新突破
新guan肺炎自2019年暴發(fā)以來,給全社會(huì)帶來了災(zāi)難性的影響,不僅對quan世界人民的健康造成了巨大威脅,還對全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了震蕩性的影響。因此,對新guan肺炎的研究也顯得愈發(fā)重要。近期,來自北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心的黃超蘭團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院院士高福團(tuán)隊(duì)以及中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所高峰團(tuán)隊(duì),通過采用基于質(zhì)譜的糖基化修飾鑒定技術(shù),對新guan肺炎顆粒上S蛋白的O-糖基化修飾圖譜進(jìn)行了整體描繪,進(jìn)而提出了“O-Follow-N”的O糖基化修飾規(guī)律,為新guan肺炎的致病機(jī)制探索提供了研究基礎(chǔ)。而這項(xiàng)出色的研究,也于2021年8月2日以“O-glycosylation pattern of the SARS-CoV-2 spike protein reveals an“O-Follow-N” rule”為題發(fā)表在了Cell Research期刊上。
糖基化修飾(Glycosylation)是蛋白質(zhì)主要的翻譯后修飾類型,其廣泛參與細(xì)胞黏附、識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要過程,影響蛋白質(zhì)的分泌、運(yùn)輸和穩(wěn)態(tài)調(diào)控,可發(fā)生在細(xì)胞50-70%的蛋白質(zhì)上,2021年糖基化修飾鑒定被Nature Methods評為zui值得關(guān)注的技術(shù)之一。
根據(jù)糖苷鏈類型,蛋白質(zhì)糖基化修飾可以分為四類:(1)N-連接糖基化;(2)O-連接糖基化;(3)C-連接糖基化;(4)糖基磷脂酰肌醇錨定。
其中O-糖基化修飾,是在高爾基體中產(chǎn)生。它在人體中有70余種常見糖型,無特定氨基酸結(jié)構(gòu)域。目前,對O-糖基化修飾研究存在許多困難,比如:
1、糖基化修飾的糖鏈形成無固定模版;
2、受200多種糖基轉(zhuǎn)移酶的復(fù)雜調(diào)控;
3、糖基化肽段劑量水平低;
4、規(guī)?;擎溄Y(jié)構(gòu)解析通量低;
5、糖鏈構(gòu)成微不均一性,定性與定量困難;
6、功能性糖基化位點(diǎn)及關(guān)鍵糖結(jié)構(gòu)指認(rèn)困難。
受這些因素影響,對O-糖基化修飾的研究也是少之又少。現(xiàn)階段,對于大規(guī)模、高通量的蛋白質(zhì)翻譯后修飾的研究,zuihao的途徑就是利用基于高分辨質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)。在這篇報(bào)道中,黃教授等團(tuán)隊(duì),就是通過基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),克服一系列困難,shou次對新guan病毒上S蛋白的O-糖基化進(jìn)行了綜合性描繪。
實(shí)驗(yàn)中,研究者為獲得天然狀態(tài)下S蛋白的N-和O-糖基化修飾完整圖譜,首先從SARS-CoV-2病毒顆粒上獲得S蛋白,并使用了LysC+Trypsin, Chymotrypsin, GluC, Elastase 以及 alpha-Lytic等多種蛋白酶將S蛋白酶解成肽段。而對于這種復(fù)雜糖蛋白酶解后產(chǎn)生的肽段,普通質(zhì)譜很難進(jìn)行檢測。研究者則采用了具有超高分辨率的Orbitrap Eclipse 三合一質(zhì)譜儀,并利用三合一儀器多種碎裂功能中的階梯HCD(stepped collisional energy SCE),HCD(Higher-energy collisional dissociation)以及組合式的HCDpdEThcD三種碎裂方法進(jìn)行質(zhì)譜分析。
圖1. Orbitrap Eclipse 三合一質(zhì)譜儀
Orbitrap Eclipse三合一質(zhì)譜儀是一臺(tái)不僅擁有著CID, HCD, ETD HD, EThcD HD, ETciD, UVPD, PTCR等多種碎裂模式的質(zhì)譜儀,而且還具有高達(dá)50萬的分辨率,能夠?qū)Χ喾N形式的修飾肽段進(jìn)行精準(zhǔn)定性與定量,為研究者提供了更堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。
研究中,研究者共鑒定到了39個(gè)糖基化修飾位點(diǎn)。其中包括此前已報(bào)道的22個(gè)N-糖基化修飾位點(diǎn),以及17個(gè)O-糖基化修飾位點(diǎn)。值得注意的是,這17個(gè)O-糖基化修飾位點(diǎn)是shou次從SARS-CoV-2病毒顆粒中提取的S蛋白上鑒定到的。并且通過深入分析這些位點(diǎn),研究者發(fā)現(xiàn)在這17個(gè)位點(diǎn)中,有11個(gè)位點(diǎn)位于糖基化的天冬酰胺(Asn, N)附近。為了更準(zhǔn)確的對這一現(xiàn)象進(jìn)行挖掘,研究者將NxS/T共有基序內(nèi)糖基化的N每一側(cè)的3個(gè)氨基酸定義為“N±1-3”。分析結(jié)果顯示,11個(gè)O-糖基化修飾位點(diǎn)分布在“N±1-3”的位置上,位點(diǎn)信息確定的位點(diǎn)有10個(gè),其中7個(gè)位點(diǎn)分布在“N+2”的位置上。研究者還通過開展定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)N糖基化修飾的存在是“N±1-3”的位置上出現(xiàn)O-糖基化修飾的先決條件?;谝陨戏治?,研究者提出SARS-CoV-2病毒S蛋白的糖基化修飾存在O-糖基化修飾追隨N-糖基化修飾發(fā)生的現(xiàn)象,并將這一現(xiàn)象命名為“O-Follow-N”規(guī)律。
圖2.新guan病毒S蛋白上符合“O-Follow-N”規(guī)律的O糖基化修飾
小結(jié)Summary
研究基于前沿的質(zhì)譜分析技術(shù),通過使用超高分辨的三合一質(zhì)譜儀Orbitrap Eclipse,揭示了新guan病毒上S蛋白的O糖基化修飾譜,進(jìn)而提出了O 糖基化修飾的“O-Follow-N”規(guī)律,同時(shí)這一規(guī)律也可能適用于其它蛋白。這個(gè)規(guī)律提示O-糖基化修飾具有潛在的調(diào)控新機(jī)制,特別是N-和O-糖基化修飾之間可能存在的協(xié)同作用,未來有望在極大程度上推動(dòng)糖生物學(xué)領(lǐng)域的研究。
黃超蘭
(北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心主任)
問:根據(jù)您的經(jīng)驗(yàn),O-糖基化修飾鑒定的難點(diǎn)在哪里?
答:對于所有的蛋白翻譯后修飾鑒定都普遍存在著幾個(gè)相同的難點(diǎn):(1)修飾豐度相對較低,難以直接鑒定,往往需要進(jìn)行修飾富集,因此對樣本量等要求較高;(2)修飾調(diào)節(jié)為動(dòng)態(tài)變化過程,鑒定重復(fù)性會(huì)相對低一點(diǎn)。而對于O-糖基化修飾,因其特殊性,又有幾個(gè)其他因素影響:(1)糖基化修飾的糖鏈形成無固定模版,且受多種糖基轉(zhuǎn)移酶的復(fù)雜調(diào)控;(2)規(guī)?;擎溄Y(jié)構(gòu)解析通量低,定性與定量困難;(3)功能性糖基化位點(diǎn)及關(guān)鍵糖結(jié)構(gòu)指認(rèn)困難。
問:Orbitrap Eclipse Tribrid三合一質(zhì)譜聯(lián)用儀在該研究中發(fā)揮了怎樣的作用?
答:在我們的實(shí)驗(yàn)體系中,使用了多種蛋白酶對S蛋白進(jìn)行處理,因此會(huì)產(chǎn)生長短不一,形式各異的肽段,而這就要求配套的質(zhì)譜儀器能夠具有多種碎裂模式,而 Orbitrap Eclipse質(zhì)譜儀就很好地滿足了我們的需求。并且Orbitrap Eclipse具有很好的分辨率以及穩(wěn)定性,這對我們的實(shí)驗(yàn)提供了很大幫助。
問:新guan病毒顆粒上提取的S蛋白O-糖基化修飾圖譜的揭示對新xing冠狀病毒肺炎的研究有哪些幫助?
答:我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了“O-Follow-N”變化規(guī)律,這對研究糖基化的變化具有很好的提示作用。并且這個(gè)規(guī)律也顯示O-糖基化修飾具有潛在的調(diào)控新機(jī)制,特別是N-和O-糖基化修飾之間可能存在的協(xié)同作用,未來有望在極大程度上推動(dòng)糖生物學(xué)領(lǐng)域的研究。
專家介紹
黃超蘭教授長期致力于質(zhì)譜和蛋白質(zhì)組學(xué)前沿新技術(shù)和方法的研究開發(fā),應(yīng)用范圍包括生物學(xué)基礎(chǔ)、醫(yī)學(xué)和臨床研究,是高度跨界,善于交叉學(xué)科整合,戰(zhàn)略規(guī)劃制定和人員管理的quan方位技能科學(xué)家。
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