细胞表面特定蛋白上聚糖糖型的原位成像

Protein glycosylation exerts significant influence on protein structures and functions, and aberrant glycosylation process is generally related to a certain disease state. The proposed project is focused on the research topic of “protein-specific glycoform imaging”. The idea is that, through the introduction of selective “covalent labeling technology”, cellular function interference issue associated with the currently used metabolism-based glycan labeling technology can be addressed. This approach will allow the expansion of the research scope of target glycans, circumvention of the low affinity issue of lectins, and realization of protein-specific, tumor-related complex oligo-saccharide imaging. Further, through the combination with polychromatic light emission-capable nanomaterials and DNA labeling-enabled differentiation technology, we wish to develop multiplexed imaging methods that allow the monitoring of multiple glycans associated with certain protein-specific glycoforms and apply those methods in the comparison of protein-specific glycoform expression patterns on different types of cells; another aspect of the research is to, based on the comprehensive use of cell- and protein-specific recognition and through the combination with 3D cell imaging technology, develop new protein-, site-, and cell-specific glycoform imaging strategies. The new methods established by the proposed project will have significant impact on the observation of glycoform structure change on tumor cell glycoproteins at the protein and molecular levels, study of relationship between tumor and glycoprotein glycoform expression pattern, and revelation of the role of protein glycosylation process on inter-cellular communication and cell signal transduction.

蛋白质的糖基化对于蛋白的结构和功能具有重要影响，异常的糖基化过程通常与疾病相关。本项目聚焦于细胞表面“特定蛋白的糖型成像”研究，拟通过引入选择性的“聚糖化学标记技术”，克服目前使用的新陈代谢糖标记技术干扰细胞功能的缺点，拓宽目标聚糖的研究范围，解决凝集素识别亲和力低的问题，实现特定蛋白上肿瘤相关的复杂寡糖的原位成像。进一步通过结合具有多发射能力的纳米材料以及DNA标记分辨技术，发展对于细胞表面特定蛋白上糖型的多种糖基进行同时原位成像的多通道技术，并用于比较不同细胞上蛋白特异性的糖型表达谱；综合运用细胞和蛋白水平的特异性识别并结合3D细胞成像技术，发展兼具蛋白、位点、细胞三个层面特异性的糖型成像新原理和新策略。本项目所建立的新方法，对于在蛋白和分子水平上观察肿瘤细胞上糖蛋白糖型的结构改变，研究肿瘤与糖蛋白糖型表达的关系，揭示蛋白质糖基化在细胞间通讯和细胞信号转导过程中的作用具有重要意义。

该项目聚焦于空间特异性聚糖标记和成像新方法的建立，并将研究对象从细胞拓展到外泌体，取得了如下创新性成果：1）提出具有酶普适性的局域酶催化聚糖标记技术，解决了当前聚糖标记“缺乏时空可控性”的问题，大大提高了标记效率，分别在蛋白、细胞不同特异性层面实现了聚糖的标记和成像；利用聚糖局域标记技术解决了细胞膜上脂筏的原位标记和长时间成像的难题；进一步发展了小分子/温度响应的细胞选择性聚糖编辑方法，实现了活细胞、组织切片上糖链结构的原位干预。2）设计在活细胞表面报告特定蛋白聚糖表达的新机制，原创性地提出“闭环拓扑信号传递”设计原则和糖蛋白分级结构报告新原理，建立了特定蛋白上两种聚糖的同时成像和相对表达程度定量的新方法，并将其进一步拓展，实现了具有两种翻译后修饰的特定蛋白亚型的分辨。3）发展了外泌体表面聚糖多通道高灵敏检测的新策略，进一步提出电化学定量局域分析新原理，发展了外泌体表面特定蛋白的聚糖检测新方法，首次揭示外泌体具有不同于母细胞的蛋白糖型。4）设计了细胞内去糖基化过程的响应性探针，结合靶向输运技术，提出糖功能酶活性的原位追踪新策略。.这些工作提出了蛋白糖基化的成像分析新原理，拓宽了生命分析化学的研究领域，为生物大分子化学修饰过程的检测方法建立提供了研究范式，也为阐明糖基化的相关机制，开展以聚糖为标志物的疾病诊疗研究奠定了基础，对化学测量学、化学生物学、生命科学和医学研究的发展和交叉集成具有重要意义。研究成果发表SCI论文12篇（其中IF>5论文11篇），包括Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Chem. Sci. 1篇，Anal. Chem. 3篇。申请国家发明专利1项，参与出版英文专著1本。项目负责人获得2019年江苏省科学技术奖二等奖（第二完成人）和2016年江苏省科学技术奖一等奖（第四完成人）。培养博士研究生10人，硕士研究生15人，为项目负责人下一步进行细胞内聚糖成像方法学研究奠定了基础。