「青莲百奥聚焦」Science重磅|SARS-CoV-2刺突蛋白糖基化图谱解析可能有助于疫苗设计

疫苗被认为是预防和控制传染病的有效手段之一，但新冠病毒疫苗的研发难度很大。在9月4日举行的2020中国国际服务贸易交易会上，三款国产新冠病毒灭活疫苗首次集体亮相引发关注，向伟大的中国疫苗研发团队致敬！

多组学联合分析

糖基化作为生物体内最为重要的蛋白质翻译后修饰形式之一,参与调控了蛋白质在组织和细胞中的定位、功能、活性、寿命和多样性。新型冠状病毒中的"高度糖基化现象"，使病毒可以进行多种突变，给疫苗研发带来极大的难度，糖基化能保护特定表位免受抗体中和，进而帮助病毒躲避免疫系统攻击。因此，撕下病毒“糖基化”的伪装，对了解病毒病理生物学和疫苗研发具有重要意义。

疫苗的开发集中在引起体液免疫反应的靶点，即刺突（S）糖蛋白，它介导细胞进入和膜融合。SARS-CoV-2 S基因编码22个N-连接的糖基序列（图1A），可能在蛋白质折叠和免疫逃逸中起作用。2020年5月4日，英国南安普敦大学Max Crispin团队在Science上发表"Site-specific glycan analysis of the SARS-CoV-2 spike"研究论文，使用位点特异性质谱方法揭示了重组SARS-CoV-2 S免疫原上的聚糖结构。该分析能够绘制跨三聚体病毒刺突蛋白的聚糖加工状态的图谱。同时还展示了 SARS-CoV-2 S聚糖与典型宿主聚糖加工的不同之处。

结果速递

为了解决SARS-CoV-2 S蛋白的位点特异性糖基化并可视化糖链异质体在整个蛋白表面的分布，研究人员表达纯化了293F细胞重组的新冠病毒S蛋白，利用尺寸排阻色谱法纯化含有重组SARS-CoV-2 S的上清液，确保只分析天然的三聚蛋白（图1B）。用电镜负染对纯化的三聚体构象进行验证（图1C）。然后分别用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和A裂解蛋白酶将S蛋白酶解成肽段，每个片段包含一种N-糖基片段，使用质谱法确定每个位点的聚糖组成。

图1  SARS-CoV-2S糖蛋白的表达及验证

通过质谱方法测定出S蛋白上的22个N-糖基化位点（图2），其中18个糖基化位点在SARS病毒S蛋白中是保守的。研究人员发现S蛋白糖基化位点的糖链修饰分为高甘露糖型、杂合型和复合型三种糖链类型，其中复合型糖链占比较高，不同糖基化位点的多糖种类和丰度差别较大。

图2 SARS-CoV-2 S糖蛋白的位点特异性N-糖基化

研究人员利用S蛋白的电镜结构，将糖基化状态映射到了整个病毒S蛋白三聚体上，揭示了N-糖基化如何在SARS-CoV-2 S蛋白整个表面上封闭不同的区域。结果表明SARS-CoV-2 S蛋白与其他病毒糖蛋白相比糖基化程度较低，形成的“糖盾”较少，这有利于开发中和抗体。此外，复合型聚糖的处理是免疫原工程中的重要考虑因素。

图3 基于结构的SARS-CoV-2 S N-连接的聚糖图谱

结 论

本研究对SARS-CoV-2的糖基化分析提供了天然折叠的三聚体刺突蛋白特有的位点特异性聚糖特征。在血清学检测试剂盒的生产中，聚糖谱分析也将是抗原质量的重要指标。最后随着以核苷酸为基础的疫苗出现，了解这些传递机制如何影响免疫原的加工和呈现至关重要。

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