親和標(biāo)記（Affinity labeling）蛋白是生命科學(xué)領(lǐng)域中的重要檢測和分析工具。例如，針對蛋白的高親和力單克隆抗體可在不同實驗場景下實現(xiàn)蛋白質(zhì)的精準(zhǔn)靈敏檢測。糖質(zhì)（Glycans），作為一類重要的生物大分子，承載了豐富的生命信息1。對糖質(zhì)進(jìn)行有效的親和標(biāo)記是在不同生物學(xué)系統(tǒng)中探索糖質(zhì)功能的重要技術(shù)前提。然而，由于糖質(zhì)的免疫原性較低，針對聚糖的高親和力抗體十分稀少2。凝集素作為一類天然存在的糖質(zhì)結(jié)合蛋白，雖已被廣泛用于糖質(zhì)親和標(biāo)記，但其底物特異性較低，限制了其在糖質(zhì)功能研究中的應(yīng)用前景3。唾液酸（Sialic acids）是一類帶有負(fù)電的九碳糖。作為封端糖，唾液酸常以不同的鍵連形式（如α2,3、α2,6或α2,8）連接在糖鏈末端，在細(xì)胞遷移、病原體感染和腫瘤免疫調(diào)節(jié)等生物學(xué)過程中具有重要功能4,5。然而，對唾液酸化糖質(zhì)進(jìn)行連接方式特異的精準(zhǔn)親和標(biāo)記仍十分困難。為了解決上述問題，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北大合成與功能生物分子中心、北大-清華生命聯(lián)合中心陳興/戴鵬團(tuán)隊于2025年2月7日在Nature Communications期刊上在線發(fā)表了題為Mutant glycosidases for labeling sialoglycans with high specificity and affinity的研究論文。該工作報道了一類基于糖基水解酶突變策略的唾液酸化糖質(zhì)親和標(biāo)記工具 GRABs（Glycan recombinant affinity binders）。
作者利用了唾液酸酶這類自然界中經(jīng)過長時間進(jìn)化出的能夠高效識別唾液酸化糖質(zhì)的蛋白質(zhì)，從肺炎鏈球菌唾液酸酶（SpNanA）和瘤胃球菌唾液酸酶（RgNanH）催化結(jié)構(gòu)域出發(fā)，在其保守的催化機(jī)理基礎(chǔ)上，采用理性設(shè)計的方式進(jìn)行小規(guī)模突變篩選，分別獲得了識別各種連接方式和特異性識別α2,3連接唾液酸結(jié)合蛋白，并命名為GRAB-Sia和GRAB-Sia3。與目前唾液酸親和標(biāo)記使用的、具有顯著非特異性結(jié)合的“金標(biāo)準(zhǔn)”SNA、MAL-II兩種凝集素相比，細(xì)胞標(biāo)記實驗驗證了GRABs具有嚴(yán)格的唾液酸結(jié)合特異性。將GRAB單體通過生物素/鏈霉親和素系統(tǒng)組裝為四聚體（tetra-GRABs），進(jìn)一步提高了表觀親和力。利用tetra-GRABs，作者分析了小鼠多種器官組織中的唾液酸化糖質(zhì)分布，并揭示了不同連接方式的唾液酸化糖質(zhì)在小鼠腸道中的分布特征。GRABs和tetra-GRABs在多種糖質(zhì)標(biāo)記和分析領(lǐng)域，如免疫印跡、流式細(xì)胞術(shù)、免疫沉淀和熒光成像中都具有良好的效果，為唾液酸化糖質(zhì)研究提供了一類具有高特異性、高親和力和高便捷性的標(biāo)記工具。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院陳興教授和戴鵬副研究員為本文的通訊作者，2020級博士研究生梁舒瑜和博士后唐麒為本論文的共同第一作者。郭訓(xùn)孜，李子安，郭怡蘭博士，常敬涵，成波博士，宋其濤博士和孫嘉禹等為該工作做出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、李革趙寧生命科學(xué)青年研究基金、中國化學(xué)會青年人才托舉工程和“科學(xué)探索獎”等項目的支持。1. Schjoldager, K. T., Narimatsu, Y., Joshi, H. J. & Clausen, H. Global view of human protein glycosylation pathways and functions. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 729–749 (2020).2. Avci, F. Y., Li, X., Tsuji, M. & Kasper, D. L. A mechanism for glycoconjugate vaccine activation of the adaptive immune system and its implications for vaccine design. Nat. Med. 17, 1602–1609 (2011).3. Sharon, N. & Lis, H. History of lectins: from hemagglutinins to biological recognition molecules. Glycobiology 14, 53R-62R (2004).4. Pillai, S., Netravali, I. A., Cariappa, A. & Mattoo, H. Siglecs and immune regulation. Annu. Rev. Immunol. 30, 357–392 (2012).5. Chen, X. & Varki, A. Advances in the Biology and Chemistry of Sialic Acids. ACS Chem. Biol. 5, 163–176 (2010).文獻(xiàn)詳情：
Mutant glycosidases for labeling sialoglycans with high specificity and affinity
Shuyu Liang, Qi Tang, Xunzi Guo, Zi’an Li, Yilan Guo, Jinghan Chang, Bo Cheng, Qitao Song, Jiayu Sun, Peng Dai & Xing Chen
Nat Commun. 2025
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56629-9
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