化学8 化学糖生物学缘何获得2021年诺贝尔化学奖？
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5分钟前，瑞典皇家科学院宣布，2021年诺贝尔化学奖授予美国斯坦福大学的卡罗琳·贝尔托西（Carolyn R. Bertozzi）教授，麻省理工学院的劳拉·凯瑟琳（Laura L. Kiessling）教授和牛津大学荣誉退休教授雷蒙德·德威克（Raymond A. Dwek）教授，他们的获奖理由是：在化学糖生物学方面的开创性贡献。
撰文 | 谭忠平 罗彬月
责编 | 刘楚
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化学糖生物学（Chemical Glycobiology），是一个近三十年来开始兴起的一个交叉学科，该学科的主要使用化学作为工具，对糖类分子的结构、生物学性质和功能进行系统的研究。这一概念由卡罗琳·贝尔托西和劳拉·凯瑟琳2001年在《科学》杂志上发文进行了比较详细的总结。
“糖生物” 的概念提出的更早，最初由雷蒙德·德威克（Raymond A. Dwek）教授在1988年发表在《生物化学年鉴》的一篇综述性文章中提出。德威克认为，寡糖作为蛋白质上的一种普遍存在且重要的翻译后修饰，是调控蛋白质的结构、性质和功能的一种重要手段，同时也是细胞间相互作用的一个重要媒介，需要进行更深入的研究，以便更好地帮助疾病的诊疗。譬如风湿性关节炎患者的抗体会发生一些特定的糖基化变化，针对这些糖基化变化的过程和变化导致的影响研究可能能够更好地帮助诊断和治疗这类疾病。
为了解决糖生物学缺乏研究手段的问题，卡罗琳·贝尔托西和劳拉·凯瑟琳在化学糖生物学的综述中提出，化学可以作为一种有用的工具，成为糖生物学发展的一个主要的驱动力。譬如，可以利用合成的寡糖、糖基化的蛋白质、以及蛋白质和脂类的糖复合物等检测细胞表面的糖感受器的结合活动，利用合成的酶抑制剂打断甚至篡改寡糖的组装，利用人造糖替换原本的单糖来阻断糖的生物合成通路，从而使细胞表面的糖基化发生改变等。
佐治亚大学的教授，杰拉尔德·哈特（Gerald W. Hart）在上世纪80年代首先发现了细胞内蛋白质上的氧连接的乙酰氨基葡萄糖基化。目前，这种糖基化的研究已成为糖生物学的一个主要发展领域。
获奖人简介
卡罗琳·贝尔托西（Carolyn R. Bertozzi）是斯坦福大学化学教授、化学与系统生物学和放射学教授，霍华德·休斯医学研究所研究员，美国科学院院士，美国医学研究所成员，美国文理科学院成员。她1988年本科毕业于哈佛大学，1993年获得加州大学伯克利分校的化学博士学位。值得一提的是，在其研究生最后的两三年，由于导师患病，贝尔托西实际上是自己指导的自己的博士研究。1996年，她在加州大学伯克利分校建立了自己的课题组，开始独立研究，并在1999年获得麦克阿瑟天才奖。
2015年，她的课题组搬到了斯坦福大学。贝尔托西的研究兴趣广泛，涉及了化学和生物学等各个方面，但目前的研究重心在细胞表面在病变时的糖基化上，包括在癌症、发炎和感染时产生的不同糖基化反应，以通过研究辅助疾病的诊断、预防和治疗。
劳拉·凯瑟琳 （Laura L. Kiessling）
劳拉·凯瑟琳（Laura L. Kiessling）是麻省理工学院化学教授，美国科学院成员，美国文理科学院成员，美国微生物学会成员。凯瑟琳1983年从麻省理工学院获得化学本科学位，接着在耶鲁大学攻读化学博士，研究天然抗肿瘤小分子物质的合成和功能。1989年博士毕业后，她到加州理工学院进行博士后研究，主要研究DNA的识别和切割性质。1991年，她在威斯康星大学麦迪逊分校建立了自己的课题组开始独立研究，在1999年获得麦克阿瑟天才。在2017年，凯瑟琳和丈夫罗纳德·雷恩斯（Ronald T.Raines）的课题组均一块儿搬到了麻省理工学院。在此之前，他们两个的课题组也是一直都在一个大学，研究的大方向也很相近。凯瑟琳课题组主要致力于使用跨学科技术研究细胞表面的识别机制，尤其是涉及蛋白质-多糖相互作用的识别机制。
雷蒙德·德威克 （Raymond A.Dwek）
雷蒙德·德威克（Raymond A. Dwek）是牛津大学生物化学系荣誉退休教授，糖生物研究中心主任，英国皇家学会会员。他获有曼彻斯特大学化学学士，牛津大学物理化学博士。1969年德威克受邀加入牛津大学埃克塞特学院生物化学系的酶研究小组，1973获得时任生物化学系主任Rodney Porter的赏识，专攻抗体结合位点（或抗原结合点，binding site）的研究。1988年他开始筹备牛津大学的糖生物研究中心——也是那时他最先提出“糖生物学”这一概念，即把自然界中广泛存在的糖作为对象来研究其结构、生物合成和生物学性质与功能。糖在制药、新能源和新材料方面具有良好前景。在德威克的引领下，糖已经在抗病毒治疗与疫苗的设计中取得重大突破。
在自传中，德威克提到一个关于 “糖生物学”（Glycobiology）的小故事。那时他刚参加完BBC电台的采访，发现“寡糖”（oligosaccharide）这个词实在太过于专业化，就起了 “糖生物学（Glycobiology）” 这个名字，之后果然被大家广泛采用了。某天他接到一个电话，电话那边自称是《牛津英语词典》里字母 “G” 的负责人，表示经过讨论后，决定将 glycobiology 这个词收入1992年的增补中，并且会标注是他所创造的词汇。因此德威克还受到了牛津大学时任副校长的表扬，因为 “对于一个科学家来说，没有什么是比名字出现在《牛津英语词典》里更高的殊荣了。”
杰拉尔德·哈特（Gerald W. Hart）
哈特1971年从华盛本大学获得生物和化学本科学位，1977年从堪萨斯州立大学获得发育生物学博士学位，1979年在约翰斯·霍普金斯大学完成博士后研究后，留在同一所大学的生物化学系一直从助理教授做到教授。在2018年，他的课题组搬到了佐治亚大学。哈特在1989 年创办了期刊《糖生物学》并担任主编直至 2001年。他的课题组主要致力于研究乙酰氨基葡萄糖基化，包括此类糖基化的鉴定、酶的克隆和表征，工具和方法的开发，乙酰氨基葡萄糖基化与蛋白质磷酸化的相互作用，以及营养对该糖基化的调控等。
制版编辑 | 卢卡斯
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