酶法合成唾液酸化寡糖及细菌唾液酸转移酶WfaN的功能鉴定

摘要

唾液酸(sialicacid，Sia)作为一种常见的单糖，广泛存在于哺乳动物细胞中，近年来唾液酸在细菌尤其是人体病原菌的脂多糖或荚膜多糖中也逐渐被发现。细菌中的唾液酸化糖缀合物在细菌毒力侵袭中发挥着重要作用，因此参与合成这些结构的酶已成为了治疗研究中极具吸引力的靶标。
　　 哺乳动物细胞中唾液酸化的寡糖或糖缀合物无处不在。这种唾液酸化糖链不仅参与稳定蛋白结构，延长糖蛋白的半衰期，是脑神经节苷脂（参与大脑的发育过程）的重要组成成分，而且在许多生物学过程如细胞识别，细胞粘附和信号转导中发挥重要作用。它们还是某些抗原决定簇的关键结构组分，在肿瘤的发生和转移中具有重要作用。唾液酸化糖抗原已经成为肿瘤诊断和分期的重要分子标记，也有可能用于肿瘤的免疫治疗研究中。所以合成这些唾液酸化的寡糖就显的尤为重要。
　　 唾液酸转移酶(sialyltransferase，ST)是唾液酸化寡糖合成所必须的酶类。相比哺乳动物来源的唾液酸转移酶，来自细菌中的唾液酸转移酶更容易在常见的原核生物表达系统如大肠杆菌中过量表达为可溶的高活性酶，而且某些细菌来源的ST还表现出广泛的底物特异性，能够以带有化学修饰基团的唾液酸衍生物作为底物，从而丰富了唾液酸化寡糖的种类。
　　 唾液酸化寡糖的酶法合成常常是采用一锅(one-pot)法，即由糖核苷酸供体CMP-Sia合成的相关酶类与唾液酸转移酶在一个反应体系中有序的完成多步反应，从而免去了CMP-Sia的纯化，有效避免了这种不稳定化合物的降解，提高了合成效率，缩短了合成时间。
　　 本论文第二章参考文献报道的美人鱼发光杆菌（Photobacteriumdamsela）来源的唾液酸转移酶Pd2，6ST和多巴性巴氏杆菌（Pasteurellamultocida）来源的唾液酸转移酶PmST1与脑膜炎奈瑟氏菌（Neisseriameningitidis）来源的NmCSS分别采用一锅法大量制备了唾液酸化寡糖Neu5Acα2，6lactose和Neu5Acα2，3Gal，这两类寡糖可以用于许多方面的研究;同时这也为EscherichiacoliO24来源的唾液酸转移酶WfaN的功能研究奠定了方法基础。Pd2，6ST是第一个被克隆的细菌来源的α2，6唾液酸转移酶，它对活化供体CMP-Sia的结构要求比较宽松而且对受体底物的特异性要求也比较低。PmST1是目前为止所报道的细菌唾液酸转移酶中底物特异性最为宽泛的一个。论文第二章用常见的原核表达宿主E.coliBL21(DE3)表达了Pd2，6ST和PmST1以及NmCSS，并用一锅法策略大量合成并纯化了唾液酸化寡糖。
　　 在P.damsela、P.multocida和嗜血杆菌属（Haemophilus）等细菌以及脊椎动物中报道的唾液酸都是通过α2，3或α2，6键与半乳糖（galactos，Gal)或乙酰氨基半乳糖(N-acetylgalactosamine，GalNAc)相连，或是通过α2，8键与另外一个唾液酸相连，而在E.coliO24和E.coliO56的O-抗原中存在的唾液酸却是通过α2，3与葡萄糖(glucose，Glc)相连，通过对两种细菌O-抗原合成基因簇进行序列比对，推测参与唾液酸向Glc转移的酶分别是唾液酸转移酶WfaN(E.coliO24中)和WfaR（E.coliO56中）。目前鉴定的ST都是以Gal或其氨基衍生糖或唾液酸为受体的，对于以Glc为受体的唾液酸转移酶没有研究报道。
　　 本论文第三章从E.coliO24的O-抗原合成基因簇中克隆了WfaN的编码基因，实现了它们的重组表达和纯化并通过体外反应进行酶功能验证。第四章通过体内基因敲除法进一步对该酶的生物功能进行鉴定。通过对该唾液酸转移酶的研究将丰富人们对糖基转移酶结构、催化反应机理和功能等方面的认识。而成功获得的唾液酸转移酶蛋白也可以用于合成特定的糖结构，用于特定糖链结构和功能的研究，并有可能具有潜在的药物或诊断应用价值。