大家好，今天分享一篇由北京大学陈兴教授发表在Journal of the American Chemical Society上的文章，题为“Fast Metabolic Glycan Labeling for Click-Labeling and Imaging of Sialoglycans in Living Acute Brain Slices from Mice and Human Patients”。在本工作中，作者报道了一种快速代谢聚糖标记（Metabolic Glycan Labeling，MGL）策略——fMGL，其中ManNAz-6-phosphate((ManNAc-6-P)类似物通过绕过唾液酸生物合成途径的瓶颈步骤，在12小时内实现了叠氮糖有效结合，随后结合荧光团点击标记，实现了对小鼠和人类患者的急性脑切片中的唾液酸聚糖成像。
活体急性脑切片为人类脑病理唾液化成像提供了一个实用的平台，可以在患者样本的组织水平上研究神经元功能和神经疾病。然而，急性脑切片寿命有限，通常为6-12小时，因此仅适用于短期研究。而唾液聚糖的MGL通常需要用非天然糖培养细胞2-3天，或通过静脉注射给小鼠或大鼠3-7天，因此现有基于MGL的荧光成像技术并不适用于活体急性脑切片的唾液酸聚糖成像。为了填补这两个时间尺度之间的空白，作者开发了快速MGL策略（fMGL）。
首先，作者设计一系列ManNAz-6-P类似物。已知由ManNAc激酶控制的由ManNAc到ManNAc-6-P转化是唾液酸从头合成中的限速步（图1a），且以往研究报道ManNAc-6-激酶对N -酰基取代的ManNAc类似物的效率严重降低，因此作者认为绕过低效率的磷酸化步骤，可以加速唾液酸类似物的生物合成。但在ManNAc-6-P上安装一个生物正交基团，产生的ManNAc-6-P类似物具有负电荷，会导致细胞摄取不良，阻碍了它们用于MGL。因此作者设计了部分保护的ManNAz-6-P作为更快的代谢标记探针。为了使ManNAz-6-P具有中性和亲脂性，作者采用s -酰基-2-硫乙基(SATE)和乙酰基来保护C-6磷酸基和C-1羟基。一旦受保护的ManNAz-6-P进入细胞内，SATE和乙酰基都可以被胞质酯酶去除。
作者化学合成了5个具有不同SATE基团的1-Ac-ManNAZ-6-SATE2-P化合物(图1b)，并评估了他们在MCF-7和HeLa细胞中对唾液酸聚糖的代谢标记效率和特异性，结果表明这些化合物均可特异性标记唾液聚糖，且不会造成巯基的糖基化，作者选择了工作浓度最高且无细胞毒性的AMS-ManNAz-P进行后续实验。
接着作者研究了部分保护的ManNAz-6-P是否可以快速代谢标记唾液酸聚糖，实验表明：处理4h时，AMS-ManNAz-P处理的细胞就可以表现出明显的细胞表面荧光信号，而其他叠氮糖荧光信号无法检测到或极低，处理12小时时，荧光强度在背景上增加了100倍以上。这个时间框架适合急性脑组织切片的体外培养，而不会明显损害细胞活力。
作者首先尝试使用AMS-ManNAz-P对急性小鼠脑切片进行唾液酸聚糖标记和成像（图3）。当脑片孵育12 h时，AMS-ManNAz-P能够对唾液酸聚糖进行荧光标记（图4），下丘脑等各脑区组织切片均可应用AMS-ManNAz-P进行fMGL处理，也可以结合点击扩展显微镜(click-ExM)，实现对急性脑切片的唾液酸聚糖的高分辨率成像。
图3 fMGL标记的实验程序
最后，作者将fMGL策略应用于胶质瘤患者的急性切片中，基于fMGL的荧光成像显示唾液化上调特异性发生在星形细胞样胶质瘤细胞中，而不发生在肿瘤区域的神经元中。
综上所述，作者报道了快速MGL(fMGL)的开发，可将叠氮糖的有效代谢结合时间缩短到12 h内，适用于小鼠和人类患者急性脑切片中的唾液酸聚糖成像。展示了该策略在在多糖的组织成像和外科病理中的应用潜力。
编辑：王祎纯
审核：王紫丹
请点击推送末尾“阅读原文”查看文章
作者信息
陈兴
北京大学化学学院教授，生命科学联合中心高级研究员，合成与功能生物分子中心研究员
研究兴趣：
化学糖生物学和生物纳米技术，综合运用化学方法、生物手段和纳米技术，研究糖基化的生物学功能及其在代谢疾病及其心血管并发症中的作用。主要研究内容包括：
1. 活细胞及活体中聚糖的化学标记
2. 糖的合成、成像和组学分析
3. 糖基化在神经系统和干细胞中的功能
4. 糖代谢与糖基化的内在联系
5. 基于生物正交反应的化学生物学技术
