陳興課題組實(shí)現(xiàn)動(dòng)物活體中的細(xì)胞特異性糖質(zhì)標(biāo)記與分析
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生物體中幾乎所有的細(xì)胞都具有相同的基因組，而不同的細(xì)胞類型和功能則由不同的基因表達(dá)、表觀遺傳修飾和翻譯后修飾等所決定。解析特定器官或組織中特定細(xì)胞的生物大分子圖譜對于探究發(fā)育、細(xì)胞間通訊以及疾病的發(fā)生發(fā)展等都具有重要意義。因此，開發(fā)細(xì)胞選擇性的生物大分子標(biāo)記方法，近年來受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注1。通過基因編碼的方法，人們在活體動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的組織特異性和細(xì)胞選擇性標(biāo)記和分析2,3。然而，糖質(zhì)（glycan）作為另外一種主要的生物大分子，尚無法通過基因編碼的方式，實(shí)現(xiàn)活體中的細(xì)胞選擇性標(biāo)記。
糖質(zhì)以寡糖、多糖、糖蛋白、糖脂等形式直接參與細(xì)胞的分化增殖、免疫調(diào)節(jié)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞遷移等重要的生命活動(dòng)，對其進(jìn)行在體標(biāo)記和分析一直是領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)難點(diǎn)4。其中，基于生物正交化學(xué)的代謝糖質(zhì)標(biāo)記（metabolic glycan labeling）技術(shù)已經(jīng)成為了最主要的工具之一。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前已有數(shù)十種非天然糖分子可用以在活細(xì)胞和活體中標(biāo)記糖質(zhì)。然而，非天然糖在活體中并不具備器官或細(xì)胞特異性，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的細(xì)胞選擇性標(biāo)記，闡釋特定細(xì)胞群體中糖質(zhì)所發(fā)揮的生物學(xué)功能。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心陳興課題組一直致力于解決這個(gè)問題，此前開發(fā)了基于靶向性脂質(zhì)體的非天然糖代謝標(biāo)記技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了腫瘤組織和腦部的糖質(zhì)標(biāo)記5,6。同時(shí)，他們意識到，基因編碼技術(shù)可以在活體中實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的細(xì)胞選擇性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，繼續(xù)推進(jìn)代謝糖質(zhì)標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用，2022年5月5日，該課題組在Nature Chemical Biology上發(fā)表了題為Cell-type-specific labeling and profiling of glycans in living mice的論文，報(bào)道了一種可基因編碼的代謝糖質(zhì)標(biāo)記技術(shù)(GeMGL)。該技術(shù)將“凸凹互補(bǔ)（bump and hole）”的化學(xué)遺傳學(xué)策略與代謝糖質(zhì)標(biāo)記方法相結(jié)合，利用非天然糖1,3-Pr2GlcNAl（Bump）及其匹配的焦磷酸酶突變體AGX2F383G（Hole）的正交組合，在活體動(dòng)物上實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞選擇性糖質(zhì)標(biāo)記和分析。
他們從一個(gè)具有低標(biāo)記效率的非天然糖—乙酰胺基葡萄糖的疊氮類似物GlcNAz出發(fā)，確認(rèn)了其代謝通路中的焦磷酸酶AGX是限速酶，將其過表達(dá)可以增強(qiáng)代謝強(qiáng)度。他們隨即想到，增大非天然基團(tuán)并對AGX酶進(jìn)行突變，可能可以開發(fā)出凹凸對。于是，他們采用了炔基修飾的乙酰胺基葡萄糖GlcNAl和焦磷酸酶突變體AGX2F383G，通過體外和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明了GlcNAl的代謝完全依賴焦磷酸酶突變體AGX2F383G。接著，在多細(xì)胞共培養(yǎng)體系和小鼠移植瘤模型中，證明了GeMGL策略的可行性。
基于此，他們將該策略拓展到了轉(zhuǎn)基因小鼠中。他們首先利用心肌細(xì)胞特異的啟動(dòng)子α-MHC實(shí)現(xiàn)了AGX2F383G在小鼠心肌細(xì)胞中的特異性表達(dá)，然后腹腔注射非天然糖1,3-Pr2GlcNAl，實(shí)現(xiàn)了非天然糖分子在小鼠心肌細(xì)胞中的特異性代謝。從各組織標(biāo)記結(jié)果來看，GeMGL策略展現(xiàn)出嚴(yán)格的心肌細(xì)胞選擇性。結(jié)合定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法，在小鼠心肌細(xì)胞中鑒定到582個(gè)O-GlcNAc修飾蛋白。分析發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞中許多糖酵解、TCA循環(huán)和氧化磷酸化途徑相關(guān)蛋白都具有O-GlcNAc糖基化修飾，表明O-GlcNAc糖基化修飾可能在心肌細(xì)胞的線粒體能量代謝過程中發(fā)揮重要功能。
陳興課題組長期致力于糖化學(xué)和糖生物學(xué)研究，糖質(zhì)標(biāo)記和分析是其研究重點(diǎn)之一。該工作提供了一種可基因編碼的細(xì)胞特異性糖質(zhì)標(biāo)記技術(shù)GeMGL，為在活體層面研究糖質(zhì)在特定細(xì)胞類型中的生物學(xué)功能提供了一種便利、有效的工具。該技術(shù)有望被推廣到更為復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)中，并在相關(guān)疾病模型中探究糖基化與神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)退行性疾病等的關(guān)系。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的陳興教授為該論文的通訊作者，化學(xué)院已畢業(yè)博士生范欣琦和生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生宋其濤為論文的共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京分子科學(xué)國家研究中心的資助。
原文連接：https://www.nature.com/articles/s41589-022-01016-4.
參考文獻(xiàn)
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