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        蛋白質組學

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        蛋白質組學,糖基化蛋白質組學,多組學聯合分析
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        北京蛋白質組學——「青蓮聚焦」你想了解的N/O糖基化是這樣的!

        2021-10-28 14:12:26

        北京蛋白質組學中蛋白質糖基化修飾是一種很重要、很普遍的蛋白質翻譯后修飾,是指在酶的控制下,蛋白質附加上糖鏈的過程,發生于內質網和高爾基體等部位。在糖基轉移酶作用下將糖轉移至蛋白質,和蛋白質上的氨基酸殘基共價結合形成糖苷鍵。蛋白質經過糖基化作用,形成糖蛋白。

        研究表明超過百分之50的真核生物蛋白質被認為是經過糖基化修飾的,糖蛋白在許多生物過程中發揮著重要作用,且具有重要的細胞功能,如增加蛋白質的穩定性、保護蛋白質免于降解、增加蛋白質溶解度以及調節蛋白質活性等。主要參與細胞間識別、調控、信號傳導、免疫應答、細胞轉化和疾病的發生發展。

        糖基化修飾類型

        根據糖苷鍵不同,可將蛋白質糖基化分為:N-糖基化(N-glycosylation)、O-糖基化(O-glycosylation)、糖基磷脂酰肌醇化(glycophosphatidylinositol)以及 C-甘露糖基化(C-mannosylation),其中N-糖基化及O-糖基化是主要的修飾類型。

        01N-糖基化

        N-糖鏈通過與蛋白質的天冬酰胺的自由基-NH2共價連接,這種糖基化稱為N-糖基化。N-連接的糖鏈合成起始于內質網,完成于高爾基體。特征序列為Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一種氨基酸),并且N糖具有五糖核心的保守序列。




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        圖1. N-糖基化修飾結構



        02O-糖基化

        O-糖鏈與蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸的自由基-OH共價連接,這種糖基化稱為O-糖基化。O-糖基化位點沒有保守序列,糖鏈也沒有固定的核心結構,組成既可是一個單糖,也可以是巨大的多糖,因此與N-糖基化相比,O-糖基化分析會更加復雜。



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        圖2. O-糖基化修飾結構



        糖基化修飾的富集策略

        親水相互作用色譜(Hydrophilic interaction liquid chromatography,HILIC)是基于富含多羥基的糖鏈結構的強親水特性,采用固定相和流動相的色譜技術,利用了糖肽由于糖鏈的加入而增強的親水性,糖肽會有較長的保留時間,而使糖肽與非糖基化肽段得以分離的糖肽富集技術。HILIC對不同類型的糖肽沒有偏性,且能保持糖鏈結構的完整性,適合作為完整糖肽結構研究中的富集技術。




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        圖3. 糖基化實驗流程



        糖基化修飾的研究案例

        案例1

        糖基化修飾揭示COVID-19的發病機制

        O-glycosylation pattern of the SARS-CoV-2 spike protein reveals an “O-Follow-N” rule

        發表期刊:Cell Research(IF=20.507)    

        發表時間:2021.08

        病毒囊膜蛋白的糖基化修飾具有廣泛的功能,包括調控蛋白質穩定性、病毒的趨向性、和保護潛在的抗原表位免受免疫監視等。深入了解新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)刺突蛋白(Spike, S)的糖基化修飾對于新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)發病機制的探索,疫苗和治療藥物的設計開發,以及檢測試劑盒的生產具有重要意義。該研究成功鑒定到了先前報道的22個N-糖基化修飾位點,還從SARS-CoV-2病毒提取的S蛋白上鑒定到17個O-糖基化修飾位點。研究者提出SARS-CoV-2病毒S蛋白的糖基化修飾存在O-糖基化修飾追隨N-糖基化修飾發生的現象,并將這一現象命名為“O-Follow-N”規律,提示O-糖基化修飾具有潛在的新機制,特別是N-和O-糖基化修飾之間可能存在的協同作用,未來有望在很大程度上推動糖生物學領域的研究。



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        圖4. SARS-CoV-2病毒S蛋白的糖基化修飾遵循“O-Follow-N”規律



        案例2

        揭示阿爾茲海默癥患者糖基化修飾分子網絡調控機制

        Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer’s disease

        發表期刊:Science Advances(IF=13.116)    

        發表時間:2020.10

        阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease, AD)是不可逆性神經退行性癡呆。盡管已有研究表征了AD患者在基因組、轉錄組和蛋白質組學水平上的差異,但對AD腦蛋白質翻譯后修飾水平的全系統變化的了解仍然非常有限。先前的研究在AD患者的腦脊液和腦樣本中觀察到了N-聚糖結構的變化,暗示了異常的N-糖基化在AD中的潛在作用。該研究使用基于ZIC-HILIC的N-糖肽富集、N-糖基化位點18O標記以及LC-MS/MS技術,對8例AD患者和8例匹配的健康人腦背外側前額葉皮層組織樣本進行了定量N-糖基化修飾組學分析。從1132個特異性糖蛋白中鑒定到2294個N-糖基化位點,4730個N-糖基化肽段。研究顯示,AD腦中N-糖基化受到多種失調的過程和途徑影響,包括細胞外基質功能失調、神經炎癥、突觸功能失調、細胞粘附改變、溶酶體功能失調、內吞性運輸失調、內質網功能失調和細胞信號失調。該研究重要突出了與AD發病機理相關的N-糖基化異常的部分,在分子和系統水平上為理解和治療AD提供了新的見解。




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        圖5.與AD相關的N-糖基化特征及注釋



        案例3

        高 級別漿液性卵巢癌(HGSC)分子分型

        Glycoproteomics-based signatures for tumor subtyping and clinical outcome prediction of high-grade serous ovarian cancer

        發表期刊:Nature Communications(IF=12.121)    

        發表時間:2020.12

        卵巢癌是常見的女性生殖系統腫瘤及惡性婦科腫瘤的之一。高 級別漿液性卵巢癌(HGSC)高居致死卵巢癌,大多數患者就診時已屬晚期,惡性程度較高,且表現出高度的腫瘤異質性和多樣性。翻譯后修飾增加細胞蛋白質組的復雜性,其中糖基化在癌變過程中起主要作用,包括細胞-基質相互作用、細胞信號傳導和交流、腫瘤血管生成、免疫調節和腫瘤轉移。該研究對119例TCGA HGSC組織進行了基于質譜的糖基化蛋白表征,無監督聚類分析發現,HGSC腫瘤可分成3個亞型以及5個糖肽組別(IGP 1-5組)。為了研究糖蛋白組與臨床結局是否相關,對三個亞型的患者進行了生存分析。結果顯示IGP 1組具有更好的臨床預測能力,IGP 1組得分高預示著患者生存預后差。綜上表明,攜帶非唾液酸巖藻糖基化聚糖的糖蛋白與HGSC腫瘤相關,且預后較差。這也再次印證了完整糖肽信息對于臨床預后的重要性。此研究不僅對HGSC糖基化發生過程進行了觀測,更為我們深入理解糖基化在腫瘤發生發展、診斷治療等方向的作用提供了科學依據。



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        圖6. 基于糖基化蛋白組學的HGSC分子分型



        案例4

        多組學揭示胰腺癌潛在治療靶點

        Proteogenomic characterization of pancreatic ductal adenocarcinoma

        發表期刊:Cell(IF=38.637)    

        發表時間:2021.09

        胰腺導管腺癌 (PDAC) 是一種侵襲性很強的惡性腫瘤,患者生存率很低。為了了解驅動 PDAC 腫瘤發生的潛在分子改變,揭示其潛在治療靶點。該研究對 140個胰腺癌組織、67個癌旁組織(NATs)和 9個正常胰腺導管組織進行了多方面的蛋白質組學分析。蛋白質組學、磷酸蛋白質組學和糖基化蛋白質組學分析用于表征蛋白質及其修飾。此外,還對相同組織進行全基因組測序、全外顯子測序、RNA-seq和miRNA-seq,以促進綜合蛋白質組學分析并確定基因組改變對蛋白質表達、信號通路和翻譯后修飾的影響。

        糖基化蛋白組學分析發現,相較于NATs,PDAC中有75個N-糖修飾蛋白FC大于2倍。上調的N-糖蛋白主要含有唾液酸或復雜的聚糖修飾,下調的N-糖蛋白主要含有低甘露糖聚糖修飾。研究表明,PDAC中上調N-糖蛋白的唾液酸化或巖藻糖基化多糖可能會增加癌癥標志物的特異性。接下來,研究者根據糖基化生物合成酶的豐度水平研究了這些糖基化改變可能的內在機制,發現唾液酸化或巖藻糖基化的IGPs與糖基化酶的表達正相關。這些數據表明,克制相關糖基化酶活性可能會削弱大多數腫瘤中唾液酸化或巖藻糖基化修飾的上調,這有望成為一種潛在的PDAC治療新策略。



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        圖7. 糖基化蛋白組學表征鑒定用于早期檢測或治療干預



        隨著蛋白質糖基化分析技術的不斷發展與完善,作為蛋白質修飾譜研究重要組成部分的蛋白質糖基化研究必將在加深對蛋白質生物功能多樣性認識的同時,很大地拓展對于糖類的生物學功能的認識。

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