聚糖是自然界中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的生物大分子之一，在胚胎發(fā)育、免疫識別、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞通訊等生命活動(dòng)過程中發(fā)揮起著重要的作用。聚糖發(fā)揮生物學(xué)功能主要是通過其與細(xì)胞內(nèi)一類糖結(jié)合蛋白（也稱為凝集素）之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)。因此，深入研究糖與凝集素的結(jié)合機(jī)制以及開發(fā)化學(xué)工具干預(yù)其相互作用尤為重要。

驅(qū)動(dòng)聚糖與凝集素結(jié)合的主要作用力是富含電子的芳香氨基酸側(cè)鏈和糖環(huán)C-H質(zhì)子的部分正電荷之間的相互作用（稱為CH-π作用力）。通過對聚糖與蛋白的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)解析結(jié)合生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)芳香族氨基酸殘基（特別是色氨酸）在糖結(jié)合口袋中出現(xiàn)幾率最高，表明CH-π作用力在聚糖與蛋白的識別中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這也為操縱CH-π作用力進(jìn)而調(diào)控聚糖與蛋白的識別提供了理論基礎(chǔ)。

2024年4月7日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物化學(xué)研究所易文/朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與生物物理研究所王勇研究員合作在Advanced Science雜志在線發(fā)表題為“A Computational and Chemical Design Strategy for Manipulating Glycan-Protein Recognition”的研究論文。該研究報(bào)道了運(yùn)用密碼子拓展技術(shù)在活細(xì)胞內(nèi)操縱CH-π作用力，進(jìn)而增強(qiáng)聚糖與凝集素的結(jié)合力的新策略，并將該策略運(yùn)用于N-糖鏈中核心巖藻糖以及乙酰葡糖胺的高靈敏檢測和活體成像。這一研究為調(diào)控聚糖與蛋白識別，解析聚糖依賴的生物學(xué)功能提供了有力的化學(xué)工具。

研究團(tuán)隊(duì)首先對凝集素PhoSL與核心巖藻糖的共晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，通過全原子分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬分析發(fā)現(xiàn)PhoSL中有3個(gè)芳香族氨基酸殘基（Y15, F23和W28）的芳香環(huán)與糖鏈的吡喃環(huán)之間存在CH-π作用力（圖1a）。進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析發(fā)現(xiàn)W28與糖環(huán)之間形成的CH-π作用力最強(qiáng)（圖1b）。MST實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了W28介導(dǎo)的CH-π作用力對于糖與蛋白的識別至關(guān)重要?；诖?，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了通過位點(diǎn)特異性地引入給電子基團(tuán)取代的色氨酸類似物，提升“芳香籠”介導(dǎo)的CH-π作用力，從而達(dá)到增強(qiáng)凝集素對糖鏈識別的目的。

團(tuán)隊(duì)通過遺傳密碼拓展技術(shù)將一系列帶有不同取代基的色氨酸類似物引入到PhoSL的W28中，發(fā)現(xiàn)5-甲氧基-色氨酸（5MeOW）替換的PhoSL變體（W28mut）與核心巖藻糖的親和力提高2.7倍（圖1c）。作者進(jìn)而通過密度泛函理論計(jì)算了色氨酸和5-甲氧基色氨酸的靜電勢面，表明引入甲氧基的色氨酸顯著提高了吲哚環(huán)的靜電勢（圖1d）。PhoSL 變體在活細(xì)胞以及活體動(dòng)物中檢測核心巖藻糖方面展示出了優(yōu)越的靈敏度和信噪比，具有廣泛的應(yīng)用前景（圖1e-1g）。因此，這項(xiàng)研究綜合了計(jì)算生物學(xué)、糖生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)以及細(xì)胞生物學(xué)等多學(xué)科研究手段，為操縱糖與蛋白的結(jié)合提供了新的策略以及研究思路（圖1h）。

浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院朱強(qiáng)研究員為論文的第一作者，王勇研究員和易文教授為論文的共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)癌癥研究院團(tuán)隊(duì)培育項(xiàng)目的資助。

原文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202308522