必威官方网站,聚糖作为细胞基本组分之一,参与细胞粘附、细胞间通讯、信号转导、受体激活以及细胞内吞等一系列重要的生物学过程。蛋白质的糖基化不仅增加了蛋白质结构上的复杂性,也增加了功能的多样性。特定蛋白上的糖型表达与细胞特定生理功能间有密切联系,糖基化的动态变化也反映疾病进程和状态。因此,细胞表面糖基与特定蛋白上的糖型检测是当前生命分析化学领域的研究热点。

糖基化是普遍存在的翻译后修饰,蛋白质的糖基化模式决定了其结构、功能以及细胞识别和信号传导等过程,与细胞生理状态的动态响应、疾病的进程和状态密切相关。因此,对活细胞表面特定蛋白糖型的原位检测有助于加深对糖基化机制和蛋白功能的理解,也可为疾病特别是癌症的诊断和治疗提供靶标。

生命分析化学国家重点实验室鞠熀先教授课题组自2007年承担国家自然科学基金重大研究计划以来,积极开展这一挑战性课题的研究,先后在该计划与973项目、国家自然科学基金重点项目资助下,通过设计一系列分子识别和标记新体系与两表面一分子竞争识别策略,提出多种细胞表面糖基原位检测的系列方法(J.
Am. Chem. Soc. 2008, 130,
7224等),实现了细胞表面多种聚糖的动态监测(Angew. Chem. Int. Ed. 2009,
48, 6465等)。Nat. China曾对其工作作亮点介绍,MIT学者在Acc. Chem. Res.
评价该组工作称“鞠组做出了这个领域的一项奠基性工作”。

生命分析化学国家重点实验室的鞠熀先教授课题组自2007年以来,积极开展这一挑战性课题的研究,先后在国家自然科学基金重大研究计划、重点项目和973项目资助下,通过设计两表面一分子竞争识别策略和聚糖电化学检测芯片,提出细胞表面糖基原位检测的系列方法(J.
Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7224; Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48,
6465等),曾获2013年教育部自然科学一等奖。同时,通过组装P-糖蛋白抗体功能化仿生界面,提出电极界面上细胞检测新方法;并引入化学选择性聚糖识别,提出细胞表面多种聚糖的同时定量和聚糖密度的分析策略,是2016年江苏省科学技术一等奖的主要内容。2015年以来,该研究组在细胞表面特定蛋白糖型的成像方法学研究方面取得重要进展,发展了特定蛋白质上的糖基与多种糖型的原位检测方法(Chem.
Sci. 2015, 6, 3769; Chem. Sci. 2016, 7, 569; Anal. Chem. 2016, 88, 2923;
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55,
5220)。近期,他们用核酸适配体标记半乳糖氧化酶,利用Apt识别细胞表面特定蛋白质和GO的活性开关,构建了一种局域聚糖化学重构策略,实现了活细胞表面特定蛋白的糖型成像,于2017年5月29日在线发表(Angew.
Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201703406)。

2015年以来,该研究组在细胞表面特定糖蛋白上糖型的成像方法学研究方面取得重要进展(Chem.
Sci. 2015, 6, 3769; Chem. Sci. 2016, 7, 569;Anal. Chem. 2016, 88,
2923-2928)。近期,他们利用上转换纳米材料的近红外单色激发、多色发射的特点,结合糖代谢标记技术,通过在细胞表面的特定蛋白位点上建立单激发-双通道的发光共振能量转移体系,实现了特定糖蛋白上两种糖基的同时成像检测,于2016年3月22日在线发表(Angew.
Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201601233)。

该局域聚糖化学重构策略由14级硕士研究生惠晶晶为第一作者、丁霖副教授和鞠熀先教授为通讯作者提出。他们以MUC1黏蛋白为研究模型,首先利用Apt与MUC1的特异性识别将亚铁氰化钾抑制的GO定位至MUC1上。然后用铁氰化钾激活GO,催化氧化细胞表面MUC1的末端半乳糖/N-乙酰半乳糖胺(Gal/GalNAc)生成醛基,通过醛基-生物素酰肼的快速反应将FITC标记在目标Gal/GalNAc上,用化学反应活性作为信号报告系统,实现了活细胞表面特定蛋白糖型的原位检测。与通常糖代谢标记技术相比,局域聚糖化学重构策略仅对目标蛋白上聚糖进行标记,标记过程与细胞自身功能无关,避免了代谢效率的异质性问题,为不同细胞系特定蛋白上糖型表达的研究提供了重要工具和方法模型。这是该课题组在细胞功能分子原位检测方法学研究领域的又一项重要进展。

这一单激发双色成像策略由该课题组13级硕士研究生吴娜为第一作者、丁霖副教授和鞠熀先教授为通讯作者提出。他们以UNP为能量供体,通过适体的靶向识别作用标记到特定蛋白上;两种荧光受体分子通过click反应分别标记到细胞表面的两种糖基上。在980
nm激发下,UNP产生两个通道的发射光,分别与一定距离内的两种能量受体发生能量共振转移,通过点亮荧光受体分子指示目标糖基在该蛋白上的表达。该工作以肿瘤标志物黏蛋白MUC1为模型,对该蛋白上O-聚糖糖链的终止糖岩藻糖及唾液酸进行了同时成像,对比了三种乳腺上皮细胞系上终止糖的表达模式,并进一步以O-聚糖的糖链起始糖N-乙酰半乳糖作为内标糖,获得三种不同细胞系的黏蛋白MUC1上岩藻糖与唾液酸的相对表达。该策略为研究糖基化过程的信号转导机制提供了有力的工具,有助于开发新的基于聚糖表达的肿瘤标志物和治疗靶标,被两位审稿人分别评价为非常重要(Very
important, top 5%)和高度重要(Highly important, top
20%)。这也是该课题组在细胞功能分子检测方法学研究领域的一项重要进展。

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图1. 局域聚糖化学重构策略的原理示意图

图1. 在细胞表面的特定蛋白上构建D-LRET体系用于双糖的同时成像

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图2.
利用局域聚糖化学重构策略对MCF-7和T47D细胞上MUC1的末端半乳糖/N-乙酰半乳糖胺进行原位检测

图2. 三种不同乳腺上皮细胞表面MUC1上岩藻糖和唾液酸的同时成像

(化学化工学院 科学技术处)

(化学化工学院 科学技术处)

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