谢然团队Nat Commun: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

发布时间:2023-12-14浏览次数:10

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。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。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。

硒元素作为人体的一种微量元素,具有良好的生物相容性,还被元素质谱(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。因此,Se可作为理想的定量标签。

基于此,我院谢然特聘研究员课题组与中科院高能物理所王萌副研究员课题组合作,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。该策略将硒作为定量标签,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MOESeMOE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。

1. SeMOE示意图(a)及新型硒代非天然糖(b

作者全面系统地评估了SeMOE的安全性、有效性、灵敏性、特异性,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,将其用于糖蛋白质组分析和靶向组学分析。进一步地,作者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,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。最后,作者将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。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。

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)。我院谢然特聘研究员及中科院高能物理所王萌副研究员为该论文的共同通讯作者,谢然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、中国科学院科研仪器设备研制项目、北京市自然科学基金等经费支持。