什么是人类糖？科学家如何解锁糖代码

当你想到糖时，你可能会想到用来制作饼干或加糖咖啡的甜，白，结晶食糖。但是你知道吗？在我们体内，简单的糖分子可以连接在一起，形成强大的结构，最近发现它们与健康问题有关，包括癌症，衰老和自身免疫性疾病。

这些覆盖我们每个细胞的长糖链被称为聚糖，根据美国国家科学院的数据，创建一个位置和结构的地图将引领我们进入现代医学的新时代。这是因为人体糖 - 我们体内的整个糖类 - 容纳了尚未被发现的聚糖，有可能帮助医生诊断和治疗他们的病人。

由于2003年人类基因组计划的完成引起了全世界的关注，大多数人都听说过DNA，基因组学甚至蛋白质组学 - 蛋白质的研究。但是对聚糖的研究，也称为糖组学，比其他领域落后了大约20年。这种滞后的一个原因是科学家们还没有开发出快速识别聚糖结构及其在人体细胞上的附着位点的工具。 “糖衣”有点神秘。

到现在为止。

虽然大多数实验室专注于细胞或分子研究，但我们的实验室致力于开发技术，以快速表征聚糖结构及其附着位点。我们的最终目标是将数十万种糖及其位置分类在各种细胞类型上，然后使用这些信息为每个人量身定制医学疗法。

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我们为什么关心聚糖？

将来，对个体聚糖的分析很可能会用于预测我们患类风湿性关节炎，癌症甚至食物过敏等疾病的风险。这是因为糖组变化可以特定地与特定疾病状态相关联。此外，衰老等生物过程与我们的糖组中的炎症有关。如果逆转这些变化有助于预防疾病，甚至延缓衰老，这仍有待检验 - 这是一种有趣的可能性。

与DNA，蛋白质和脂肪一起，聚糖是生命必需的四大主要大分子之一。在这四种中，聚糖是我们细胞表现的最终仲裁者。

DNA协调我们的样子，思考和行为的能力，甚至决定我们最容易受到影响的疾病。在我们的DNA中是短片段，基因，通常包含如何合成蛋白质的说明。反过来，蛋白质是细胞的“主力”，具有生命所必需的许多功能。

然而，蛋白质的行为通常取决于与其连接的聚糖。换句话说，这些糖分子可以极大地影响我们的蛋白质的工作方式，甚至可以影响我们的细胞对刺激的反应。例如，如果您更改细胞外部的一些聚糖，它可能会触发该细胞迁移到我们体内的不同位置。

聚糖的主要作用是改变位于细胞表面的蛋白质和脂肪。它们一起在细胞周围形成厚厚的糖衣。如果我们认为细胞的表面是土壤，那么聚糖将是奇妙多样的植物生命和叶子，它们会发芽并为细胞带来颜色和特性。事实上，如果你能用肉眼看到一个细胞，它看起来会非常模糊。想象一下桃子的绒毛多10倍。

Glycans标记我们自己的细胞并将它们识别为“自我”

细胞周围的绒毛是它的聚糖涂层。聚糖作为我们细胞的外部，是大多数细胞相互作用的第一个接触点，从而影响我们的细胞彼此之间的交流。您还可以将聚糖视为独特的细胞“条形码”。因此，肾细胞的模糊看起来与免疫细胞的模糊不同。但也有相似之处。事实上，调查我们的身体寻找病原体的免疫细胞知道不会攻击我们自己的“自身”细胞，因为聚糖“条形码”的共同特征是我们身体的所有细胞共有的。

相比之下，疟疾等细菌和寄生虫具有不同的“糖衣”，这在人体细胞中是看不到的。当细菌糖被标记为“外来的”时，一个人的免疫系统将细菌作为目标进行破坏。然而，一些有害的细菌病原体，如B组链球菌，通常会导致婴儿严重感染，可以通过携带类似聚糖作为伪装冒充人体细胞来避免免疫检测 - 就像穿着羊皮的狼一样。

不幸的是，一些病原体也能够使用我们的聚糖来帮助它们引起疾病。像艾滋病毒和埃博拉病毒这样的致命病毒已经进化为抓住特定的聚糖，然后当它们感染我们的人体细胞时它们会“锁定”。阻止这些病毒与我们的聚糖相互作用或攻击病毒特异性聚糖的疗法可能是治疗这些感染的新途径。

新研究还表明，聚糖在类风湿性关节炎和自身免疫性胰腺炎等自身免疫性疾病的发展中发挥着重要作用。这并不奇怪，因为聚糖直接影响免疫细胞的功能。

通常，我们的免疫细胞充当我们身体的“防御系统”，并识别和摧毁外来入侵者，如有害细菌或病毒。但是，当身体错误地将我们自己的细胞标记为敌人并对其自身发动内部攻击时，自身免疫就会诞生。有趣的是，在这种情况下，存在于行为不端的自攻抗体上的聚糖将决定对身体的攻击强度。这种异常的免疫反应甚至可以针对聚糖。例如，免疫系统可以将“自身”聚糖误认为是“外来”分子。我们的研究小组最近发表了一篇文章，介绍了自身免疫的聚糖理论，该理论解释了其中的一些关系。

我们食物中的聚糖可以触发免疫反应

有许多研究将红肉的消费与动脉粥样硬化和糖尿病等疾病联系起来，但他们直到最近才能说明为什么或如何发生这种疾病。一项有趣的研究表明，罪魁祸首是一种名称笨拙的糖，非人唾液酸N-羟乙酰神经氨酸，简称Neu5Gc。 Neu5Gc存在于除人类以外的所有哺乳动物中，因为可以使Neu5Gc的早期人类死于古老的疟疾寄生虫。

然而，虽然我们现在缺乏生产Neu5Gc的能力，但是如果我们通过吃红肉来获得它，我们的身体仍然能够将它掺入我们细胞中的聚糖中。一旦它成为我们细胞的聚糖涂层的一部分，我们的细胞就会有一种“外来”物质 - Neu5Gc--围绕它们。这可以引发全身炎症，因为我们的免疫系统将Neu5Gc识别为“外来”并攻击它。这些内部攻击引起的慢性炎症可导致心脏病发作，中风，甚至癌症。

我们的身体合成了数万种独特的聚糖，通常具有由简单的糖结构单元形成的分支结构。蛋白质或脂肪也可以被许多独特的聚糖修饰。这些无数的组合使聚糖聚糖成为一项艰巨的任务，因为我们需要一种实用而有效的方法来分析数十万种聚糖模式。

我们的研究团队现已开发出快速，稳健地监测人体糖分的方法。通过利用工程改进和样品处理的改进，我们的技术可以同时监测数千种聚糖，这使我们能够表征来自健康对照和患有各种不同疾病的患者的细胞中的聚糖。我们的目标是利用这些数据开发预测模型，帮助临床医生诊断和治疗所有人类疾病。我们相信，当我们解开“糖代码”时，新的医疗进步浪潮将会到来。

Jenny Wang是本文的共同主要作者。

本文最初发表于Emanual Maverakis，Carlito Lebrilla和Jenny Wang的The Conversation。阅读原文。