Bikunin的结构
DNA及蛋白质测序一直在改变着科学、医药及社会。理解这些复杂生物分子的结构革新了药物的开发、医学诊断、司法科学以及我们对进化与发育的理解。但是，在三大生物基础物质（碳水化合物、蛋白质、核酸）中，碳水化合物生物多聚体的序列在很大程度上仍不为人所知。
如今，由伦斯勒理工学院的Robert Linhardt领导的研究小组在10月9日提前发表的《Nature Chemical Biology》网络版上公告了一种复杂碳水化合物生物多聚体的序列。这项令人惊讶的发现为科学界和医学界提供了关于这些极其重要的生物分子的重要而又基本的新视角，它们在细胞结构及发育、疾病病理和凝血作用等各个方面发挥着重要的作用。
文章题为“The proteoglycan bikunin has a defined sequence”。
“被称为黏多糖的碳水化合物生物多聚体在细胞与高级组织之间的反应中十分重要，能够用来解释进化差异及发育的形成。我们也知道，糖链对疾病、创伤作出反应，并在环境中发生变化。” 伦斯勒生物催化及代谢工程方面的专家Linhardt说。“为了弄清所有这些是如何发生、为什么发生，我们首先需要知道它们的结构。如今，至少对于最为简单的黏多糖来说，我们可以达到这个目标了。”
第一个被测序的黏多糖来自于bikunin。Bikunin是一种蛋白多糖，在其上连接有一条单链黏多糖。与诸如淀粉和纤维束等并不复杂碳水化合物生物多聚体不同，黏多糖是由结构复杂的黏多糖装饰，从而使得它们在机体中发挥复杂而又精确的作用。例如，bikunin是一种天然的抗炎症物质，在日本作为治疗严重胰腺炎的药物。在所有蛋白多糖中，它的化学结构最为简单。Linhardt认为，发现bikuin的结构是通往发现更多复杂蛋白多糖结构这条阶梯上的第一步。
“第一个DNA基因组测序是在细菌这样最简单的有机体中完成的。一旦技术得到发展，将最终实现人类基因组测序，”他说。“在我们对碳水化合物生物多聚体进行测序的工作中，我们还不知道我们从这种最简单的蛋白多糖中观察到的确切结构是否适用于更为复杂的蛋白多糖。”
不过在更为复杂的蛋白多糖中寻找结构是Lindardt和他的小组下一步的工作。结构研究将有助平息科学界中的一个长期争论：复杂碳水化合物生物多聚体是否需要确切的结构来发挥功能。
“尽管对多糖的形成已经很了解了，但是要推断序列或者确定是否形成序列，我们了解的还不够深入，”Linhardt说，“这些发现代表了把这些复杂生物分子视为有序结构的新途径。”
Linhardt对碳水化合物测序的研究开始于30年前。在他以前的研究中，他确定至少一部分碳水化合物生物多聚体是存在序列的，但是这并不代表解决了所有难题。
“以前，我们可以看见样式，但是我们不能看到这些链是否起相同的作用。那时还没出现好的工具。现在我们可以知道它们是协同作用的。”
为了解释全部的结构，Linhardt和他的小组从蛋白质研究领域一种叫做蛋白质组学“top-down”的方法借用了一种技术。“top-down”方法首先将复杂的生物多聚物打碎成片段，再然后像玩拼图一样将这些碎再组合起来，而Linhardt他们采用完全相反的方式来进行全图拼接。目前这仅在学术界一些最为尖端的技术中实现，包括大功率质谱。
Linhardt使用伦斯勒的质谱得到了他最初的发现，这些结果在佐治亚大学的大功率质谱仪上独立实验得到了证实。质谱仪将分子打断为带电的独立粒子或离子。基于质荷比可对这些离子进行分类和分析，然后根据质荷比对整个分子进行测序。
除开技术，还需要信念和决心。Linhardt说：“这需要学生愿意去尝试一些事情，即便机会很低。如果不成功，那也是促进性工作，如果成功了，那就是一个伟大的发现。但是，从一开始你就必须相信这值得的，因为这要在实验室进行大量的工作。”
“我们观察了第一个样品，获得了这个结构，”Linhardt说。“后来我们做了15条链，发现它们发挥完全一样的功能。”
相关英文论文摘要：
The proteoglycan bikunin has a defined sequence
Proteoglycans are complex glycoconjugates that regulate critical biological pathways in all higher organisms. Bikunin, the simplest proteoglycan, with a single glycosaminoglycan chain, is a serine protease inhibitor used to treat acute pancreatitis. Unlike nucleic acids and proteins, whose synthesis is template driven, Golgi-synthesized glycosaminoglycans are not believed to have predictable or deterministic sequences. Bikunin peptidoglycosaminoglycans were prepared and fractionated to obtain a collection of size-similar and charge-similar chains. Fourier transform mass spectral analysis identified a small number of parent molecular ions corresponding to monocompositional peptidoglycosaminoglycans. Fragmentation using collision-induced dissociation unexpectedly afforded a single sequence for each monocompositional parent ion, unequivocally demonstrating the presence of a defined sequence. The biosynthetic pathway common to all proteoglycans suggests that even more structurally complex proteoglycans, such as heparan sulfate, may have defined sequences, requiring a readjustment in the understanding of information storage in complex glycans.
英文论文链接：https://www.nature.com/nchembio/journal/vaop/ncurrent/full/nchembio.673.html
