课题组工作| Nat. Commun.报道谢然、王萌课题组工作:基于硒元素的代谢寡糖工程策略用于聚糖多维度定量检测

2024-01-04 11:28:09, TX TOFWERK中国-南京拓服工坊


聚糖在生命系统的各种生物活动中发挥着至关重要的作用。例如,癌症发生发展过程中通常伴随着聚糖的动态周转和扰动,细胞间通讯往往涉及到聚糖等细胞表面分子的动态交换和转移。值得注意的是,这些聚糖的变化往往是动态且微量的,但受限于聚糖表征手段的限制,这些动态细微的聚糖变化仍然难以被捕捉和量化。

如今,代谢寡糖工程(MOE)是标记聚糖的经典化学生物学方法。通常情况下,带有生物正交化学手柄的非天然糖前体通过细胞自身的糖代谢补救途径,掺入到细胞糖链中,然后通过生物正交反应引入可检测的基团(如荧光基团或生物素),以实现新生聚糖的动态可视化和组学分析[1, 2]。然而,受限于二次反应的效率以及荧光基团的高背景、高检测限等问题,对聚糖的量化仍然是一大挑战。目前已有的聚糖定量方法包括放射性同位素标记法(价格昂贵、安全隐患)、化学衍生(结构特异性问题),以及通过MOE和生物正交反应引入铕同位素或表面增强拉曼光谱(SERS)标签(二次反应的效率影响)等[3-6]。但是,上述方法均有一定的局限性,有必要开发一种简单、安全、灵敏、普适的聚糖检测定量方法。

由此,硒元素(Se)引起了我们的关注。一方面,硒元素作为人体的一种微量元素,具有良好的生物相容性;另一方面,硒可被元素质谱(如电感耦合等离子体质谱ICP-MS)等元素分析手段有效定量分析和成像,在生物体中的背景水平接近检测限;此外,硒元素在质谱中具有明显的同位素分布特征,有望应用于硒靶向组学分析。综上,Se可作为理想的定量标签。

基于此,本课题组与中科院高能物理所王萌副研究员合作,近日在Nature Communications期刊上报道了一种基于硒元素的代谢寡糖工程策略(selenium-based Selenium-based metabolic oligosaccharide engineering strategy, SeMOE)。该策略将Se作为定量标签,在唾液酸、甘露糖胺和半乳糖胺等糖代谢前体的乙酰氨基侧链引入硒甲基,构建了系列硒代非天然糖,也设计合成了同时含有Se标签和叠氮基团的双官能糖,结合MOE,在聚糖上标记Se原子,进一步通过ICP-MS、质谱流式、共聚焦显微镜、生物质谱等手段实现对聚糖的定量、可视化、组学分析等多维度检测(图1)。相比于传统的MOE,SeMOE避免了二次反应的步骤,具有极低的检测限、理想的灵敏度和出色的信噪比,实现对聚糖尤其新生聚糖的精确量化和多维度检测。

图1. SeMOE示意图(a)及新型硒代非天然糖(b)

我们首先全面系统地评估了SeMOE的安全性、有效性、灵敏性、特异性,并且在单细胞、亚细胞、生物大分子水平追踪并定量分析新生聚糖的动态变化和命运。该策略还可与完整糖肽分析软件(pGlyco3)或硒同位素印记算法(SESTAR++)相衔接,体现了SeMOE用于糖蛋白质组分析和靶向组学分析的潜力(图2)。

图2. SeMOE应用于新生唾液酸的动态命运和糖蛋白质组学分析

进一步地,我们聚焦于细胞通讯中聚糖的转移及生物学研究,并将SeMOE应用于三种不同的细胞-细胞相互作用模型:癌细胞-T细胞之间的接触依赖相互作用、癌细胞-巨噬细胞之间的非接触依赖相互作用以及原代卵母细胞-颗粒细胞之间的相互作用,首次捕捉并量化到阿托摩尔级别的细胞间聚糖动态转移和共享,其与细胞对比例、癌细胞类型、巨噬细胞极化状态和卵母细胞发育等息息相关。

图3. 不同细胞-细胞相互作用中聚糖的转移

最后,我们将SeMOE拓展到活体小鼠体系,成功实现对活体小鼠聚糖的标记以及其各器官组织切片聚糖的原位成像和定量(图4)。此外,还发现硒代非天然糖有一定的抗癌潜力,值得进一步开发研究。

图4. 小鼠组织切片唾液酸原位定量质谱成像

综上,SeMOE作为一种创新、简化的化学糖生物学方法,将有助于更精确地解释和探究聚糖的命运和功能。本课题组正致力于开发新一代更普适、多模态的硒代非天然糖及标记策略,并将其应用于基础生物学问题及临床疾病研究中。

该工作以“Selenium-based metabolic oligosaccharide engineering strategy for quantitative glycan detection”为题发表在Nature Communications期刊 (https://doi.org/10.1038/s41467-023-44118-w)。南京大学化学化工学院谢然特聘研究员、中科院高能物理所王萌副研究员为该论文的通讯作者,本课题组博士生田潇为第一作者。硒代非天然糖制备及应用相关成果已成功授权国家发明专利一项。

此项研究得到了南京大学配位化学国家重点实验室及化学和生物医药创新研究院(ChemBIC)的重要支持,得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省高层次创业创新人才引进(个人、团体)计划、中央大学基本科研业务专项资金、科技创新2030重大专项、国家重点研发计划、中国科学院自然科学基金、北京市自然科学基金等经费支持。特别感谢北京大学化学化工学院陈兴教授、王初教授,南京大学医学院附属鼓楼医院丁利军研究员,南方科技大学医学院曾臣助理教授,国家蛋白质科学中心刘嘉琳特聘副研究员、北京大学药学院成波助理研究员等老师提供技术指导或支持。

文章作者:TX

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-44118-w

责任编辑:LD

参考文献:

[1] Dube, DH., Bertozzi, CR. Metabolic oligosaccharide engineering as a tool for glycobiology. Curr Opin Chem Biol. 7, 616-625 (2003).

[2] Pedowitz, NJ., Pratt, MR. Design and Synthesis of Metabolic Chemical Reporters for the Visualization and Identification of Glycoproteins. RSC Chem Biol. 2, 306-321 (2021).

[3] Diaz, S., Varki, A. Metabolic radiolabeling of animal cell glycoconjugates. Curr Protoc Mol Biol. 26, 17.14. 11-17.14. 16 (1994).

[4] Dold, J., Wittmann, V. Metabolic Glycoengineering with Azide- and Alkene-Modified Hexosamines: Quantification of Sialic Acid Levels. Chembiochem. 22, 1243-1251 (2021).

[5] Liu, Z. et al. Single-cell fucosylation breakdown: Switching fucose to europium. iScience. 24, 102397 (2021).

[6] Yang, Y. et al. O-GlcNAcylation mapping of single living cells by in situ quantitative SERS imaging. Chem Sci.13, 9701-9705 (2022).


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