糖是一類由碳 (C) 、氫 (H) 和氧 (O) 組成的天然有機化合物，常常被歸類為碳水化合物。在結構上，這些分子同時含有多個羥基 (—OH) 以及一個醛基 (—CHO) 或酮基 (C=O) ，因此糖也被稱為多羥基醛或多羥基酮及其衍生物。

簡單的糖結構稱為單糖，如我們熟知的葡萄糖、果糖等，它們是糖類的基本單元，在生命體中既是能量來源，也是許多生物分子的原料。

圖 1. 單糖結構示意圖。

當兩個單糖通過糖苷鍵連接在一起時，就形成了二糖，常見的例子包括蔗糖、乳糖和麥芽糖等。

圖 2. 二糖結構示意圖。

大量的單糖通過類似方式反復連接起來，就構成了多糖，例如淀粉、纖維素和糖原等。

圖 3. 多糖結構示意圖。

多種多樣的糖除了提供能量外，還具有結構性生理學功能。比如纖維素、甲殼素都是葡萄糖通過 β-1,4- 糖苷鍵連接得到的線性多糖，分子內(nèi)和分子間氫鍵使其內(nèi)部形成高度有序的微纖絲結構，給整體結構帶來堅固的機械支撐力。

纖維素作為植物細胞壁的主要成分，為植物體提供結構支撐。

圖 4. 植物的等級結構^[1]。

甲殼素作為構成甲殼類動物外骨骼的主要多糖，為甲殼動物提供保護和剛性支撐^[2]。

圖 5. 蝦源甲殼素納米纖維^[3]。

此外，細胞表面存在一層高度動態(tài)且結構復雜的糖類富集層，稱為糖萼 (Glycocalyx) 。糖萼是由細胞膜表面的蛋白質或脂質發(fā)生 N- 糖基化/O- 糖基化修飾后形成的糖綴合物聚集層，是細胞與外界環(huán)境進行物質交換、信號識別與免疫應答的重要分子界面，甚至可以作為細胞的身份信息特征^[4]。細胞表面的糖綴合物還可以直接影響受體構象、配體結合及信號級聯(lián)等關鍵生物過程。

圖 6. 細胞表面糖萼在藥物進入和通過內(nèi)皮中的作用^[5]。

 糖萼哪來的？

——其形成是來源于生命體內(nèi)最常見、也最關鍵的翻譯后修飾之一：糖基化！

糖基化是指在糖基轉移酶催化下，單糖或糖鏈通過糖苷鍵與蛋白質、脂質、RNA 等生物大分子結合的過程。這一過程主要在內(nèi)質網(wǎng)和高爾基體兩個細胞器內(nèi)發(fā)生，蛋白質經(jīng)糖基化修飾后形成糖蛋白，其結構和功能都可能受到影響。

糖基化可分為兩大主要類型：N- 糖基化和O- 糖基化。

二者異同

• N- 糖基化發(fā)生在天冬氨酸 (Asn) 殘基上，預先組裝的核心寡糖結構在新生肽鏈進入內(nèi)質網(wǎng)后被寡糖轉移酶轉移到蛋白上，內(nèi)質網(wǎng)對糖蛋白進行初步加工后將其運輸至高爾基體修建完成修飾過程，N- 糖鏈的結構相對固定，主要可以分為高甘露糖型、復合型和雜合型。

• O- 糖基化發(fā)生在絲氨酸 (Ser) 或蘇氨酸 (Thr) 殘基上，直接在高爾基體中將單糖逐個轉移到蛋白中加工，并在此基礎上延伸和修飾糖鏈，O- 糖鏈的結構沒有相對固定的結構范式，因此預測和研究難度較大。

前文已經(jīng)提到，糖基化的本質是一種酶促反應，因此負責催化這一過程的兩類酶——糖基轉移酶 (GlycosylTransferases, GTs) 和糖苷酶 (Glycoside Hydrolases, GHs) ——是糖生物學中重要的研究對象。

• 糖基轉移酶：負責將糖從供體底物轉移至受體來催化糖苷鍵合成。

圖 8. 糖基轉移酶催化糖基轉移至受體，形成糖苷鍵^[6]。

• 糖苷酶：執(zhí)行相反的功能，通過水解已經(jīng)形成的糖苷鍵來拆解糖綴合結構，還在細胞內(nèi)部糖鏈加工、質量控制和能量代謝等過程中發(fā)揮關鍵作用。

圖 9. 內(nèi)切糖苷酶 (Endo-α) 識別寡糖的內(nèi)部結構，酶切寡糖的共有基序得到對應寡糖分子。

言歸正傳！糖基化是生命過程中最重要的翻譯后修飾調控之一。在真核生物中有超 50% 的蛋白質會發(fā)生糖基化修飾，而人類基因組中有至少 1% 的基因參與到聚糖的合成、代謝等生理過程。

糖基化參與到細胞-細胞間信號識別、細胞黏附、內(nèi)吞及胞吐、清除細胞異物等重要的生理過程中，蛋白質的糖基化會顯著影響蛋白質的折疊、空間定位、穩(wěn)定性和功能，改變蛋白質的三維構象和表面性質，使其在細胞內(nèi)部或細胞間發(fā)揮特定的生物學作用。

圖 10. 糖基化的細胞生物學功能^[7]。

廣泛存在的糖基化修飾對蛋白質功能和細胞行為有深遠的影響，由此帶來異常糖基化與多種疾病的密切關聯(lián)。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，糖基化異?？赡芨蓴_神經(jīng)元間的信號交流。腫瘤細胞也常表現(xiàn)出異常的糖基化模式，例如整體唾液酸化水平升高，這會改變細胞間黏附和信號識別，有助于腫瘤細胞的遷移和侵襲性表型的增強。

目前，臨床上已開發(fā)出一系列糖類抗原 (Carbohydrate antigens) 作為腫瘤標志物用于輔助診斷和病情監(jiān)測。例如，CA15-3 常用于乳腺癌的輔助監(jiān)測；CA19-9 則在胰腺癌及部分胃腸道腫瘤中常顯著升高，被用于輔助診斷和療效監(jiān)測。

 嘗一嘗？NO！

對糖進行精確的檢測分析需要上設備！

游離的單糖、多糖可以通過常規(guī)的化學比色法、LC-MS、NMR 等手段進行定性定量檢測。而在生物體內(nèi)，面對復雜糖基化修飾后形成的糖鏈，則需要專門的識別和分析策略。

一種常用且靈敏的工具是凝集素 (lectins) ——這是一類天然存在的碳水化合物結合蛋白，能夠特異性識別特定的糖鏈結構。

凝集素的糖識別域 (CRD) 可以可逆性地結合具有特定終端殘基的糖鏈，例如甘露糖、巖藻糖或唾液酸等。基于這種特異性識別，將熒光團、生物素等標簽偶聯(lián)到凝集素分子上，就可以實現(xiàn)對特定結構糖鏈的檢測、定位和富集。

圖 11. 凝集素及對應識別糖鏈示意圖^[8]。

這一策略在糖組學分析、糖修飾蛋白的分離鑒定以及細胞表面糖結構的表征中得到了廣泛應用。

除了作為檢測工具外，糖鏈與凝集素之間的特異性結合還被用于靶向遞藥。將 GalNAc 作為配體共價偶聯(lián)到 siRNA 或反義核酸 (ASO) 藥物分子上，可以顯著提高這些藥物的肝臟靶向性，使其通過 ASGPR 介導的途徑特異性進入肝細胞。這一策略已成為目前成熟、臨床驗證最多的小核酸藥物遞送技術之一。例如，多款 GalNAc-siRNA 藥物 (如 Givosiran、Lumasiran 和 Inclisiran 等) 已經(jīng)獲批上市，覆蓋遺傳性代謝病和心血管疾病等適應癥。

凝集素檢測的缺點是無法檢測活細胞的動態(tài)糖基化過程，而糖鏈代謝標記技術則是通過點擊化學的手段，基于細胞自身糖代謝途徑對糖鏈進行功能化修飾和活細胞可視化。

通過將帶有特殊報告基團 (如疊氮基或炔基) 的非天然糖前體添加到細胞培養(yǎng)體系中，這些非天然糖分子可被細胞的糖代謝與糖基化酶系統(tǒng)識別并整合進糖鏈中。隨后，這些被摻入的報告基團可與相應的探針發(fā)生生物正交反應，實現(xiàn)對糖鏈的原位標記、可視化檢測或富集分析。這樣的生物正交反應具有高度化學選擇性且不會干擾細胞其他生物過程，因此適合在活細胞甚至活體條件下開展動態(tài)糖基化研究。

圖 12. 糖鏈代謝標記示意圖^[9]。

上述兩種方法雖然可以實現(xiàn)對糖鏈的原位活體表征，卻無法明確指出究竟是哪些蛋白在哪些位點發(fā)生了糖基化修飾，以及這些位點上糖鏈的具體結構，這就限制了對糖基化功能的精細化解析。于是！促使糖組學 (glycomics) 迅速成為糖生物學研究中的核心方向之一。

糖組學技術結合高分辨率質譜 (MS) 與高效液相色譜(HPLC)等分離檢測方法，通過樣品前處理來釋放、標記、分離和富集糖鏈，對其進行定性、定量及結構解析。通過解析不同糖型、連接方式和修飾結構，使研究者不僅能看見糖鏈存在，還能知道它們的具體組成和相對豐度，為理解糖基化在生理與病理狀態(tài)中的作用提供了精細化工具。

糖鏈的檢測還可以作為臨床診斷輔助試劑，2024 年基于糖組學技術和糖鏈標志物檢測的肝癌輔助診斷試劑盒潔太司^®獲 NMPA 批準上市，可以對患者血清中的糖蛋白糖鏈進行檢測，評估早期和極早期肝癌風險。

圖 13. 基于質譜的糖組學分析流程圖^[10]。

隨著高分辨率質譜、液相色譜、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術的融合，糖組學和糖基化研究正快速向精細化、動態(tài)化和臨床化方向邁進。糖鏈結構的精準解析將在疾病早期診斷、個性化治療和靶向藥物開發(fā)中發(fā)揮更大作用，而基于糖代碼 (glyco-code) 的免疫調控、糖工程細胞療法等新興方向也正在成為轉化醫(yī)學的新熱點。糖生物學不僅會繼續(xù)深化我們對生命機制的理解，而且有望成為精準醫(yī)學、合成生物學和下一代生物材料等領域的重要推動力量，開啟“糖代碼"在健康與疾病管理中的全新應用篇章。

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