多样性，由此提出一维结构的多样性和三维结构的有限性是糖链独具的结构特点。这一特点构成了作为信息分子的物质基础。随后，他论述了对糖类遗传及其对生命过程的影响的几点思考：(1)遗传问题不仅是先天的代、系遗传，也包括为适应不断变化的新环境，生命中的信息物质－糖类可能先发生变异，然后诱导、调控基因变异。(2)糖类遗传密码是什么?糖类可能还有自己的编码系统。(3)人们将会发现更多的、天然存在的糖类受体和糖类酶。他指出，始于100多年前的糖类研究远远落后于蛋白质和核酸研究，主要原因在于理论上简单化和方法上困难重重。热烈讨论中，查锡良指出，糖的结构生物学研究非常重要，对糖蛋白而言，蛋白与糖链相辅相成。至于糖的密码子可能来自多方面的信息，糖的研究从功能入手，最终要到结构上。金城指出，糖链三维结构的研究可作为蛋白质三维结构的研究“镜子”，即蛋白质三维结构可与该蛋白识别的糖链配体的三维结构相互印证来确定。清华大学周海梦教授谈到：(1)应重视糖链在蛋白折叠中的作用研究。(2)糖蛋白基因工程产品中糖基化影响蛋白质的折叠和构象也是重要领域。糖基化的调控研究难度大，但也是最有希望突破的领域，同时在研究中要关注方法学的研究。

七、抓住机遇，迎接挑战，发展我国的糖生物学及糖工程研究

执行主席陈惠黎首先简单回顾了几天来的会议情况，然后建议与会专家学者就我国未来糖生物学和糖工程研究发展的关键问题进行讨论。大家认为，应该抓住机遇，迎接挑战，选取突破口，积极开展糖生物学的研究。中国未来糖生物学研究应结合中国人口、健康及农业发展的基本理论问题来开展：

1．人口及优生优育：精卵识别、胚胎和神经发育过程中糖缀合物的作用。

2．中国的重要疾病：(1)常见恶性肿瘤和传染病发生、发展的分子机制的糖生物学研究；(2)神经系统疾病如A1zeimer、糖尿病、神经病变等发病机制中的糖缀合物问题。

3．药物研究：(1)中草药中多糖或糖蛋白中糖链的结构、功能、相互关系及作用机制；(2)寡糖药物(抗炎症、抗转移等)的结构分析、功能和作用机制及合成、改性；(3)免疫调节寡糖类药物和肿瘤疫苗；(4)基因工程肽类药物的糖基化问题；(5)糖链合成、加工酶抑制药物。寡糖类植物免疫激活剂和生长调节剂的作用机制及合成。

4．基础理论和方法：(1)糖基转移酶及其表达调控，糖基转移酶基因转染和knockout细胞株或动物的建立；(2)糖基化在细胞信号转导、代谢调节及基因调控中的作用；(3)糖链结构测定及合成的新方法。

会议执行主席张树政院士在最后发言中指出，虽然糖的研究目前进展非常快，但需要研究的问题也非常多，正如一位nobel奖获得者所说：科学上的每一个重大突破，都在打开另一个迷宫的大门!

细履平沙

糖研究领域的一些重要网址

http://glycob.oupjournals.org/
著名的糖生物学杂志的主页，可以免费申请三个月的试用。

http://www.glycoforum.gr.jp
日本的一个英文网站，主要关于糖生物学内容，比较全。

http://web.uct.ac.za/depts/cem/ccc/
一本电子书：Contemporary carbohydrate chemistry
在这里可以下载chm版
http://www.dxy.cn/bbs/post/view? ... bohydrate+chemistry

http://grtc.ucsd.edu/
美国某大学的一个糖生物学实验室

http://afmb.cnrs-mrs.fr/CAZY/index.html
CAZy数据库---Carbohydrate-Active enZYmes

http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/misc/glycp.html
IUPAC-IUB Joint Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN)
想知道糖生物学的术语一定要来这里！

http://www.whistlercenter.purdue.edu/
普度大学的一个糖研究实验室

http://216.218.176.63/
GlycoTech,一个研究糖的商业公司

http://www.casper.organ.su.se/sop/
Structural analysis of carbohydrates

http://www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc/
糖位点修饰预测

http://www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE/
O-GlycBase v6.00 ，糖位点修饰预测

http://glycoscience.sdu.edu.cn/index.htm
山东大学糖科学技术实验室

http://www.rcees.ac.cn/biotecn/yjjg_632.htm
中科院生态环境研究中心糖化学研究组



其他相关的网站：
http://www.elsevier.com/wps/find ... .cws_home/506062/de

scription#description
Biochimica et Biophysica Acta期刊的网页

http://www.bioch.ox.ac.uk/
牛津大学生物化学系的主页。他们的糖生物学研究是世界第一流的。

http://www.genome.jp/
日本基因组数据库，含有糖的数据库（http://www.genome.jp/kegg/glycan/）

http://biop.ox.ac.uk/www/top.html
牛津大学生物物理学实验室

http://www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/search/
一个营养学数据库的链接，糖是重要的营养物质。

topmit

楼主对糖生物学有兴趣？
真是内容挺多的，给上了一课！
可是通过发酵产糖，似乎做得很热，可是实质性东西少，我们课题都不愿把胞外多糖和胞内多糖列为头等子课题。