糖组学分析

糖组学技术研究内容

糖类物质与蛋白质、脂类和核酸一样,是组成细胞的重要成分,从分子生物学的研究知道,糖类物质不但是细胞能量的主要来源,而且在细胞的构建、细胞的生物合成和细胞生命活动的调控中,均扮演着重要的角色。与基因组学和蛋白质组学研究相比,糖组学的研究还处于起步阶段。阻碍糖组学迅速发展的主要是研究技术的限制和糖类物质本身结构的复杂性 且难以找到其规律性。在所有的生物体内,基因是由四种核苷酸构成的,因此所有生物的基因组可以用同样的方式表达。不同生物体内的蛋白质组各不相同,但这些蛋白的序列还可以由基因组推断。而不同生物体的糖组无法统一,更无法由基因组推测。

糖链的结构具有多样性、复杂性和微观不均一性,其一级结构的内容不仅包括糖基的排列顺序,还包括各糖基的环化形式、各糖基本身异头体的构型、各糖基间的连接方式以及分支结构的位点和分支糖链的结构。糖链结构的复杂性给其结构表征带来了巨大的困难,目前要解决的问题仍然以方法学研究为主;另外,人们已经认识到,生物体内的糖链、特别是功能性糖链的合成过程,往往在蛋白质合成的同时在内质网上进行,其合成速度不仅与基因表达有关,也与催化糖链形成的糖基转移酶和糖苷酶的活性有关;由此合成的糖链存在着明显的种间特异性、组织特异性和发育特异性,因此天然糖链结构的研究重点目前主要放在了对催化糖链形成的糖酶及其基因的研究方面;糖链特别是糖蛋白糖链的功能多种多样,如从空间上调节蛋白质的空间结构、正确折叠、保护多肽链不被蛋白酶水解、防止与抗体识别、细胞内定位、抗原性、细胞 - 细胞黏附和结合病原体等;在糖脂中人们已经证明了血型的决定物质是糖链,在神经组织及大脑中更是存在大量的糖脂,但其生理意义仍了解不多。细胞表面糖蛋白和糖脂上的糖链是信息功能的承担者,发挥着细胞 - 细胞和细胞 - 胞外基质信息传递的作用。近年来的研究表明:糖链作为信息分子涉及多细胞生命的全部空间和时间过程,如精卵识别、组织器官形态形成和老化以及癌症等疾病的发生。

糖组学是从分析和破解一个生物或一个细胞全部糖类物质所含信息的角度入手,研究糖类物质的分子结构、表达调控、功能多样性以及糖类物质与疾病之间关系的科学。在这里首先要指出糖组 (Glycome) 和糖组学 (Glycomics ) 是两个不同的概念。糖组的研究只是了解一个生物体在某一时期或某一情况下所具有的整套糖链。为什么在这种情况下产生这样一套糖组?在这种情况下,生物体是怎样产生这样一套糖组的?这套糖组又有什么功能?这些功能又是怎样得以完成的?糖组学研究的内容正是为了回答这些问题。仅仅研究糖组不能了解糖组各组分是如何产生的以及它们的生物学意义,因此进行糖组学研究时,要考虑糖链产生和糖链作用的对象,即考虑同一生物体(细胞)中糖酶(糖基化转移酶、糖苷酶和磺基转移酶)和糖结合蛋白及与其相关基因在不同情况下的表达调控。就是要将糖组学研究与有关基因组学和蛋白质组学研究内容结合起来。糖组学研究内容涉及解析糖蛋白和糖脂上的糖组,了解哪些糖类基因(糖基化转移酶、糖苷酶和磺基转移酶基因)编码糖链和糖类基因 (Glycogenes) 如何调控糖链的合成以及糖基化通路,鉴定蛋白质的糖基化位点及每个位点上的糖链结构,研究与这些糖链相互作用的糖结合蛋白 (Glycan-binding proteins) ,分析糖类基因、糖蛋白糖链和与糖结合蛋白相互作用的关联性以及建立糖组学生物信息数据库。

 

糖组学研究技术

从 21 世纪初糖组学在国际上启动以来的短短几年时间里,糖组学研究已经取得了多项成果,尤其是在糖类基因的发现和糖链新结构的阐明等方面。虽然糖组学研究在这些领域取得了显著的成绩,但在糖类基因和糖链之间以及糖链与糖结合蛋白质之间存在着大量的未知 中间环节,并普遍缺少对结构和功能之间关系的详尽研究。由于上述领域不仅涉及到糖组学本身的进展,而且直接关系到蛋白质组计划的进程,因而已成为生命科学发展的一大瓶颈。

在糖组学发展过程中,分析技术的进步始终是直接的推动力。正是由于现代仪器分析技术的突飞猛进和广泛应用才最终导致了糖组学研究的全面繁荣,为包括糖组学在内的许多学科的发展注入了新的活力。

 

糖组学技术服务平台主要涉及本实验室发明和已经成功应用的糖组学新技术和新方法,主要涉及以下关键技术和方法 :

( 1 )糖基因芯片技术

用于研究疾病相关糖类基因(糖基化转移酶、糖苷酶和磺基转移酶基因)的表达和调控糖链的合成。

【 Hanjie Yu, Minzhi Zhu, Yannan Qin, Yaogang Zhong, Hua Yan, Qi Wang, Huijie Bian, Zheng Li. Analysis of glycan-related genes expression and glycan profiles in mice with liver fibrosis. Journal of Proteome Research. 2012, 11 (11), 5277-85 】

【陈闻天 , 刘晨 , 于汉杰,颜桦,王岸潇,陈超,李铮 . 糖类相关基因芯片的设计与制备 . 中国科学B辑 . 2010 , 40(5): 538-45 】

( 2 )凝集素芯片技术

凝集素芯片技术研究糖蛋白糖链谱的变化。

【 Yannan Qin, Yaogang Zhong, Liuyi Dang, Minzhi Zhu, Hanjie Yu, Wentian Chen, Jihong Cui, Huijie Bian, Zheng Li Alteration protein glycosylation in human hepatic stellate cells activated with transforming growth factor-β1 . Journal of Proteomics . 2012, 75 ( 13 ): 4114–23 . ( IF5.07 ) 】

( 3 )凝集素组织化学技术

凝集素组织化学技术不但可更好的验证凝集素芯片结果,而且能定位各凝集 素识别糖链在组织或细胞中的分布及含量。

【 Yannan Qin, Yaogang Zhong, Liuyi Dang, Minzhi Zhu, Hanjie Yu, Wentian Chen, Jihong Cui, Huijie Bian, Zheng Li . Alteration of protein glycosylation in human hepatic stellate cells activated with transforming growth factor-β1 . Journal of Proteomics . 2012, 75 ( 13 ): 4114–23 . ( IF5.07 ) 】

( 4 )糖蛋白 / 糖肽分离纯化技术

基于磁性微粒的凝集素分离纯化糖蛋白技术对糖蛋白及其上糖链进行分离纯化;酰肼化学分离纯化糖蛋白 / 糖肽技术分析糖蛋白及其糖基化位点;亲水亲和分离技术应用于 N- 型和 O- 型糖蛋白质的分离纯化。

【 Ganglong Yang, Ting Cui, Qiaoling Chen, Tianran Ma, Zheng Li. Isolation and identification of native membrane glycoproteins from living cell by Concanavalin A-magnetic particle conjugates. Analytical Biochemistry. 2012, 421(1): 339-41 】

【 Shisheng Sun, Ganglong Yang, Ting Wang, Qinzhe Wang, Chao Chen, Zheng Li. Isolation of N-linked glycopeptides by hydrazine-functionalized magnetic particles. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2010, 396(8): 3071-8 】

【 一种分离纯化糖肽的方法 ,专利号: ZL200810017386.1 ; 发明人 : 李铮 陈超 孙士生 杨刚龙 王婷 孙秀璇 邓玮娜】

【富集和纯化糖基化蛋白的方法,专利号: ZL200510096270.8 ;发明人:李铮 陈超 杨刚龙 崔亚丽】

【计算机软件名称: Sequon Finder V1.0 登记号: 2010SR014428 ;著作权人:王秦哲 秦子实 孙士生 李铮】

( 5 )糖蛋白 N - 连接糖链解析方法

分离纯化出样本糖蛋白,然后利用 PNGase F 进行糖链释放。再利用亲水色谱柱进行糖链分离,并对其进行甲基化修饰。修饰后糖链经质谱分析,通过数据分析获取糖链结构信息。

【一种滤膜辅助分离生物样本中糖蛋白全 N - 连接糖链及其鉴别方法,申请号: 201210181029.5 ;发明人:李铮 杨刚龙 马恬然 王晔】

(6) 糖蛋白 O - 连接糖链解析方法

分离纯化出样本糖蛋白,然后利用硼氢化钠 -NaOH 溶液对 O - 糖肽进行 β- 消除反应释放 O - 糖链。再利用亲水色谱柱进行糖链分离,并对其进行甲基化修饰。修饰后糖链经质谱分析,通过数据分析获取糖链结构信息。

( 7 )糖芯片技术

糖芯片技术研究与糖链相互作用的糖结合蛋白并筛选出表达差异的糖结合蛋白。

【 Ganglong Yang, Wei Chu, Xiuxuan Sun, Hua Zhang, Tanxi Cai, liuyi Dang, Qinzhe Wang, Fuquan Yang, Zheng Li. Isolation and identification of Mannose-Binding Proteins and Estimation of their Abundance in Hepatocellular Carcinoma Sera. Proteomics. 2012, in press 】

【 Gang Nan, Hua Yan, Ganglong Yang, Qiang Jian, Chao Chen, Zheng Li. The hydroxyl-modified surfaces on glass support for fabrication of carbohydrate microarrays. Current Pharmaceutical Biotechnology. 2009, 10(1): 138-46 】

【糖生物芯片的制备方法,专利号: ZL200610071357.4 ;发明人:李铮 陈超 南刚 颜桦】

( 8 )糖结合蛋白分离纯化技术

基于糖链磁性微粒复合物分离纯化糖结合蛋白技术对糖结合蛋白进行分离纯化及质谱鉴定。

【 Xiuxuan Sun, Ganglong Yang, Shisheng Sun, Rui Quan, Weiwei Dai, Bin Li, Chao Chen, Zheng Li. The hydroxyl-functionalized magnetic particles for purification of glycan-binding proteins. Current Pharmaceutical Biotechnology. 2009, 10(8): 753-60 】

【富集和纯化糖结合蛋白的方法,专利号: ZL 200510096271.2 ;发明人:李铮 陈超 杨刚龙 崔亚丽 惠文利】

( 9 )糖结合蛋白基因芯片技术

用于检测糖结合蛋白基因表达的变化,分析与糖链分子变化的关联性。

( 10 )糖组学数据统计分析方法

糖组学数据统计分析方法包括芯片数据分析以及质谱数据分析,芯片数据分析又分为凝集素芯片、糖类相关基因芯片、糖芯片、 糖结合蛋白基因芯片 。

( 11 )用于糖组学研究的生物信息学技术

糖组学研究领域产生的大量数据主要来自芯片数据分析以及质谱数据分析,因此用于糖组学研究的数据分析软件可分为两大部分。一是从蛋白质组学衍生发展而来的质谱数据分析平台,包括糖基化位点鉴定和糖链结构解析软件;另一部分与基因芯片数据分析方法通用,主要涉及数据提取、归一化和差异分析。目前, Mascot 、 Sequest 、 Trans-Proteomic Pipeline ( TPP )、 OMSSA 、 Scaffold 等数据库搜索软件均可结合质量标记糖基化位点的方法鉴定糖基化位点。

应用一系列生物信息学工具,可以对病毒演化过程中糖基化位点改变的方式、规律和作用进行了全面分析和深入探讨。通过对病毒中潜在 N- 糖基化位点预测,糖基化位点的进化和保守性进行分析,蛋白 3D 结构同源建模和计算机模拟蛋白糖基化,可以分析不同病毒的蛋白糖基化变化过程。

【 Wentian Chen, Yaogang Zhong, Yannan Qin, Shisheng Sun, Zheng Li. The Evolutionary Pattern of Glycosylation Sites in Influenza Virus (H5N1) Hemagglutinin and Neuraminidase. PLoS ONE. 2012, 2012, 7(11): e49224 】

【 Wentian Chen, Shisheng Sun, Zheng Li. Two Glycosylation Sites in H5N1 Influenza Virus Hemagglutinin that Affect Binding preference by Computer-Based Analysis. PLoS ONE. 2012, 7(6): e38794. 】

【 Shisheng Sun , Qinzhe Wang, Fei Zhao, Wentian Chen, Zheng Li. Prediction of Biological Functions on Glycosylation Site Migrations in Human Influenza H1N1 Viruses. PLoS ONE . 2012, 7(2): e32119 】

【 Shisheng Sun , Qinzhe Wang, Fei Zhao, Wentian Chen, Zheng Li. Glycosylation site alteration in the evolution of influenza A (H1N1) viruses. PLoS ONE . 2011, 6(7): e22844 】

( 12 )建立糖组学数据库。

糖组学技术平台的应用必将产生大量的数据,因此想要研究糖链结构与生物学功能之间的关系并与其它工作者进行资源共享,就需要通过互联网来储存、整合和加工这些数据。

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本文由 组学之家 作者:蛋白质同学 发表,转载请注明来源!

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