唾液酸是糖缀合物中常见的一种单糖单元,参与多种分子和细胞间的相互作用。本文介绍一种利用代谢性糖工程修饰细胞表面唾液酸表达的方法, N乙酰甘露糖胺衍生物
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唾液酸是糖缀合物中常见的一种单糖单元,参与多种分子和细胞间的相互作用。本文介绍一种利用代谢性糖工程修饰细胞表面唾液酸表达的方法, N乙酰甘露糖胺衍生物
唾液酸(Sia)是糖缀合物(如N-和O-聚糖或糖脂)中一种极为重要的组成成分。由于其位于寡糖和多糖的非还原末端,并具有独特的化学特性,唾液酸参与了多种不同的受体-配体相互作用。通过修饰细胞表面唾液酸的表达,可进而影响依赖于唾液酸的相互作用。这种方法有助于研究唾液酸依赖性相互作用,并可能以有益的方式影响某些疾病的发展。通过代谢性糖工程(MGE)技术,可以调控细胞表面唾液酸的表达。该方法通过使用C2位修饰的N-乙酰甘露糖胺(ManNAc)衍生物处理细胞、组织甚至整个动物来实现。这些氨基糖作为唾液酸的前体分子,在细胞内被代谢为相应的唾液酸种类,并表达于糖缀合物上。应用该方法可在多种生物学过程中产生引人注目的效应。例如,它可显著降低 经处理神经元细胞中多聚唾液酸(polySia)的表达,从而影响神经元的生长与分化。本文展示了两种最常见的C2位修饰的N-酰基甘露糖胺衍生物——N-丙酰基甘露糖胺(ManNProp)和N-丁酰基甘露糖胺(ManNBut)的化学合成方法,并进一步说明如何在细胞培养实验中应用这些非天然氨基糖。修饰型唾液酸的表达水平通过高效液相色谱法(HPLC)进行定量,并结合质谱分析进一步确认。对多聚唾液酸表达的影响则通过使用商业化多聚唾液酸抗体进行蛋白质印迹(Western blot)分析加以阐明。
唾液酸是一种单糖,通常存在于糖缀合物的非还原末端,例如N-和O-聚糖或糖脂。在所有单糖中,唾液酸具有一些独特的化学特性:它具有9个碳原子的骨架结构,C-1位上有一个羧基,在生理条件下该羧基发生去质子化而带负电荷,C-5位上则含有一个氨基。尽管迄今为止已鉴定出50多种天然存在的唾液酸变异体1,但在人类中最主要的唾液酸形式是N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)。其他哺乳动物还表达较大量的N-羟乙酰神经氨酸(Neu5Gc)2,3。
由于唾液酸在糖缀合物中处于暴露位置,因此参与了大量受体-配体相互作用,例如流感病毒血凝素依赖性的与宿主细胞的结合4。一种具有重要生物学功能的唾液酸表位是多聚唾液酸,尤其在胚胎发育及神经系统中发挥关键作用。多聚唾液酸是由多达200个α2,8-连接的唾液酸组成的聚合物。多聚唾液酸的主要蛋白载体是神经细胞黏附分子(NCAM)。多聚唾液酸的表达可调节NCAM的黏附特性,其表达会降低细胞黏附性,并增强神经系统的可塑性5。
(多)唾液酸表达水平的变化最终会影响多种不同的生物学相互作用。这可用于在分子水平上研究已知的依赖唾液酸的生物学过程,揭示新的糖缀合物相互作用,或探索潜在的治疗策略。目前已有多种方法可用于调控细胞表面唾液酸的表达,例如使用特异性针对唾液酸的糖苷酶(唾液酸酶)进行处理、抑制唾液酸生物合成相关酶的活性6,7,8,或敲低或改变唾液酸生物合成关键酶的表达9。
另一种调控唾液酸表达的多功能方法是代谢糖工程(MGE,也称为代谢寡糖工程,MOE)。在此方法中,细胞、组织甚至动物被施用带有C2位氨基修饰的非天然ManNAc衍生物。作为唾液酸的前体分子,这些ManNAc类似物在被细胞摄取后,会单向代谢生成非天然唾液酸,并可表达于唾液酸化糖缀合物上。使用带有脂肪族C2修饰的ManNAc衍生物(如ManNProp或ManNBut)处理的细胞确实会将其掺入 N丙酰基神经氨酸(Neu5Prop)或 N唾液酸丁酰化物(Neu5But)在其糖缀合物中10,11通过在 ManNAc 的 C2 位引入官能团,可将产生的非天然唾液酸进行偶联, 例如, 通过施陶丁格连接反应或叠氮-炔环加成反应,与荧光染料连接,从而在细胞表面可视化12.
这些非天然唾液酸的表达对多种生物过程具有引人注目的影响,包括病原体感染、肿瘤细胞的黏附与迁移、普通细胞黏附,以及血管生成和细胞分化(综述见:Wratil et al.13)。有趣的是,使用N-酰基修饰的甘露糖胺进行代谢标记(MGE)也可用于干扰多聚唾液酸的表达。多聚唾液酸由两种不同的多聚唾液酸转移酶(ST8SiaII 和 ST8SiaIV)催化生成。已有研究表明,非天然唾液酸前体(如 ManNProp 或 ManNBut)可抑制多聚唾液酸转移酶 ST8SiaII 的活性14,15。此外,在人神经母细胞瘤细胞中的研究已证实,应用 ManNProp 或 ManNBut 也会整体降低唾液酸化水平15。
MGE 与 N-酰基修饰的甘露糖胺是一种易于应用的方法,已成功用于哺乳动物和细菌细胞培养,以及多种不同物种的完整动物体内 秀丽隐杆线虫16斑马鱼17,或小鼠18,19,20,21特别是带有脂肪族修饰的 ManNAc 衍生物(包括 ManNProp 和 ManNBut),即使在细胞培养基或血浆中达到毫摩尔浓度时,也几乎无细胞毒性。此外,这些化合物相对易于合成。
在此,我们提供有关如何使用MGE的详细说明 N-N-乙酰化修饰的甘露糖胺。首先,介绍了该领域中两种最常用的ManNAc衍生物ManNProp和ManNBut的化学合成方法。接着,我们展示了如何将MGE应用于一个 体内 实验。以神经母细胞瘤细胞系Kelly为例,通过Western blot检测显示,经ManNAc衍生物处理后,多聚唾液酸表位的表达水平降低。细胞表面的非天然唾液酸通过高效液相色谱(HPLC)进行定量,并进一步通过质谱分析进行表征。
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1. 缓冲液和试剂的制备
2. ManNProp 及相关 N-酰基修饰甘露糖胺的合成
3. 细胞培养
4. 用于高效液相色谱分析的细胞裂解
5. 分离膜组分
6. 酸性水解
注意:细胞膜中的寡糖和多糖被水解为单糖。此外,单糖上可能存在的O-修饰也被水解。这是定量高效液相色谱(HPLC)分析所必需的,因为膜组分中的绝大多数唾液酸天然存在于糖缀合物中,并可能带有O-乙酰基或O-乳酰基修饰。
7. 荧光标记
8. 高效液相色谱分析
注意:标记的样品在配备C18反相柱(110 Å,3 µm粒径,4.6 x 150 mm)、荧光检测器和馏分收集器的高效液相色谱(HPLC)系统上进行分析。所用溶剂为甲醇、乙腈和水。如果HPLC系统无内置脱气装置,测量前务必对所有溶剂进行脱气处理。
9. 唾液酸单糖的质谱分析
注意:可通过液相色谱(LC)电喷雾电离质谱法(ESI-MS)进一步分析目标HPLC保留峰,以确认非天然唾液酸种类。
10. 凯利神经母细胞瘤细胞中多聚唾液酸的蛋白质印迹分析
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荧光标记的Neu5Ac和Neu5Gc标准品的高效液相色谱图如图2所示。采用本文所述方法,DMB标记的Neu5Gc通常在7–9分钟的洗脱时间内出峰,而DMB-Neu5Ac则在10–12分钟之间出峰。色谱图中通常在2–6分钟之间出现若干较小的峰,这些峰代表未反应的DMB及反应中间产物25。
图3展示了细胞裂解液的代表性色谱图。与DMB标记的标准品色谱图(图2)相比,这些色谱图中可见多个未定义的峰。这很可能是因为细胞裂解液本身存在内源性杂质,以及DMB不仅与唾液酸种类反应,还与细胞裂解液中存在的其他α-酮酸(包括丙酮酸、琥珀酸和α-酮戊二酸)发生反应所致26。此外,也可能存在少量带有
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如果通过质谱分析化学合成的 ManNAc 衍生物 ManNProp 和 ManNBut,应仅检测到两种样品正确的质荷比峰。因此,可认为产物纯度超过 99%。在裂解细胞的膜组分中可检测到少量通常不存在于人类细胞中的 Neu5Gc29。这很可能通过一种补救途径实现,该途径从培养基中胎牛血清的唾液酸糖缀合物中回收 Neu5Gc30。使用唾液酸生物合成的天然前体 ManNAc 处理细胞,可显著降低细胞表面 Neu5Gc 表位的表达。
迄今为止,在所有被研究的细胞中,修饰型甘露糖胺的应用几乎无毒性。细胞能够耐受培养基中较高毫摩尔浓度的糖类,这是必要的,因为目前尚无特异性的N-酰基甘露糖胺转运蛋白。已有研究表明,N-酰基甘露糖胺的应用可激活信号转导通路,这可能影响细胞的生长或分化31,32。但这种效应究竟是由于唾液酸化模式的改变,还是反映了对修饰型...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 L. D. Nguyen 对手稿的校对以及富有成效的讨论。此外,感谢 J. Dernedde 和 H. G. Nguyen 协助我们准备视频拍摄工作。视频的大部分场景是在 R. Tauber 的实验室中拍摄完成的。我们还感谢马克斯·普朗克胶体与界面研究所向我们免费开放其质谱设施。RH 得到了德国研究基金会(DFG)(ProMoAge 项目)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞 | Sigma-Aldrich | 92110411 | |
| RPMI 培养基 | Sigma-Aldrich | R8758 | |
| 75 ml 组织培养瓶 | Greiner | 690175 | |
| 48 孔板 | Corning | 3548 | |
| 胎牛血清(FCS) | PAA | A15-102 | |
| 青霉素-链霉素溶液(Pen/Strep) | Gibco | 15140-122 | |
| 胰蛋白酶 | Gibco | 15400-054 | |
| EDTA | Roth | X986.1 | |
| Tris | Serva | 37190.03 | |
| SDS | Roth | 2326.2 | |
| SDS-PAGE 电泳设备(电泳槽、玻璃器皿等) | VWR | SDS Gel/Blot | |
| 丙烯酰胺 | Roth | 3019.1 | |
| 蛋白分子量标准 | Fisher Scientific | 267620 | |
| 硝酸纤维素膜 | GE Healthcare | 10600002 | |
| 丽春红(Ponceau red) | Roth | 5938.2 | |
| 脱脂奶粉 | Roth | T145.3 | |
| 化学发光试剂(ECL) | Millipore | WBLUF 0500 | |
| 0.5 ml 离心过滤管,含 3 kDa 超滤膜 | Merck-Millipore | UFC500324 | |
| 15 mL 离心管 | Sigma-Aldrich (Corning) | CLS430791-500EA | |
| 2-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M6250-10ML | |
| 2-丙醇 | Sigma-Aldrich | 34965-1L | HPLC 梯度级 |
| 4,5-亚甲二氧基-1,2-苯二胺二盐酸盐 | Sigma-Aldrich | D4784-50MG | |
| 48 孔平底组织培养板 | Sigma-Aldrich (Corning) | CLS3548-100EA | |
| 50 mL 离心管 | Sigma-Aldrich (Corning) | CLS430829-500EA | |
| 乙腈 | Sigma-Aldrich | 34967-1L | HPLC 梯度级 |
| 牛肺抑肽酶(Aprotinin) | Sigma-Aldrich | A1153-10MG | 冻干粉末,3-8 TIU/mg 固体 |
| 丁酰氯 | Sigma-Aldrich | 109614-250G | |
| C18 反相色谱柱 | Phenomenex | 00F-4435-E0 | 110 Å, 3 µm 粒径,4.6 x 150 mm |
| D-甘露糖胺盐酸盐 | Sigma-Aldrich | M4670-1G | |
| 杜尔贝科磷酸盐缓冲液(Dulbecco's Phosphate Buffered Salt Solution) | PAN Biotech | P04-36500 | |
| 乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraacetic acid) | Sigma-Aldrich | E9884-100G | |
| 甲酸 | Sigma-Aldrich | 56302-50ML-GL | |
| 盐酸溶液 | Sigma-Aldrich | H1758-100ML | 36.5-38.0%,溶于水 |
| 亮抑蛋白酶肽(Leupeptin) | Sigma-Aldrich | L2884-10MG | |
| 甲醇 | Carl-Roth | T169.2 | HPLC 梯度级 |
| N-乙酰-D-甘露糖胺 | Sigma-Aldrich | A8176-250MG | |
| N-乙酰神经氨酸 | Sigma-Aldrich | A0812-25MG | |
| N-羟乙酰神经氨酸 | Sigma-Aldrich | G9793-10MG | |
| 苯甲基磺酰氟(Phenylmethanesulfonyl fluoride) | Sigma-Aldrich | P7626-250MG | |
| 丙酰氯 | Sigma-Aldrich | P51559-500G | |
| 避光安全锁扣管,1.5 mL,棕色(避光) | Eppendorf | 30120191 | |
| 安全锁扣管,1.5 mL,无色 | Eppendorf | 30120086 | |
| 亚硫酸氢钠溶液 | Sigma-Aldrich | 13438-1L-R-D | 40%,溶于水 |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | 746398-500G-D | |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 795429-500G-D | |
| 氢氧化钠溶液 | Sigma-Aldrich | 319511-500ML | 1.0 M,溶于水 |
| 甲醇钠 | Sigma-Aldrich | 164992-5G | |
| 三氟乙酸 | Sigma-Aldrich | T6508-100ML-D | |
| Tris 盐酸盐 | Sigma-Aldrich | T5941-100G | |
| 含 0.25% 胰蛋白酶和 0.02% EDTA 的 PBS 溶液 | PAN Biotech | P10-019100 | |
| 水 | Carl-Roth | T905.1 | HPLC 梯度级 |
| 硅胶 60 | Carl-Roth | 9779.1 | |
| 高效液相色谱仪(HPLC) | Agilent | ||
| 电喷雾离子化质谱系统(ESI-MSD-System) | Agilent |
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