概述

糖组 (Glycome)：是一个生物体或一个细胞中全部碳水化合物的总称，以多糖、寡糖和糖缀合物中的糖链为其主要组成成分。
糖组学(Glycomics): 是从分析和破解一个生物或一个细胞全部糖链所含信息的角度入手，研究糖链的分子结构、表达调控、功能多样性、以及与疾病关系的科学。

糖组学研究意义

1、所有的生命体都是由细胞组成，细胞表面的聚糖帮助我们识别细胞的类型和状态（疾病）。
2、糖基化是所有真核蛋白质翻译后加工的一种形式。有利于对生命活动机制的研究。
3、细胞表面的聚糖（糖蛋白、糖脂）与蛋白质间的相互作用能介导细胞间相互反应的基本过程，如细胞增值、吸附、识别和免疫等功能，也可以避免各种微生物对寄主细胞的侵害。

糖组学研究遵循的基本策略

(1) 提取单一个体中的全部聚糖，即糖组；
(2) 锁定要研究的糖肽，并将糖组中的各种糖肽组分与基因组数据库相联系,最大限度地利用基因组的已有成果。否则,如果将聚糖与糖蛋白脱离系，也就无法获得基因组的信息；
(3) 研究包括糖肽注释、分子量和凝集素解离常数在内的特定糖肽的特征性质。

糖组学研究内容

(1) 什么基因编码糖蛋白，即基因信息；
(2) 即糖基化位点信息；
(3) 聚糖结构，即结构信息；
(4) 糖基化功能，即功能信息。

糖组学研究方法

糖组学研究关键技术是糖组分离和糖结构分析
糖组学主要分为三大部分:

结构糖组学-“糖捕获”技术（分离纯化）
功能糖组学-微阵列技术
生物信息学

结构糖组学

糖链结构信息包括糖链的单糖组成、异头碳构型、糖苷键的连接位置和糖残基的序列分析等内容。

细胞中的糖复合物

N-linked glycans：N-聚糖是糖链与蛋白Asn－XXX－Ser/Thr 序列子(X为除脯氨酸以外的氨基酸)中Asn残基上的酰胺N相连
O-linked glycans：O-聚糖糖链与蛋白Ser/Thr 残基上的—OH 相连
Glyco-lipids：糖脂
GPI-anchors：糖基磷脂锚
Free glycans：细胞自由糖

结构糖组学基本研究策略（糖蛋白为例）

糖蛋白糖链的结构分析包括糖蛋白的提取分离、糖链释放、糖链分离纯化和糖链结构鉴定等多个步骤。

（1）糖蛋白提取和分离纯化

利用糖蛋白特有的性质将糖蛋白与非糖蛋白进行分离
分离：获得的糖蛋白主要采用透析、超滤、电泳和层析等方法来分离纯化,其中由几种不同类型凝集素亲合柱组成的序列凝集素亲合层析(serial lectin affinity chromatography, SLAC) 法是较好的方法。

凝集素（Lectin）是非免疫来源的，不具有酶活性的一类糖结合蛋白，能专一地识别某一特殊结构的单糖或聚糖中特定的糖链序列而与之结合。其存在于动物、植物和微生物中。
刀豆素A （Con A） —— α-D-吡喃糖基甘露糖
麦芽素Wheat Germ Agglutinin (WGA) —— 乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine）

序列凝集素亲和层析（SLAC）：根据不同糖蛋白类型，将不同的凝集素亲和柱串联排列，样品混合物依次经过这些亲和柱，将不同的糖蛋白或糖链富集在不同柱中或用分离的不同凝集素柱进行纯化。
缺点：只针对具备特定结构的糖链

（2）糖链的释放

糖链释放一般有化学释放和酶释放两种方法
化学法主要有肼解法和β－消除法
肼解法可释放糖蛋白的N－糖链和O－糖链；β-消除法是解离O-糖链的常规方法。
酶法：常用的释放N－糖链的特异蛋白酶有N－糖肽酶F(PNGase F) 和N－糖肽酶A(PNGase A)。
糖链释放方法优缺点
化学释放：范围广，可释放O-糖链和N-糖链,但反应剧烈，可能破坏糖链结构。
酶释放：反应温和，几乎不破坏糖链结构。但目前只适用于释放N-糖链。

（3）糖链的分离纯化

A.层析法

柱层析是分离纯化糖蛋白/糖链的常规方法,由分离机制不同可以有离子交换、分子筛、正相和反相等不同形式。
为了更充分、更准确地分离分析糖链混合物,可将几种不同类型的HPLC 组合成多维HPLC (MD－HPLC) ,如离子交换HPLC、正相HPLC、反相HPLC 组合就构成了3D－HPLC
B.电泳法
硫酸化、唾液酸化的糖链（带电）可用电泳法分离纯化。中性糖链通过与硼酸作用形成带电的复合物,也可用电泳分离。荧光辅助糖电泳(FACE) 、毛细管电泳(CE) 等是糖链分离纯化、结构解析的常用工具。

（4）糖链结构的解析

目前主要有3种方法：
• 基于DNA测序仪的荧光糖电泳
• 用于糖链结构解析的质谱分析法
• 核磁共振技术

荧光糖电泳

中性的糖链分子无法通过电泳分析。ANTS(8-氨基萘-1，3，6-三磺酸)不仅为糖分子提供生色（荧光）基团，还提供3个负电荷。

用于糖链结构解析的质谱分析法

目前普遍采用 MS/MS、MS^n 和 GC-MS 等分析糖链结构，其原理是用一定方法使糖链分子或其准分子离子发生裂解，利用所产生的碎片离子在质谱中的质荷比信号来推断糖链的各种结构特征。

核磁共振技术（NMR）

功能糖组学

功能糖组学研究技术
糖链芯片（糖参与的相互作用）
• 将寡糖或糖基复合物共价固定于芯片上，再用荧光素标记能与糖结合的样本并进行杂交，检测阳性信号分析。
凝集素芯片（糖及糖蛋白表达）
• 将凝集素共价固定到芯片上，研究糖蛋白上N-和O-连接型糖链的组成及变化，建立起糖蛋白糖链的表达谱。

糖芯片技术

不同结构多糖分子（糖探针）通过共价或非共价作用固定于经化学修饰的基质上。与特定糖探针存在特异作用的样品分子会被吸附，无特异作用的分子则被洗掉。通过荧光染色等检测可以简单、快捷地筛选出存在特异作用的分子。
糖芯片技术（细胞为分析样品），检测细胞与糖的相互作用

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/sc/c5sc03789a
检测原理：DCFH-DA本身没有荧光，可以自由穿过细胞膜，进入细胞内后，可以被细胞内的酯酶水解生成DCFH（无荧光）。DCFH不能通透细胞膜而被滞留细胞内。细胞内的活性氧可以氧化DCFH生成有荧光的DCF。
Receptor-binding specificity of pandemic influenza A (H1N1) 2009 virus determined by carbohydrate microarray

碳水化合物微阵列测定 2009 年甲型流感（H1N1）病毒的受体结合特异性