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糖——甜度的不同

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随着年龄的增长,我们中的许多人开始害怕我们会变得多么像我们的父母。基因似乎是无情的。我们在怀孕的时候就得到了它们,它们会伴随我们一生。我们能做些什么来改变我们不想听到的那句话吗?“如果你想知道一个女孩长大后会是什么样子,只要看看她的妈妈就知道了。”也许不是在外表上,但今天我们意识到,我们不仅仅是由基因决定的。

排除不需要的突变,基因可以正确地维持和调节,以应对环境,以保持生理稳态。一段时间以来,表观遗传学一直被认为是我们的基因和环境之间的中介。我们很自然地会问这样一个问题:我们能否利用基因的表观遗传调控来改善我们的外貌和健康,并可能“改变”我们的遗传遗产,从而为我们作为个体、或许也为我们的后代带来好处?

看来我们可以。化妆品巨头欧莱雅(L’oreal)目前正在宣传一种“你从未听说过的、能让你看起来年轻好几岁的神奇成分”。核心科学也认识到聚糖在癌症和其他复杂疾病的研究中是有价值的。由美国国家科学院最近的一个综合报告支持已经表示,“聚糖直接参与每个重大疾病的病理生理学”,“需要从glycoscience额外的知识来实现个性化医疗的目标,利用人类基因组和蛋白质组研究的大量投资及其对人类健康的影响。”

即使是高中生也知道蛋白质在活细胞中起着主要的作用,蛋白质中的氨基酸序列是由相应基因中的核苷酸序列决定的。但是我们很多人都没有学习到或者忘记了,在多细胞生物出现后进化而来的大多数蛋白质,都是通过添加多糖分子来修饰的。在复杂的糖蛋白分子中,糖基部分是其结构和功能的重要组成部分。

然而,糖链结构不是由单个基因决定的,而是由许多基因组成的复杂动态网络决定的。这些基因中的任何一个的单核苷酸多态性都可能影响由几个单糖组成的多糖的最终结构。此外,负责聚糖生物合成的网络包括许多受各种环境因素影响的小代谢物。因此,聚糖不是简单地由一个遗传脚本来定义的,而是由各种环境因素来定义的,这些环境因素可以是目前存在于环境中的,也可以是在我们的早期环境中(在宫内发育期间)发生作用并在表观遗传记忆中留下痕迹的。

为什么聚糖如此重要?例如,它们为真核生物提供了与细菌和病毒病原体竞争的策略。细菌和病毒在几个小时内就能产生大量略有不同的后代。这些微小的差异是由于它们的遗传物质发生突变而产生的,并代表了一种适应的可能性。因此,原核生物似乎在永不停息的生存竞争中胜过真核宿主生物。

由于真核生物的生命周期更长、更复杂,它们负担不起这种昂贵的策略。相反,它们进化出了复杂的机制,以保护少数极具价值的个体,这一点在人口密度高的种群(如人类种群)中表现得更为明显。哺乳动物的免疫系统往往不够有效,无法对新的病原体立即发起反击。病原体表面的分子代表它的“脸”,免疫系统通过它来识别病原体。病原体表面的任何变化都可能使它对我们先前存在的免疫产生抵抗力。

另一方面,成功的感染需要对宿主生物表面分子的某些特征进行特定的识别,而高等生物用来限制病原体传播的机制之一是在其细胞表面呈现不同的结构。这主要是通过细胞表面糖缀合物的变化实现的,一个很好的例子就是ABO血型系统。

糖基因的表观遗传修饰,即参与糖链合成的基因,提供了一种创造新的复杂结构特征的方法,这种复杂结构特征可以逃避特定病毒或细菌的识别,从而使机体能够抵抗这些病原体的感染。而不是等待发生突变的后代,通过调优基因表达,从而适应表面展示,主要通过epigenetically控制糖基化模式的变化,可以提供更高的真核生物与微生物竞争的一种有效的方法,让他们在不断争取生存。

人类和肠道细菌之间的共生关系就是一个例子。虽然肠道细菌帮助我们消化食物,保护我们不受致病菌的侵害,但它们利用我们的聚糖作为肠道定殖受体。糖的变化和这种变化的表观遗传调控在现代社会最流行的疾病之一——炎症性肠病中发挥作用。

生物教条之一就是自我复制的核酸(第一个革命演进)提供发展的早期生活的基础通过核苷酸序列翻译成氨基酸序列创造生命的主要效应物在细胞水平上——蛋白质(进化)的第二次革命。将不同的细胞整合成一个复杂的多细胞有机体需要额外的复杂层,而通过其固有的能力创造新的结构而不需要突变遗传信息,而是通过表观遗传修饰来改变它,这就需要聚糖(进化中的第三次革命)的发明,因此,为多细胞生物提供一种机制,通过利用其较高的复杂性来快速适应各种环境挑战,以弥补其较长的世代时间。

聚糖赋予高等真核生物的最大进化优势是能够在不改变宝贵的遗传遗产的情况下创造新的结构。聚糖贡献了50%的总蛋白质量,甚至更多的分子体积的许多蛋白质。因此,大部分糖蛋白并不是直接固定在基因组中,而是一个快速和广泛的副蛋白组适应的平台。

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