互动科普

撰文／Thomas Maeder

（原文：Sweet Medicine. pp24-31. July2002）

糖生物技术所取得的成功例子：Aranesp是常见的治疗贫血症的药品在经过技术改进后开发出来的新一代产品，这种新药在市场上已经出售了将近一年。添加在原来药分子上的两个糖链使Aranesp在人体内滞留的时间更长，药效更佳。

糖在许多细胞功能和疾病中扮演着重要的角色。虽然科学家对糖的研究要比基因与蛋白质研究晚一些，但大家对这一领域的关注已经开始升温。糖研究将会开创药物理疗的新纪元。

自从人类基因组密码被破解之后，科学家已经将注意力从基因组研究转移到蛋白质组（由人体细胞内的基因遗传模板而组成的完整蛋白质组合）研究上来了。据媒体报道，蛋白质在人体内完成大多数任务，对它们活动行为的了解，可以帮助科学家拓展研究各种疾病治疗方案的思路。然而，体内的活细胞远比基因和蛋白质要多。其他的两类主要分子——碳水化合物（包括单糖和多糖）和脂类（脂肪）——在人体中也起着重要的作用。如果科学家打算真正了解人体这台“复杂机器”是如何运转、如何“纠错”的话，上述的这些物质就必须考虑在内。

糖在人体内尤为重要，它们执行大量的任务。以前，糖主要被当作产生能量的分子（葡萄糖和糖原）和人体结构的组成元素，但现在人们都知道糖可以在细胞表面与蛋白质和脂肪结合。如果是这样的话，糖也会影响到细胞之间相互的信息传递、机体的免疫功能、各种感染体诱发疾病的能力以及癌症的发展情况。糖还可以帮助识别细胞之间的区分以及指引运动细胞在人体内的流动方向。这样的糖分子无所不在，以至于一种细胞在其他细胞或免疫系统面前都是以糖衣包裹的方式出现的。

认识到糖在人类的健康和疾病中所扮演的重要角色后，越来越多来自学术界和生物技术产业的研究人员开始加倍努力，以求了解糖的详细结构和活动性能，并将这些发现转变成新的理疗药剂。这些具有创新精神的研究人员也得到了美国联邦政府的大力支持。2001年10月美国国立卫生研究院为功能糖组协会（Consortium for Functional Glycomics）提供了一项连续五年、总额为3400万美元的“glue”基金。这个协会由来自世界各地的54位研究员组成，旨在协调和促进这一领域的研究，例如，建立合成糖链的资料馆和具有利用价值的结构数据库。协会的主要调研员一一美国加利福尼亚拉霍亚Scripps研究所的James C. Paulsin说，这项基金是对这个领域投的一张“信任票”。

清除路障

协会名称中的“功能糖组”一词是在向世人宣布，此项研究在人类基因和蛋白分类上下了很大的功夫，并破解了它们的功能密码，为生物应用学开辟了新的天地。术语“糖”（glyc0miCS）来源于“糖生物学”（glycobiology），是由牛津大学的RaymondA．Dwek于1988年最先提出的。那时碳水化合物研究被说成是寡聚糖（oligosaccharides）_一糖链——的科学。当时有许多科学家都无法将这个专业词的音发准，更不要说前来参加面试的外行人了。在化学专业中，前缀“glyco”是甜或糖的意思。

我们经常会遇到这样的情况：碳水化合物研究人员脱口而出的专业术语令许多行外的观察家倍感困惑。科学家经常把糖（如由许多碳原子、氧原子和氢原子组成的葡萄糖和蔗糖）被称为单糖、双糖等，这主要是根据它们内含的糖单位的多少而定。“寡聚糖”主要是指较长的糖链，而真正的大分子糖则称作“多聚糖”。成对的碳水化合物与蛋白质和脂肪形成的分子被称为“复合糖”，或者更专业化的称为“糖蛋白”和“糖脂”，也就是“101糖”（Sugar101）。

过去科学家并不是因为缺乏兴趣而忽略对糖的研究。只是由于缺乏破解糖复杂变体的结构以及合成大量药品研究所需要的糖分子的具体工具和方法，科学家也只能一筹莫展。

问题的根源主要来自于糖特殊的结构变化。组成DNA的4个核苷酸与形成蛋白质的20种普通氨基酸，像一条绳子上的串珠一样连接在一起，不时还有其他具有相同性质的化学连接加入进来。相较而言，（根据某人的计算）哺乳动物体内的碳水化合物中普遍存在大约10个单糖，它们可以在许多不同的位点与另外的单糖相结合而形成复杂的分支结构。而且相连接的两个单糖方向时常不一致：有时其中一个相对于另一个方向向上或向下。DNA“序列表”中的4个核苷酸可以自由组合形成256种四联结构（four-unit structure），蛋白质中的20种氨基酸可以产生1. 6万种四联结构的构想。但是对于人体内最简单的糖来讲，理论上可以组成1500万种四种成分构成的排列。虽然在自然界中，并非所有的组合都会出现，但出现的可能性仍然是无法估量的。

复合糖的组分序列确定和合成工作仍然具有挑战性，但是科学家已经研究出巧妙的方法，使这些任务更容易完成（见上页图内容）。分子测序技术和生物信息技术（将顺序引入大量的序列数据的计算方法）的发展将有利于糖学研究，这个领域的进步可能会比基因学所取得的进步更大。

精益求精

糖所起的最简单作用是，如果能很好的了解并控制它，就可以提高目前的治疗水平。肝素是外科手术过程中防止血栓形成的抗凝血剂糖链，这也是最明显的例子。肝素是世界上最流行的药品之一，20世纪30年代中期就开始使用了。大多商业制造的肝素都是从猪的肠子里提炼出来的，具有异源性，而且是由长度在200~q250个单糖单位之间的复合糖组成的混合物。肝素的药效以及产生副作用的可能性因不同厂家的差异而有所不同，而且各个批次之间也不尽相同，所以必须批批进行检查。

今天制药商出售的肝素外型小、分子量低，而且去除了药品活性不需要的成分，所以副作用比以前减轻了许多。如果将较大的分子用于生产，制药厂就很难生产出同源性的大批量肝素。2000年，麻省理工学院的Ram Sasisekharen及同事利用他们设计的仪器破译了肝素完整活性位点的序列，这个活性位点负责整个复合物的生物活动。这一信息正在指导研究员合成更可靠的低分子量肝素，并根据具体的应用范围选择不同的药品特性。

随着对糖知识的逐渐掌握，利用重组DNA技术而产生的蛋白质的有效性也同样有了提高。为了有效的发挥作用，某些治疗性蛋白必须在特殊的位点被专一性的糖黏附。现在的技术还无法完成这样的任务。服用重组的促红细胞生成素可以刺激贫血病患者或正在进行肾移植的病人体内产生大量的红细胞。多年以前，一家名为Amgen的公司由于糖基化不完全的原因而被迫丢弃了80%生产出来的药品，因为这种药品在血液中会很快被清除掉。之后该公司找到了一种方法，在正常促红细胞生成素上增加两种额外的糖。这种新上市的药品名称为Aranesp，在血液中滞留的时间比先前的药品更长，所需要服用的剂量也比以前少了许多。

除了提高现有药品的功效之外，药品开发商也在研究糖的新用途，针对不同紊乱疾病开发具有创新性的治疗方案。有时，这些治疗方案中可能含有糖或复合糖；有时则含有影响糖和其他分子间相互作用（包括与控制糖携带分子的合成和分解的酶一生物催化剂——发生的相互作用）的分子。

防止感染

许多研究者将感染性疾病作为研究对象，而且在对这类疾病的治疗中，含糖的药品研究已经取得了戏剧股的成功。非常典型的例子就是流感嗜血杆菌（Hib）疫苗。这种疫苗将许多患者从Hib引发的致命脑膜炎中解救了出来。通过将来自细菌内的一种糖呈现在免疫系统面前，疫苗可以激活免疫系统，并迅速消灭进入体内的微生物。早期的药品中只包含Hib的一个糖链，药效甚微。但是，高效复合糖药剂将糖连接到能够促发免疫反应的蛋白上，这种药剂自上世纪80年代后期以来就一直在使用。其他针对感染性疾病的复合糖疫苗正在研究中，包括针对住院患者预防难以治愈的金黄色葡萄球菌感染的疫苗。

各种引起疾病的有机体或病原体利用碳水化合物来识别宿主细胞并与之发生相互作用。然而，无论是现有的药品还是有待批准的药品都是利用糖或糖的仿制品来阻止这样的作用。例如，流感病毒进入细胞后，立刻与细胞表面糖蛋白上突出的糖（唾液酸）相结合而发生感染。病毒黏附到糖上，本质上讲就是打开了细胞的“大门”，从而使病毒穿透细胞并在细胞内复制。当新生的病毒从细胞中芽殖出来的时候，它们被相同的糖滞留，因此必须分泌唾液酸苷酶切断糖，这样病毒才能被释放出来。目前上市的两种药品Tamiflu和Relenza通过紧紧与酶的活性位点结合而缩短流感的感染时间，从而阻止了病毒与唾液酸的相互作用。随着唾液酸苷酶的滞留，病毒难以继续传播，也无法感染其他细胞。

在流感的病例中，药品基本上是与糖在竞争，看谁先与酶相结合并抑制其活动，这种现象称为竞争性抑制（competitive inhibition）。这种竞争性抑制通过缺陷糖的合成物，也可以治疗其他的感染性疾病。值得一提的是，引起胃溃疡和感染的细菌Helicobacter pylori通过黏附到胃壁细胞表面的糖而进入人体。引起致死性腹泻流行病的细菌Shigella dysenteriae可以产生与肠道细胞上的糖相结合的毒素。研究人员在实验室进行测试时，将作为诱饵的糖类似物结合到H．Pylorihe或S．Dysenteriae毒素上来阻止它们与细胞结合，发现这种糖类似物药效不错。

研究人员正在寻找一种相似的治疗方案来对付由革兰氏阴性细菌（细菌根据对特异染色的反应不同而被分为革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌）引起的败血性休克（循环系统中出现的一种经常性的致命休克）。由于抗生素治疗使细菌发生反应并死亡，从而释放一种糖脂（A脂），使其进入血液中并引起严重的感染性反应，这时就会引发休克。使用无法激活强免疫反应的A脂类似物来扮演诱饵的角色，让免疫系统的细胞远离体内真正的A脂，从而减少或消除休克。研究人员有充分的理由确信，这样的类似物也可以限制细菌复制并产生A脂。

几乎所有的感染性疾病都是由细菌、病毒、真菌或寄生虫引起的。但在许多脑功能紊乱疾病中（如Creutzfelst-]akob疾病——疯牛病的亲缘性疾病），称为“朊病毒蛋白”的错误折叠蛋白被认为是感染体。伦敦圣玛丽医院的John Collinge所做的一项研究表明，朊病毒之所以难以对付的原因与蛋白不恰当的糖基化有关，这种糖基化对酶的降解产生抗性。彻底解读糖的具体功能可能对找到这些神秘感染的治疗方法大有帮助。

恢复平衡

糖药品在治疗许多非感染性疾病的过程中也起到了重要的作用，过度发炎是这类疾病的主要特征。在受伤或被感染后，血管内皮细胞会出现大量结合有碳水化合物的蛋白，这些蛋白被称为选择素。内皮细胞松散地与免疫系统中循环的白细胞表面的特有碳水化合物相结合，这种碳水化合物被称为唾液酸Lewis X。像是一个乒乓球从魔鬼沾（Velcro）条带上滚过一样，白细胞沿着血管壁向前滚动，滚动速度非常缓慢以便穿过血管壁进入受伤组织，将受伤部位包围起来。这种反应对于保护身体健康来说是非常重要的，但是如果反应缓慢或过度也会引起疾病。对唾液酸Lewis X与选择素相互作用形成干扰的物质正作为具有潜在药效的抗感染药而处于研发之中。

研究人员正在研究与糖相关的治疗方案来攻克癌症。例如，恶性细胞时常在细胞表面呈现出有缺陷或异常的糖。由此，研究人员打算将这类糖用在治疗性疫苗中，从而使疫苗可以诱导免疫反应识别和破坏带有这类糖的癌细胞。

麻省理工学院的Sasisekharan研究小组对小鼠所做的试验表明，硫酸乙酰肝素（在正常细胞和恶性细胞中发现的糖）可以根据细胞酶切割这类糖的情况来增强或限制癌细胞的生长。这个发现（通过给人体提供缓慢生长的糖片段或能够引起癌细胞自身产生大量所需的健康糖片段的物质）给癌症治疗研究带来了新的曙光。

癌症一般通过转移而最终使人死亡。恶性细胞从肿瘤中扩散出来后，穿过结缔组织进入血液。然后沿血管（淋巴）逐步接近远端组织，并离开循环系统产生新的肿瘤。促使这种转移的其中一类分子是被称为galectin-3的糖结合蛋白，这种物质通过参与新生血管形成（angio-genesis）来促进转移，并帮助肿瘤细胞干扰指导其自杀的信号。波士顿一家Glyco Genesys生物技术公司正在进行一项取自柑橘类植物胶质的碳水化合物临床试验，这种碳水化合物可以结合到galectin-3上并区分肿瘤细胞。这个试验“不能沿着转移路线黏附到糖目标上，不能形成新的血管，但允许实施自我破坏程序。”

细胞需要通过完成一系列步骤来产生复合糖。在这个过程中，会有多种酶添加或除去糖基团。之后，溶酶体中的酶切断糖脂，糖蛋白就不再起作用了。患有一些令人头痛的疾病（包括Gauche和Tau-Sach疾病）时，只要体内有一种溶酶体酶或其它类型的酶出现缺陷，就会导致身体中的糖脂出现具有破坏性的增加。某些紊乱症患者（如Gaucher症患者）在服用正常酶的情况下，病情得到缓解，这种酶经过修饰而呈现出针对特殊细胞类型的糖。在Gaucher症治疗中，甘露糖将降解糖脂的酶引向巨噬细胞，这种细胞对酶的缺失十分敏感。

然而，酶治疗的费用非常昂贵。由于酶是蛋白质，如果口服的话，经过消化系统时就被分解了，所以必须通过静脉注射的方式进入人体。而且酶不能穿过血液进入大脑，所以也无法阻止大脑中神经细胞所受的损害。因此，研究人员试图通过其他途径来限制这类疾病中出现的糖脂积累，例如，主要通过提供小化合物（如糖类似物）来抑制参与糖脂合成的酶，从而减少在原发位置上糖脂的含量。位于英国艾宾顿的Oxford Glyco-Sciences公司开发了一种可以口服的新药，经过临床试验表明，这种药可以治疗Gaucher病；美国食品与药品管理局目前正在审查这家公司的临床试验数据。

如果缺少进行移植的人体器官，糖组学研究人员可能会对利用猪体器官进行人体移植进行大胆探索。这种不同种族间的移植或异体移植存在的障碍是，猪的组织中存在人体组织中没有的糖。这种糖通过人体的免疫反应诱导出能够破坏移植器官的快速反应。理论上，可以通过几种方式来克服这个障碍，其中包括提供作为诱饵的糖类似物和通过基因工程改变猪的基因，使猪体内的酶不能产生攻击性的糖。

碳水化合物药品（尤其是完全由糖制成的药品）的发展面临着几个严重的问题。消化系统一般将糖作为食物来消化，所以糖必须被包裹住以避免被降解和破坏。在血液中，糖也被酶分解，因为碳水化合物经常松散地与多个位点结合而不是紧紧地与少数几个位点结合来发挥作用的，而且血液中需要大量的碳水化合物。然而，所有这些困难都是可以被克服的。人们逐渐认识到糖在人体中所起的作用，随着糖的测序和处理技术不断提高，这个领域的研究将为医学治疗开辟一个全新的空间。

Thomas Maeder是美国宾夕法尼亚州的科普作家。

[李兆忠／译赵辉／校] 

参考文献

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917; October 2

Consortiurn for Functional genornics:htt//glycomics .Scripps.edu