工程化细菌培育出癌症生物标记物

2020-11-03 190细菌

可怜的聚糖。这些复杂的糖分子附着在人体80%的蛋白质上,使其成为生命的基本成分。但这个被称为糖基化的过程,一直被转录和翻译等更炫目的生物分子过程所掩盖。

工程化细菌培育出癌症生物标记物

“糖基化对这个星球上的生命是绝对必要的。然而,我们对它的了解仍然相对较少,”史密斯化学与生物分子工程学院威廉L.刘易斯工程教授马修·德里萨说虽然人们对基因组和蛋白质组的理解给予了很大的关注,但代表一个有机体中游离或存在于更复杂分子(如糖蛋白)中的完整糖补体的糖组却相对缺乏研究。我们需要新的工具来推动这一领域的发展。”

工程化细菌培育出癌症生物标记物,DeLisa的实验室正是通过征用简单的单细胞微生物--即大肠杆菌--并对其进行工程设计来创造这些工具,以探索糖基化的复杂过程,以及蛋白连接糖在健康和疾病中发挥的功能作用。

该小组的论文 "Engineering Orthogonal Human O-linked Glycoprotein Biosynthesis in Bacteria "7月27日发表在《自然化学生物学》上。主要作者是19年博士Aravind Natarajan。

O-linked聚糖

此前,DeLisa的团队使用类似的细胞糖工程方法生产了一种最常见的糖蛋白类型--那些与氨基酸天冬酰胺相连的聚糖结构,或者说N-linked。现在,研究人员将目光转向了另一种丰富的糖蛋白,即O-linked,其中的聚糖与蛋白质的丝氨酸或苏氨酸氨基酸的氧原子相连。

O型连接的聚糖比其N型连接的表亲在结构上更加多样化,它们对乳腺癌等疾病的新治疗方法的开发具有重要意义。

"我们的细胞工程工作相当复杂,因为我们不仅需要为大肠杆菌配备一套完整的酶,用于制造并将聚糖结构连接到蛋白质上,而且我们还必须仔细地重新连接本地代谢网络,以确保重要的聚糖构件(如西亚酸)的可用性,"Natarajan说。"在我们的糖蛋白中添加sialic acid意义重大,因为这种糖残基通常对将药物靶向特定细胞并增加其循环半衰期至关重要。"

机理描述

当一个细胞变成癌细胞时,它会表达某些生物标志物,包括异常的糖基化表面蛋白,这表明癌症的存在。DeLisa的小组为大肠杆菌配备了产生这种蛋白质的机器,包括一种与一种突出的癌症生物标志物--粘蛋白1(MUC1)非常相似的蛋白质。

"MUC1的糖基化版本是癌症治疗中最优先的靶抗原之一。针对这个靶点开发疗法一直非常具有挑战性,"论文的资深作者DeLisa说。"但通过拥有像我们创造的这种能够复制MUC1结构的生物合成工具,我们希望这可以提供糖蛋白试剂,可以利用它来发现抗体或直接作为免疫疗法来使用,所有这些都有助于对抗某些类型的癌症。"

在导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的表面蛋白之一中,也发现了O-linked和N-linked糖蛋白。DeLisa希望他的小组的细菌细胞糖工程方法能够为创造这种S蛋白的糖基化版本打开大门,从而产生针对冠状病毒的治疗性抗体,或者开发一种亚单位疫苗。

由于他们早先的工作是复制N-linked glycans,研究人员能够迅速让O-linked系统运行起来。现在,DeLisa的实验室已经做好了制造携带这两种糖基化类型的蛋白质的准备,这一点意义重大,因为许多糖蛋白,如SARS-CoV-2中的S-蛋白,同时携带N-和O-连接的聚糖结构。

进一步研究

工程化细菌培育出癌症生物标记物,研究人员还在探索如何增加他们的工程大肠杆菌细胞能够产生的糖蛋白谱,以及产生这些产品的效率。

"当涉及到蛋白质糖基化时,我们认为大肠杆菌是一个干净的底盘或空白板,因为这些细菌通常不会像我们安装的那样进行糖基化反应,"DeLisa说。"这允许从底层向上构建这些途径,让我们完全控制所制造的聚糖结构的类型,以及它们在目标蛋白质中连接的特定位置。这是其他已有的基于细胞的糖蛋白工程系统或技术难以达到的控制水平。"

引用

Cornell University. "Engineered bacteria churn out cancer biomarkers." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 September 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200917105409.htm.

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