我们的日常生活与糖密切相关，在很多人眼里，糖也是“愉悦”的代名词。但是在科学家的眼里，糖竟然是细胞的身份标签。糖是一种什么物质？为什么要关注聚糖？大脑中居然也有糖的存在？
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为北京大学化学与分子工程学院陈兴演讲实录：
大家好,我是来自北京大学化学与分子工程学院的陈兴。很荣幸能和大家聊一聊在我们实验室，我跟我的同事还有学生所关注的“细胞中的糖”。
可能和很多人对糖的印象不太一样，我们把糖看作是细胞的身份标签。
这张图上，放的是一个癌细胞，它是一个癌细胞荧光成像的图。
这个荧光成像所展示的是这个癌细胞里面和它表面上这些糖分子的分布。
糖是一种什么物质
在我介绍我们为什么对癌细胞中的糖感兴趣之前，我想先简单地说一下糖是什么样的一种物质。
在我们每个人的日常生活中，接触过各种各样的糖，可能大家第一反应就是蔗糖。
这个图片中是方糖，方糖的主要成分就是蔗糖。从化学的角度上看，蔗糖实际上是个非常简单的二糖物质。
从化学结构上来看它是一个葡萄糖，再加上一个果糖，它们两个连接在一起就形成了一个二糖的分子。
右下角的这个化学分子式展示了蔗糖的元素组成，你可以看到它是由12个碳原子再加上11个水分子。
你可以简单地把它这样拆分成碳、水组成地这样一个化学物质，因为这样，大部分的糖被称为碳水化合物。各种各样的糖果里面含有很多糖类的物质。
我看到现场有很多小朋友，实际上，除了糖果之外，我们每一天吃饭摄入的米饭，是我们摄入碳水的一个最重要的来源。
除了米饭之外，其实蔬菜中也有各种各样的含量不同的糖。
米饭里面主要的成分是淀粉，淀粉是什么呢？
淀粉就是由一个一个葡萄糖分子串在一起，形成的一个分子量非常大的高分子的物质。
所以，我们摄入米饭之后就可以得到很多很多葡萄糖。
那进入到体内后，葡萄糖干什么呢？
大部分的葡萄糖被用来为我们的机体活动提供能量，维持我们的生命活动。
可能大家更熟悉的是，我们在运动和减肥的过程中要燃烧脂肪，类似地，我们也是通过燃烧的方式把葡萄糖进行降解，然后为机体的生命活动来提供能量。
我这里写的这个数字95%，你一定会问，还有5%的葡萄糖去哪儿了？
实际上剩下的这些葡萄糖，就不再被降解了。它在细胞里面，通过一系列的糖代谢和糖基化，各种各样的生物化学反应，把它们串在一起。
有点像我刚才讲的淀粉的例子，把葡萄糖串成淀粉的那个模式。
但是这个时候，它就不单单是葡萄糖，它有各种各样不一样的糖。
像右下角这个图上所展示的就是一个细胞表面聚糖，一个方框、一个圆圈都是不同的单糖。
当你把这些单糖串在一起的时候，它就形成一个聚糖。细胞表面的这些聚糖就相当于包裹在细胞表面的一层糖衣一样。
聚糖是细胞身份的标签
我们为什么要关注细胞表面的这些聚糖呢？
这些聚糖实际上成了细胞的身份的一种标签。
细胞为什么需要身份标签？
我们知道细胞是组成生命体最重要的一个单元，以人类为例，我们体内需要多于200种的不同类型的细胞。
这些细胞长的不一样，那么它们的功能也不一样。我们知道脑中有神经细胞、心脏中有心肌细胞，血管中有各种各样的红细胞、白细胞（免疫细胞）等等。
这些类型的细胞，发挥着各种各样的功能，而这些细胞无一例外表面都含有一层聚糖。
可以举这样一个例子，通常在我们实验室里面会把这个细胞看成什么呢？看成一个M&M豆。
右边的这个图是一个M&M豆的照片。你可以看到这个切面图，它最中间部分是一个核，这个核是花生中间是一层巧克力。外面包裹着一层不同颜色，有蓝的、有红的、有黄的，这些是它的一层有甜味的糖。
最左边是我们教科书里面非常常见的一个细胞的剖面图。
你也可以看到，它有一个蓝色的细胞核，中间有个细胞质，外面包裹了一层细胞表面的细胞膜。
中间这个图，我们刚才已经看到了实际上在细胞膜的上面有各种各样聚糖所组成的这样的一层，我们把它叫作糖被或者糖萼。
它实际上就是一层由各种聚糖所组成的一层致密的一层结构。
糖生物学实际上,就是研究细胞中，这些聚糖是怎样合成出来的，合成出来聚糖在细胞表面它怎样介导细胞之间的相互连接通信，怎么样来介导这个细胞变成什么样的一种细胞。
中间这张图是一个免疫细胞放到电子显微镜下面，可以看到中间黑色的就是它的细胞核，外面有一层细胞质以及它细胞表面。
我把它标记出来的，就是一层聚糖。细胞表面的聚糖实际上除了作为细胞表面的这个结构物质之外，它其实还蕴含了非常丰富的生命信息。
我们还可以做另外一个类比，我们把一个一个细胞看成一个球的话，就可以把它类比为一个一个星球，比如说地球。
我们可以知道，从太空中接近地球的时候，首先接触到的并不直接是大地，接触到的是覆盖在地面上的森林。
森林由什么组成呢？森林就是由各种各样的树木。
树木上有不同的分支，这些聚糖就像树木这些分支，它介导了细胞和其他的细胞的连接，控制了这个细胞的生命过程，让它成为一种特定的细胞。
所以说，我们实验室在做的事情，就想来读取在细胞表面的这些聚糖所蕴含的生命信息。
在介绍我们实验室的工作之前，我再来举一个例子。我不知道大家知不知道自己的血型。
在体检的时候，体检报告里面很重要的一个指标就是你是什么血型的。
如果你是O型血，那么在你的血细胞表面就含有这样一个聚糖分子。
这个聚糖就是刚才讲的，由三种不一样的（图形），正方形、圆圈、三角形，还有不一样的颜色，三个不同的单糖组成。
如果你的细胞表面含有这三个糖连接在一起，就是O型血。还有的人是A型血。
这是怎么回事呢？
它是在O型血的聚糖上面，再通过一步酶催化的糖基化反应接上了一个黄色的方框。那么如果这样一个由四个糖组成的聚糖在你的血细胞表面的话，你就是A型血。
我自己是B型血。对我来说，我接上的就不是这个方框，而是一个结构很类似，但是有细微差别的另外一个糖。
那么这个半乳糖接上去之后，就变成了B型血的抗原。还有一部分人，他们在细胞表面同时具有A型血和B型血的抗原，那么这个人就成了AB型血。
血型的配型，在临床上对输血是非常非常重要的。所以，细胞表面聚糖可以说决定了你的血细胞到底是哪一种血型的血细胞。
这个可以作为我刚才讲的标题的一个例子，就是细胞表面的聚糖实际上是细胞的身份的一个标签。
那么类似的事情是不是还会发生在我们机体发生病变的过程中？实际上是这样子的。
我们刚才讲到了细胞就是M&M豆。我们可以把正常的细胞，看成是一个蓝色的M&M豆。那它蓝色的糖衣上面的糖组成，是一定的。我们需要这个细胞的糖，是正常的，是这个蓝色糖衣的组分。
当细胞发生癌变的时候，很多年前糖生物学的研究就发现，细胞表面的这些糖会发生一些特异性的改变。
比如说糖变长了、变短了，数量变多了、变少了，在不同的癌症里面会出现不同的改变。
出现这个改变之后，我们可以简单地认为，癌细胞因为表面的糖基化的改变或者聚糖的改变，变成了一颗红色的M&M豆。我们是不希望这细胞变成红色的M&M豆。
或者反过来讲，能不能来观察这些细胞表面的糖是什么样子的？
简单地说，就是看正常细胞有没有变成红色细胞的这个趋势，或者它变成红色之后，能不能通过改变它红色的糖衣，把它变回到蓝色的正常细胞。
这个是糖生物学领域，这几十年来大家一直非常关注的一个问题。
实际上在生物学的研究中我们需要新的技术，需要交叉学科来帮助这些研究。
传统遗传学的方法或者分子生物学的方法，往往对糖的标记会受到很大的限制。其中一个原因就是我刚才介绍到的，糖的产生是一个代谢的过程。
那么这个时候，我们实验室或者做化学生物学的很多实验室就希望通过化学的方法来解决这个问题。
我们来看一看，这个细胞中的糖除了提供能量之外，作为合成聚糖的原料，它是怎么做到的。
我们细胞摄入葡萄糖和其他的单糖。各种各样单糖会进入到非降解代谢的途径，来生成各种各样的building block，就是聚糖的基元。
这些就像砖头一样，来搭建细胞表面的这些聚糖。是通过细胞中一系列的生化反应，最后得到这些细胞表面的聚糖。
作为化学家，我们能做什么？我们擅长做化学反应，那我们怎么做呢？
我们先把这些糖，进行一个简单的化学修饰，给它接上三个氮原子，就是叠氮（-N3）。这个小的化学官能团，就是三个氮原子接在一块儿。
这个三个氮原子的官能团很小。小到什么程度呢？
被修饰的这些糖，我们称为非天然糖，但对这些细胞来说它分不出来。它以为就是原来的葡萄糖，就是原来的唾液酸。细胞就会把这些糖当作它需要的天然糖吃进去。
那你可以想象，最后这些细胞得到的，就是带了一些叠氮基团的这些聚糖链。
这个叠氮基团可以干什么呢？我们有一种很特殊的化学反应，叫生物正交反应。
这个反应能够在生命体中非常特异地、不干扰生命的正常活动地情况下，把这个叠氮衍生成另外一个化学键。
有这个化学键之后，我们就可以通过这个反应接上一个绿色的荧光团。这个反应其中一类叫click反应（点击化学）。
利用这样的反应，简单地说就可以对我们想要看到的这一类的聚糖，用一个非天然糖和一个化学反应，接上绿色的荧光团。
那么，在右边的这个图里就可以看到，我们在培养的细胞里面，哪一个细胞表面绿的信号多了，就说明我们所关注的聚糖，它的水平就高了。可以看到，它分布在细胞的什么地方。
同样，我们可以用一个小鼠的肿瘤模型，来看看在肿瘤生长过程中，我们关注的一类糖，这个叫唾液酸。
唾液酸也是一种单糖，它比葡萄糖稍微复杂一点点。含了唾液酸的聚糖，我们通过这个实验就可以发现，它在肿瘤生长的早期、中期和后期，它的水平是越来越高的。
我们后来的研究还发现，就这些肿瘤细胞是利用这些唾液酸，让它来逃逸免疫系统对它的攻击。
也就是说我们正常细胞含有很多唾液酸，肿瘤细胞就加上很多唾液酸，这样你就认不出来我是一个肿瘤细胞，免疫系统对它的清除就变弱了。
脑中的“糖密码”
再举一个例子，我们实验室还在关注什么？关注脑子中的糖是怎么回事
左边这个图，非常有意思的一个数据，就是我们的脑子只占我们成人体重的2%，但是它却消耗我们摄入的葡萄糖总量的20%。
这两个数字一比较就说明，人脑是一个耗能非常非常高的器官。同样地，95%供能、5%或者更少一点用来合成这些聚糖，脑子中聚糖的含量就会特别特别高。
这个现象，实际上在经典的糖生物学里面也是关注到的。无非就是，我们现在想要做的事情就是利用我们这些化学方法。
像这个右上角所示的这个方法，通过代谢的方法和一个化学反应，我们就可以看到在右下角中间这一排脑子中不同的脑区，含唾液酸的这些糖在不同脑区的分布，是不一样的。
那我们现在在研究什么呢？
比如说神经细胞正在连接，这些糖是怎么样起到一些介导的作用？
在神经退行性疾病里面，它的糖基化会不会发生改变？
我们能不能利用这些糖基化的改变对神经退行性疾病的机理，做出一些探索，对它的治疗提供一些新的思路？
新冠病毒的“糖衣”
最后一个例子，大家最近可能对新冠病毒关注非常多。我刚才讲到了一句话，就是说所有的细胞无一例外，表面都有聚糖。实际上这也包括了细菌，也包括病毒。
我们大家知道流感病毒，研究得很清楚，它表面的糖基化，对疫苗的保护
产生影响，会来阻碍抗体的进攻。非常非常的重要。
那最近的研究发现，新冠病毒表面结合宿主蛋白的S蛋白，右图所示，它结合在我们细胞的ACE2，这个receptor（受体）上面。
这两个蛋白实际上都含有非常多的糖基化。很多实验室，包括我们实验室，目前都在研究这些糖基化是如何来介导这些相互作用，它跟新冠病毒的侵染以及今后疫苗的效果有没有关系。这些都是值得探索的一些问题。
我要感谢我们课题组的同学、同事。我刚才介绍到的我们组的几个例子，都是我们过去几年利用化学的方法所研究的内容。
最后，还要再次感谢陈嘉庚科学奖基金会对我们实验室工作的肯定和鼓励。再次感谢大家。
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