蛋白质组学

华西医院张勇博士揭示新冠病毒SARS-CoV-2新突破S蛋白是一种Mucin型糖蛋白

2019年年底,新型冠状病毒SARS-CoV-2作为人类病原体出现,随即席卷全球。因此了解该病毒的结构和功能对于靶向 COVID-19 疫苗和疗法至关重要,而新冠病毒的“高度糖基化”现象是攻克疫苗的瓶颈之一。

糖基化蛋白质组学

 

2020年7月31日,四川大学华西医院科研团队再次在生物学预印本bioRxiv在线发表文章“Mucin-type O-glycosylationLandscapes of SARS-CoV-2 Spike Proteins”,利用基于生物质谱技术的整合糖蛋白质组学新方法,分析了去除N-糖基化修饰的完整O-糖基化肽段,绘制了新冠病毒SARS-CoV-2重组表达蛋白的所有O-糖基化修饰位点以及位点特异性的O-糖链组成图谱。首次揭示出S蛋白是一种mucin型糖蛋白。

 

研究背景

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)中的刺突蛋白(Spike蛋白)是一种高度糖基化的蛋白质,促进病毒粘附、进入和膜融合。本文作者报告使用高分辨率质谱全面的表征SARS-CoV-2中S蛋白特异性位点的O-糖基化图谱,这些特异性O-糖基化位点有望为病毒结合机制提供新的见解,并为疫苗和靶向药物的开发提供策略。

 

研究思路

 

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糖基化蛋白质组学

 

图1:实验流程

 

结果速递

 

1.昆虫细胞表达的重组S蛋白位点特异性O-糖基化分析

杆状病毒昆虫细胞表达的重组S蛋白通过胰蛋白酶消化和胰蛋白酶结合Glu-C消化进行互补鉴定,一共鉴定到43个高可信度的O-糖苷。分析结果发现O-糖苷聚集在多个区域,特别是S蛋白的N-端和C-端(图1B)。此外,O-糖苷T323,S325,T333,S345和S477位于受体结合域(RBD)中,首次揭示SARS-CoV-2 S蛋白是mucin型糖蛋白。最后,对S蛋白的位点特异性O-糖基化进行了全面分析,确定了六种mucin型O-聚糖成分及对应位点(图2C),大多数糖基包含至少两种类型的O-聚糖,其中大多数是非唾液酸化的(图2C)。这些结果表明昆虫细胞表达的重组SARS-CoV-2 S蛋白上存在聚集的mucin型O-聚糖。

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糖基化蛋白质组学

图2:昆虫细胞表达的重组S蛋白位点特异性O-糖基化表征

2.人源细胞表达的重组S蛋白位点特异性O-糖基化分析

人源细胞表达的重组S蛋白通过胰蛋白酶消化和胰蛋白酶结合Glu-C消化进行互补鉴定,共鉴定到30个高可信度O-糖苷(20个O-糖基化的Thr残基和10个O-糖基化的Ser残基)(图3A)。结果显示O-糖苷主要聚集在S1亚基和RBD的N-端和C-端(图3B和3C)。值得注意的是,T323和S325两个保守的O-糖苷位于S1亚基的RBD中,在病毒与hACE2受体结合中起关键作用。对S1亚基的位点特异性O-糖基化进行整体分析,确定mucin型O-聚糖成分及对应位点,大多数糖基包含至少两种类型的O-聚糖,其中大多数被唾液酸化(图3D)。这些结果表明在人细胞中表达的重组SARS-CoV-2 S蛋白上mucin蛋白类型的O-糖基化更复杂,O-聚糖成分存在异质性。

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糖基化蛋白质组学

图3:人源细胞表达的重组S蛋白位点特异性O-糖基化表征

3.昆虫细胞和人源细胞表达的S1亚基的O-糖基化景观比较

进一步分析昆虫细胞和人源细胞表达的S1亚基的O-糖基化修饰,分别有23个O-糖苷、30 个O-糖苷存在于昆虫细胞和人类细胞中表达的S1亚基中(图4A、B)。昆虫细胞和人源细胞产生的S1亚基中分别鉴定出7个和14个独有O-糖苷(图4C)。此外,每种类型的O-聚糖组分所占据的S1亚基O-糖苷的数量也有很大差异(图4D)。这些结果表明,O-糖位点和O-糖链的组成随宿主细胞类型的不同而不同,在利用重组蛋白进行疫苗和药物开发时可以考虑到这一点。

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图4:昆虫细胞和人源细胞表达的S1亚基的O-糖基化景观比较

结论

优化的实验流程与高分辨率质谱结合,全面分析了SARS-CoV-2 S蛋白的的位点特异性O-糖基化。结果表明,SARS-CoV-2 S蛋白被聚集的mucin型O- 聚糖修饰,而且O-糖位点和O-聚糖的组成随宿主细胞类型的不同而变化。

张勇博士为本论文的第1作者,非常荣幸邀请到张勇博士在8月19日给大家带来关于“临床糖蛋白质组学方法与应用研究”的公开课!

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