细胞类型特异性或组织特异性的对生物大分子进行细胞特异性或组织特异性标记，有助于理解细胞发育、细胞交流以及疾病发生等过程。蛋白的细胞特异性标记方法已有一定程度的发展，而在活体内进行细胞特异性聚糖标记具有很大挑战性。代谢聚糖标记（Metabolic Glycan Labeling, MGL）技术借助代谢途径将非天然糖插入细胞聚糖中，再通过生物正交反应偶联功能标记。为了使MGL技术具有细胞选择性：将叠氮糖包裹在靶向配体的脂质体中，可以选择性标记过表达靶向受体的细胞；将叠氮糖用保护基包裹，可选择性标记过表达保护基脱除酶的癌细胞。但现有的策略受限于过表达受体或酶的细胞类型，而且在非靶细胞中也会有同样的受体或酶表达，细胞选择性不佳，用于不同类型细胞时还需对脂质体或保护基进行设计改造。为摆脱上述限制，北京大学陈兴教授团队设计了可基因编辑的代谢聚糖标记（genetically encoded MGL）技术，通过“凹凸互补”策略，设计了非天然糖与外源表达的酶的正交对，实现了对活体小鼠的细胞特异性聚糖标记。此研究在2022年以“Cell-type-specific labeling and profiling of glycans in living mice”为题发表于《Nature Chemical Biology》。焦磷酸化酶（AGX）是GlcNAc代谢途径中的限速酶。作者将AGX与GlcNAc进行结构改造，设计出“凹凸互补”结构：GlcNAl（带有线性丙炔基的GlcNAc）具有“凸起”结构，而作者将AGX2酶进行定点突变，表达具有“凹陷”结构的AGX2F383G（图1a）。GlcNAl无法被野生型AGX2作为底物，但AGX2F383G可以将其识别为底物，并引入代谢途径当中（图1b-d）。同时作者还发现，1,3-Pr2GlcNAl同样会被AGX2F383G识别为底物，并且标记效率更高（图1e）。接下来作者将MCF7-AGX2F383G-T2A-GFP 细胞和HeLa细胞共培养，用1,3-Pr2GlcNAl进行代谢标记（图2a），再用azide-TAMRA标记并荧光成像。结果表明，因为只有MCF7-AGX2F383G-T2A-GFP 细胞表达了AGX2F383G，所以只有它们带有GlcNAl标记（图2b）。证明了细胞共培养体系中“凹凸互补”GeMGL方法的可靠性。作者又在小鼠体内注射MCF7-AGX2F383G-T2A-GFP 细胞，并同时注射MCF7-T2A-GFP细胞作为对照，细胞增殖后注射1,3-Pr2GlcNAl或1,3-Pr2GlcNAz。荧光成像结果表明，仅当细胞表达AGX2F383G时，能够发生1,3-Pr2GlcNAl或1,3-Pr2GlcNAz的聚糖代谢标记。在小鼠肿瘤移植模型中证明了“凹凸互补”GeMGL方法的细胞选择性。进一步，作者构建了AGX2F383G在心肌细胞特异性表达的转基因小鼠系。向小鼠注射1,3-Pr2GlcNAl，取小鼠不同组织，通过生物正交反应连接荧光团进行胶内荧光成像（图4a）。结果表明，只有小鼠心脏组织带有GlcNAl聚糖标记（图4b），表明此标记方法对于转基因小鼠的组织选择性很高。取小鼠的心脏切片，荧光成像结果表明，心脏中仅有心肌细胞被GlcNAl标记（图4c），证明了此标记方法很高的细胞选择性。最终，作者用此聚糖标记方法对心肌细胞中O-GlcNAc化蛋白进行了组学分析。在心肌细胞上的GlcNAl连接生物素，经过链霉亲和素富集，用质谱研究了其中的糖蛋白（图4a）。总共发现了582个O-GlcNAc化蛋白，并且它们在细胞糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等代谢途径中发挥重要作用。总之，作者展示了一种可基因编码的聚糖代谢标记技术，给出了非天然糖与突变酶“凹凸互补”的设计策略，成功对小鼠心肌细胞进行了特异性聚糖标记，并基于此方法对心肌细胞糖蛋白进行了组学分析。此方法不仅摆脱了以往细胞特异性糖标记的局限性，还能够对特定细胞进行高度选择性聚糖标记，为糖生物学研究提供了一种新的工具。
【文章链接】
https://www.nature.com/articles/s41589-022-01016-4
【DOI号】
https://doi.org/10.1038/s41589-022-01016-4
【本文作者】
肖云麒
黄硕课题组2022级博士生
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