我們的日常生活與糖密切相關，在很多人眼裡，糖也是“愉悅”的代名詞。但是在科學家的眼裡，糖竟然是細胞的身份標籤。糖是一種什麼物質？為什麼要關注聚糖？大腦中居然也有糖的存在？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為北京大學化學與分子工程學院陳興演講實錄：
大家好,我是來自北京大學化學與分子工程學院的陳興。很榮幸能和大家聊一聊在我們實驗室，我跟我的同事還有學生所關注的“細胞中的糖”。
可能和很多人對糖的印象不太一樣，我們把糖看作是細胞的身份標籤。
這張圖上，放的是一個癌細胞，它是一個癌細胞熒光成像的圖。
這個熒光成像所展示的是這個癌細胞裡面和它表面上這些糖分子的分佈。
糖是一種什麼物質
在我介紹我們為什麼對癌細胞中的糖感興趣之前，我想先簡單地說一下糖是什麼樣的一種物質。
在我們每個人的日常生活中，接觸過各種各樣的糖，可能大家第一反應就是蔗糖。
這個圖片中是方糖，方糖的主要成分就是蔗糖。從化學的角度上看，蔗糖實際上是個非常簡單的二糖物質。
從化學結構上來看它是一個葡萄糖，再加上一個果糖，它們兩個連接在一起就形成了一個二糖的分子。
右下角的這個化學分子式展示了蔗糖的元素組成，你可以看到它是由12個碳原子再加上11個水分子。
你可以簡單地把它這樣拆分成碳、水組成地這樣一個化學物質，因為這樣，大部分的糖被稱為碳水化合物。各種各樣的糖果裡面含有很多糖類的物質。
我看到現場有很多小朋友，實際上，除了糖果之外，我們每一天吃飯攝入的米飯，是我們攝入碳水的一個最重要的來源。
除了米飯之外，其實蔬菜中也有各種各樣的含量不同的糖。
米飯裡面主要的成分是澱粉，澱粉是什麼呢？
澱粉就是由一個一個葡萄糖分子串在一起，形成的一個分子量非常大的高分子的物質。
所以，我們攝入米飯之後就可以得到很多很多葡萄糖。
那進入到體內後，葡萄糖幹什麼呢？
大部分的葡萄糖被用來為我們的機體活動提供能量，維持我們的生命活動。
可能大家更熟悉的是，我們在運動和減肥的過程中要燃燒脂肪，類似地，我們也是通過燃燒的方式把葡萄糖進行降解，然後為機體的生命活動來提供能量。
我這裡寫的這個數字95%，你一定會問，還有5%的葡萄糖去哪兒了？
實際上剩下的這些葡萄糖，就不再被降解了。它在細胞裡面，通過一系列的糖代謝和糖基化，各種各樣的生物化學反應，把它們串在一起。
有點像我剛才講的澱粉的例子，把葡萄糖串成澱粉的那個模式。
但是這個時候，它就不單單是葡萄糖，它有各種各樣不一樣的糖。
像右下角這個圖上所展示的就是一個細胞表面聚糖，一個方框、一個圓圈都是不同的單糖。
當你把這些單糖串在一起的時候，它就形成一個聚糖。細胞表面的這些聚糖就相當於包裹在細胞表面的一層糖衣一樣。
聚糖是細胞身份的標籤
我們為什麼要關注細胞表面的這些聚糖呢？
這些聚糖實際上成了細胞的身份的一種標籤。
細胞為什麼需要身份標籤？
我們知道細胞是組成生命體最重要的一個單元，以人類為例，我們體內需要多於200種的不同類型的細胞。
這些細胞長的不一樣，那麼它們的功能也不一樣。我們知道腦中有神經細胞、心臟中有心肌細胞，血管中有各種各樣的紅細胞、白細胞（免疫細胞）等等。
這些類型的細胞，發揮著各種各樣的功能，而這些細胞無一例外表面都含有一層聚糖。
可以舉這樣一個例子，通常在我們實驗室裡面會把這個細胞看成什麼呢？看成一個M&M豆。
右邊的這個圖是一個M&M豆的照片。你可以看到這個切面圖，它最中間部分是一個核，這個核是花生中間是一層巧克力。外面包裹著一層不同顏色，有藍的、有紅的、有黃的，這些是它的一層有甜味的糖。
最左邊是我們教科書裡面非常常見的一個細胞的剖面圖。
你也可以看到，它有一個藍色的細胞核，中間有個細胞質，外面包裹了一層細胞表面的細胞膜。
中間這個圖，我們剛才已經看到了實際上在細胞膜的上面有各種各樣聚糖所組成的這樣的一層，我們把它叫作糖被或者糖萼。
它實際上就是一層由各種聚糖所組成的一層緻密的一層結構。
糖生物學實際上,就是研究細胞中，這些聚糖是怎樣合成出來的，合成出來聚糖在細胞表面它怎樣介導細胞之間的相互連接通信，怎麼樣來介導這個細胞變成什麼樣的一種細胞。
中間這張圖是一個免疫細胞放到電子顯微鏡下面，可以看到中間黑色的就是它的細胞核，外面有一層細胞質以及它細胞表面。
我把它標記出來的，就是一層聚糖。細胞表面的聚糖實際上除了作為細胞表面的這個結構物質之外，它其實還蘊含了非常豐富的生命信息。
我們還可以做另外一個類比，我們把一個一個細胞看成一個球的話，就可以把它類比為一個一個星球，比如說地球。
我們可以知道，從太空中接近地球的時候，首先接觸到的並不直接是大地，接觸到的是覆蓋在地面上的森林。
森林由什麼組成呢？森林就是由各種各樣的樹木。
樹木上有不同的分支，這些聚糖就像樹木這些分支，它介導了細胞和其他的細胞的連接，控制了這個細胞的生命過程，讓它成為一種特定的細胞。
所以說，我們實驗室在做的事情，就想來讀取在細胞表面的這些聚糖所蘊含的生命信息。
在介紹我們實驗室的工作之前，我再來舉一個例子。我不知道大家知不知道自己的血型。
在體檢的時候，體檢報告裡面很重要的一個指標就是你是什麼血型的。
如果你是O型血，那麼在你的血細胞表面就含有這樣一個聚糖分子。
這個聚糖就是剛才講的，由三種不一樣的（圖形），正方形、圓圈、三角形，還有不一樣的顏色，三個不同的單糖組成。
如果你的細胞表面含有這三個糖連接在一起，就是O型血。還有的人是A型血。
這是怎麼回事呢？
它是在O型血的聚糖上面，再通過一步酶催化的糖基化反應接上了一個黃色的方框。那麼如果這樣一個由四個糖組成的聚糖在你的血細胞表面的話，你就是A型血。
我自己是B型血。對我來說，我接上的就不是這個方框，而是一個結構很類似，但是有細微差別的另外一個糖。
那麼這個半乳糖接上去之後，就變成了B型血的抗原。還有一部分人，他們在細胞表面同時具有A型血和B型血的抗原，那麼這個人就成了AB型血。
血型的配型，在臨床上對輸血是非常非常重要的。所以，細胞表面聚糖可以說決定了你的血細胞到底是哪一種血型的血細胞。
這個可以作為我剛才講的標題的一個例子，就是細胞表面的聚糖實際上是細胞的身份的一個標籤。
那麼類似的事情是不是還會發生在我們機體發生病變的過程中？實際上是這樣子的。
我們剛才講到了細胞就是M&M豆。我們可以把正常的細胞，看成是一個藍色的M&M豆。那它藍色的糖衣上面的糖組成，是一定的。我們需要這個細胞的糖，是正常的，是這個藍色糖衣的組分。
當細胞發生癌變的時候，很多年前糖生物學的研究就發現，細胞表面的這些糖會發生一些特異性的改變。
比如說糖變長了、變短了，數量變多了、變少了，在不同的癌症裡面會出現不同的改變。
出現這個改變之後，我們可以簡單地認為，癌細胞因為表面的糖基化的改變或者聚糖的改變，變成了一顆紅色的M&M豆。我們是不希望這細胞變成紅色的M&M豆。
或者反過來講，能不能來觀察這些細胞表面的糖是什麼樣子的？
簡單地說，就是看正常細胞有沒有變成紅色細胞的這個趨勢，或者它變成紅色之後，能不能通過改變它紅色的糖衣，把它變回到藍色的正常細胞。
這個是糖生物學領域，這幾十年來大家一直非常關注的一個問題。
實際上在生物學的研究中我們需要新的技術，需要交叉學科來幫助這些研究。
傳統遺傳學的方法或者分子生物學的方法，往往對糖的標記會受到很大的限制。其中一個原因就是我剛才介紹到的，糖的產生是一個代謝的過程。
那麼這個時候，我們實驗室或者做化學生物學的很多實驗室就希望通過化學的方法來解決這個問題。
我們來看一看，這個細胞中的糖除了提供能量之外，作為合成聚糖的原料，它是怎麼做到的。
我們細胞攝入葡萄糖和其他的單糖。各種各樣單糖會進入到非降解代謝的途徑，來生成各種各樣的building block，就是聚糖的基元。
這些就像磚頭一樣，來搭建細胞表面的這些聚糖。是通過細胞中一系列的生化反應，最後得到這些細胞表面的聚糖。
作為化學家，我們能做什麼？我們擅長做化學反應，那我們怎麼做呢？
我們先把這些糖，進行一個簡單的化學修飾，給它接上三個氮原子，就是疊氮（-N3）。這個小的化學官能團，就是三個氮原子接在一塊兒。
這個三個氮原子的官能團很小。小到什麼程度呢？
被修飾的這些糖，我們稱為非天然糖，但對這些細胞來說它分不出來。它以為就是原來的葡萄糖，就是原來的唾液酸。細胞就會把這些糖當作它需要的天然糖吃進去。
那你可以想象，最後這些細胞得到的，就是帶了一些疊氮基團的這些聚糖鏈。
這個疊氮基團可以幹什麼呢？我們有一種很特殊的化學反應，叫生物正交反應。
這個反應能夠在生命體中非常特異地、不干擾生命的正常活動地情況下，把這個疊氮衍生成另外一個化學鍵。
有這個化學鍵之後，我們就可以通過這個反應接上一個綠色的熒光團。這個反應其中一類叫click反應（點擊化學）。
利用這樣的反應，簡單地說就可以對我們想要看到的這一類的聚糖，用一個非天然糖和一個化學反應，接上綠色的熒光團。
那麼，在右邊的這個圖裡就可以看到，我們在培養的細胞裡面，哪一個細胞表面綠的信號多了，就說明我們所關注的聚糖，它的水平就高了。可以看到，它分佈在細胞的什麼地方。
同樣，我們可以用一個小鼠的腫瘤模型，來看看在腫瘤生長過程中，我們關注的一類糖，這個叫唾液酸。
唾液酸也是一種單糖，它比葡萄糖稍微複雜一點點。含了唾液酸的聚糖，我們通過這個實驗就可以發現，它在腫瘤生長的早期、中期和後期，它的水平是越來越高的。
我們後來的研究還發現，就這些腫瘤細胞是利用這些唾液酸，讓它來逃逸免疫系統對它的攻擊。
也就是說我們正常細胞含有很多唾液酸，腫瘤細胞就加上很多唾液酸，這樣你就認不出來我是一個腫瘤細胞，免疫系統對它的清除就變弱了。
腦中的“糖密碼”
再舉一個例子，我們實驗室還在關注什麼？關注腦子中的糖是怎麼回事
左邊這個圖，非常有意思的一個數據，就是我們的腦子只佔我們成人體重的2%，但是它卻消耗我們攝入的葡萄糖總量的20%。
這兩個數字一比較就說明，人腦是一個耗能非常非常高的器官。同樣地，95%供能、5%或者更少一點用來合成這些聚糖，腦子中聚糖的含量就會特別特別高。
這個現象，實際上在經典的糖生物學裡面也是關注到的。無非就是，我們現在想要做的事情就是利用我們這些化學方法。
像這個右上角所示的這個方法，通過代謝的方法和一個化學反應，我們就可以看到在右下角中間這一排腦子中不同的腦區，含唾液酸的這些糖在不同腦區的分佈，是不一樣的。
那我們現在在研究什麼呢？
比如說神經細胞正在連接，這些糖是怎麼樣起到一些介導的作用？
在神經退行性疾病裡面，它的糖基化會不會發生改變？
我們能不能利用這些糖基化的改變對神經退行性疾病的機理，做出一些探索，對它的治療提供一些新的思路？
新冠病毒的“糖衣”
最後一個例子，大家最近可能對新冠病毒關注非常多。我剛才講到了一句話，就是說所有的細胞無一例外，表面都有聚糖。實際上這也包括了細菌，也包括病毒。
我們大家知道流感病毒，研究得很清楚，它表面的糖基化，對疫苗的保護
產生影響，會來阻礙抗體的進攻。非常非常的重要。
那最近的研究發現，新冠病毒表面結合宿主蛋白的S蛋白，右圖所示，它結合在我們細胞的ACE2，這個receptor（受體）上面。
這兩個蛋白實際上都含有非常多的糖基化。很多實驗室，包括我們實驗室，目前都在研究這些糖基化是如何來介導這些相互作用，它跟新冠病毒的侵染以及今後疫苗的效果有沒有關係。這些都是值得探索的一些問題。
我要感謝我們課題組的同學、同事。我剛才介紹到的我們組的幾個例子，都是我們過去幾年利用化學的方法所研究的內容。
最後，還要再次感謝陳嘉庚科學獎基金會對我們實驗室工作的肯定和鼓勵。再次感謝大家。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。
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