蛋白糖基化是蛋白翻译后修饰之中最为复杂的一类修饰，在药物研发和新的药物靶点发现中有着十分重要的应用前景。然而，与生物系统中蛋白质糖基化的多样性相比，聚糖分析的工具仍然有限，这直接限制了蛋白糖基化在药物研发中的应用。中国科学院上海药物研究所文留青课题组前期发展了基于生物素探针分子和糖苷内切酶的可逆标记策略（Angew. Chem.Int. Ed. 2022, 61, e202206802），实现了对核心岩藻糖的可逆标记研究，在组学水平上解析了蛋白核心岩藻糖糖基化在细胞表面的分布。然而，团队在利用先前报道的方法对更复杂的生物学样本进行分析时，发现了由恶唑环化的生物素探针分子引起的非特异标记反应。
为了解决上述问题，上海药物所文留青课题组与周虎课题组发展了基于温敏材料（PNIPAM）探针分子的新一代标记方法。实现了在多肽水平上对细胞内两种重要的蛋白糖基化（核心岩藻糖基化和O-GlcNAc糖基化）的同步精准解析（又名“一石二鸟策略”）。相关工作于2023年6月21日以“Two Birds One Stone” Strategy for the Site-Specific Analysis of Core Fucosylation and O-GlcNAcylation为题在线发表于J. Am. Chem. Soc.杂志，并被选为封面。
团队首先研究了不同细菌来源的突变型糖苷内切酶（N糖合成酶活性）和野生型糖苷内切酶（N糖水解酶活性）对于O-GlcNAc与核心岩藻糖的选择性。研究发现，EndoCC-N180H能够特异性地识别O-GlcNAc糖肽，催化活性优于已经报道的EndoM-N175Q。而EndoF3-D165A能够选择性地标记核心岩藻糖肽（之前报道发现）。两种酶同时都能高效地利用非天然的叠氮化底物分子（探针1），从而对核心岩藻糖肽和O-GlcNAc糖肽进行分别标记。在进行“one-pot”的标记反应之后，利用二苯并环辛炔（DBCO）功能化的温敏材料（探针2），通过无铜催化反应对标记的糖肽分子进行捕获富集。有趣的是，富集后的肽段仍然可以被野生型的糖苷内切酶EndoCC与EndoF3识别并切割释放，从而实现“可逆无痕”标记。释放的糖肽，通过质谱分析得到蛋白糖基化位点信息。该方法避开了使用传统生物素探针（非特异性标记信号和探针分子除去困难）和常见固相合成材料（难以被糖苷内切酶识别）。在常温下，PNIPAM能够溶解在水中；升温时，PNIPAM析出，通过简单离心即可实现糖肽的富集，操作便捷。PNIPAM的温敏特性不仅完美契合了酶催化的反应温度，还能通过简单的升温和降温操作实现富集操作。
最后，科研人员利用新建立的富集策略，对三种肿瘤细胞系的糖蛋白组学进行研究，获得了比大多数报道方法更多的蛋白糖基化位点数。组学结果显示，核心岩藻糖基化主要与细胞表面和细胞外基质的功能相关，而O-GlcNAc糖基化主要与细胞核和DNA转录过程相关。保守的糖基化位点分析发现，核心岩藻糖蛋白主要与PI3K-Akt信号通路相关，而O-GlcNAc糖蛋白主要与Notch通路相关。这个结果与之前报道的研究结果吻合，也进一步佐证了所开发方法的可靠性。该方法是在多肽水平对目标样本进行标记和富集，因而有着更广阔的应用场景，比如可以实现对肿瘤组织样本进行分析。
总之，这项工作为活细胞中复杂糖基化修饰的解析提供了一种经济、便捷和有效的研究工具，有助于推动糖基化的化学酶法标记策略在蛋白糖基化的功能研究和潜在药物新靶点的发现等方面的应用。
上海药物所文留青课题组硕士研究生罗雅文，助理研究员田银平和周虎课题组博士生王宇秋为论文的第一作者。文留青研究员和周虎研究员为论文通讯作者。该工作受到临港实验室、上海市糖专项和国家基金委的资助支持。
全文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c02976
