聚糖會為細胞提供一種天然保護

2021-01-07 冥維空間

教科書當中細胞插圖經常是一個光滑的外殼,就像充滿水的氣球一樣,可是實際上細胞的表面更像是長滿了樹枝的灌木叢,那些枝條就是「糖」這類複雜多變的碳水化合物,由於這些突出的「樹冠」才是細胞向外界展示的面孔,所以這些複雜的碳水化合物或「聚糖」,在與其他細胞或分子的相遇以及相互作用中起著至關重要的作用。

圖解:上——動物細胞 下——植物細胞

「聚糖」的複雜形態

隨著科普人員對聚糖結構與功能的持續研究,對病原體、疫苗以及新型療法式有了更深入的了解,現在新冠病毒的大流行給這個問題帶來了緊迫性。「聚糖」的知識可能對戰勝新冠病毒病毒至關重要,關於病毒「聚糖」的第1個詳細模型,模型將會指出病原體的潛在漏洞,相較於基因組和蛋白質組「糖組學」的複雜性,使得它的研究更加困難,DNA、RNA和蛋白質都是由明確的規則構建出的線性分子,擁有對其測序分析或者編輯等工具,但是「聚糖」是在沒有模板的情況下組裝出來分叉的結構,比如說兩個相同的蛋白質上的相同位點,可能被非常不同結構的聚糖所佔據,聚糖還具有比DNA或者蛋白質更多的潛在構性,例如三種不同的核苷酸可以形成6個不同的DNA序列,3個胺基酸可以形成6個獨特的肽段,而3個聚糖結構單元可以形成1000多種結構,「聚糖」的複雜形態幾乎是不可預測的,其結果是單一的「糖生物學領域」下面就已經擁有了眾多的分支學科,這些碳水化合物在生物學當中得到了越來越廣泛的重視,所有的糖樹脂不僅僅是令人賞心悅目的聖誕樹,還是房屋結構當中最關鍵的元素。

「聚糖」有助於穩定蛋白質,確保其正確的摺疊,作為細胞表面的受體,它們能調節細胞的功能和運動參與從生長因子信號傳導到精子卵子的結合過程,它們能確定一個人的血型,它們與心血管疾病、糖尿病等均有相關,它們在體內扮演著各種各樣的關鍵角色,而我們對其組成以及存在位置的了解才剛剛開始,如果不考慮糖就無法完全的理解蛋白質和細胞之間的相互作用與功能,就像你如果只認識拼音表的一部分,就不能讀懂這篇文章。

「糖生物學」的興起要得益於人類免疫學的進展

「聚糖」有助於激活運輸和調節免疫細胞,某些免疫細胞可以識別人類和非人類之間的糖,因此它們可以對後者產生反應,或者在存在前者時停止下來,細菌和病毒已經發展到能夠利用這個事實,病原體在與宿主相互作用中的所有步驟都會使用到「聚糖」,它們因此通過液態水得以潛入宿主細胞傳播到不同的目標組織,逃避免疫系統誘發炎症,最終導致疾病的產生。然而直到人們弄清免疫缺陷——「愛滋病」之後,科研人員才開始建立起這樣的聯繫,愛滋病毒工作奠定了基礎,人們學到了很多關於聚糖的知識,特別是在指導有效疫苗和治療方案的開發方面,現在如果你去參加「愛滋病毒疫苗」會議,基本上你就是一個高級的糖生物學,因為每個愛滋疫苗研究者在設計時都會首先想到糖的問題。

這主要是因為愛滋病的病毒利用隱蔽在人類「聚糖」中的策略矇騙宿主細胞的運行,這些糖完全覆蓋了病毒的全身,它的工作蛋白質量的一半都是碳水化合物,這樣就允許它們結合併侵入人體細胞的表面蛋白,這種所謂的聚糖防護罩把病毒偽裝成了人體自身,使得它們對於人體免疫系統能夠隱身,就像是披著羊皮的狼,研究人員開始注意到愛滋病病毒被如此多的劇場所覆蓋,以至於它們幾乎處在過度保護狀態,糖的密度太高了,讓它不能像人類「聚糖」一樣對所有的糖脂進行化學裝飾,故此病毒上的某些「聚糖」是一些不成熟的塊,其保留的化學形式較為原始,這些原始的巨糖塊既對愛滋病的成功至關重要,同時也是它們關鍵的弱點,通過「聚糖」提供給循環免疫細胞,病毒被帶到淋巴結,在那裡它可以感染作為其主要標靶的體細胞,但是幾年之後在大約1/3的慢性感染患者體中,免疫系統開始把這些聚糖識別為「衣元體」,並且能產生出抵抗的抗體,實際上當發現第1個此類抗體時,它居然能夠識別出愛滋病上特定的「聚糖組」,抗體通常只針對蛋白質起作用而不針對糖。因為糖是由人類細胞製造的,追蹤它們會導致自身的免疫反應,這就意味著糖非常的不可能作為抗體的標靶,這是根深蒂固由來已久的信念,無法得到糖抗體,這就是為什麼會把愛滋病毒覆蓋著的糖表面稱為「沉默表面」。

圖解:愛滋病病毒簡稱——HIV

聚糖的多種形態表現

聚糖——盾牌防護層目前已經鑑定出越來越多的糖抗體,它們中的許多進化為能夠識別蛋白質和聚糖的某些組合,其他的一些則已經進化出可以阻止聚糖接近其蛋白質標靶的能力,糖正在打造各種各樣的廣泛綜合抗體,疫苗可能必須得包含聚糖,才能刺激免疫系統抵抗愛滋病,那些只對裸露的病毒蛋白其反應的疫苗無法有效抵抗真正的病毒,因為聚糖可以輕鬆地把蛋白隱藏在聚糖盾牌之後。

濃密的聚糖防護層同樣可以保護流感病毒聚糖,不僅可以將流感病毒屏蔽在免疫系統之外,還可以幫助流感成為滑溜多變的免疫標地,病毒很容易在沒有糖的地方添加糖,使以前有效的抗體失去能力,但是它們也以其他重要的方式依賴於聚糖,當將流感病毒插入宿主細胞時,流感病毒會附著在宿主的聚糖上,正是糖的樣式決定了病毒感染的組織以及物種的類型,比如說當禽流感病毒的突變毒株跳入人類宿主時,通常是因為病毒與某些聚糖的相互作用發生了改變,畢竟能夠保護人類免受禽流感感染的聚糖和前者相比只有細微的差別。流感病毒還依賴於一種酶,這種酶可以切斷聚糖,使其逃脫宿主細胞並且擴散到全身,集中有效的流感抗病毒藥物都可以抑制這些酶。

圖解:聚糖結構示意圖

細菌也利用聚糖在人體當中化妝有些細菌把自己包裹在糖膠囊之中,以模仿人類的聚糖,至於聚糖的疫苗,已經證明能對它們有效,其他的病原體則到處散落聚糖,以此來誘騙免疫系統的錯誤活力幾種自身免疫性疾病,比如說「格林巴利」綜合症就源於入侵者的聚糖觸發的抗體,然後再與健康的人體組織發生交叉反應。

黃媂結語·注意力放在了冠狀病毒的聚糖上,以更好地了解流行病的工作原理

冠狀病毒用來結合人細胞的刺突蛋白被聚糖屏蔽層所覆蓋,但是這個密度比愛滋病病毒和許多其他的病毒要低,而且這些聚糖位點似乎並沒有流感病毒那樣的突變程度,這表明抗體可能是對抗冠狀病毒有成功工具,儘管聚糖保護著病毒蛋白的某些區域,但是這種保護是不完整的,保護之下有足夠多的空洞,這是聚糖還在起著另外的作用,目前正在建立模型,以誘導那些可能的功能,其範圍從保持病毒蛋白的穩定到幫助其與感染細胞結合。一種潛在治療方法其中就包含聚糖,將蛋白質和聚糖組合的為屏蔽區域,確定為易受攻擊的目標。

據悉目前臨床實驗當中的冠狀病毒疫苗似乎都是基於DNA或者RNA的,每當面對這樣的全新病毒時,就必須對所有的可能性擴大研究範圍,研究者正在收集數千名先前曾被分析過聚糖的個人的冠狀病毒數據,以確定糖模型是否可以幫助預測感染風險或出現嚴重症狀的可能性,把這種方法應用在評估可能引發包括癌症在內的其他疾病的可能數值。這正是我們戰勝了基因組學和蛋白組學挑戰之後的下一個關鍵領域。

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