通过木糖基转移酶工程改造哺乳动物细胞中的蛋白多糖

为何细胞外衣重要

我们体内的每个细胞都佩戴着一种分子“外衣”，帮助它与邻近细胞交流并感知周围环境。这层外衣的重要组成部分是蛋白多糖——蛋白质以长链糖修饰，像微小的天线接收生长因子、免疫信号和结构提示。当这些糖修饰出错时，发育可能受阻，骨骼和肌肉等组织可受到严重影响。然而，科学家长期难以精确描绘到底哪些蛋白携带这些糖链，以及外衣中各个成分如何影响细胞行为。本研究引入了一种精确的化学策略，在活体哺乳动物细胞上标记并重建这些糖链，开辟了读取和改写细胞表面信息的途径。

重接糖附着的第一步

蛋白多糖的构建始于一类特殊酶——木糖基转移酶（XT1 与 XT2），它们将第一个糖分子加到蛋白上，标记出长链将从何处生长。由于两种酶都能执行相同的第一步，因此一直难以弄清在细胞内各自作用于哪些蛋白。作者采用了现代化学生物学中常见的“凸凹配对”（bump‑and‑hole）设计来解决这一问题：他们略微改造了 XT1 的活性位点，创造出额外空间（“孔”），并引入了与之匹配、略大一些的糖构件 6AzGlc（“凸”）。经工程改造的 XT1 现在可以使用这种改性的糖，而天然酶不能，从而使研究者仅标记那些被改造酶作用的蛋白。

将定制糖偷偷带入细胞

为了在活细胞中使该方法奏效，团队必须以细胞代谢可识别的形式递送这颗“带凸”的糖。与其依赖通常的糖摄取通路（这些通路对木糖类似物处理不佳），他们构建了带有隐藏磷酸基团的“笼形”6AzGlc。进入细胞质后，细胞内的酶会去掉该保护基并将分子转化为 UDP‑6AzGlc，即工程木糖基转移酶所需的活化形式。精细的色谱分析证实，处理了正确构型笼形化合物的细胞能产出大量活化的定制糖，而镜像对照几乎不产生。

标记并识别那些隐藏的参与者

在改造酶与活化糖都到位后，研究者证明只有表达工程化 XT1 或 XT2 的细胞将 6AzGlc 标签整合到其表面蛋白多糖中。6AzGlc 上的叠氮基团充当可被“点击”到荧光染料或生物素的小型化学把手，从而实现已标记蛋白的可视化和富集。对富集样品进行质谱分析表明，检测到了一系列已知的蛋白多糖——包括装饰素（decorin）、多种糖皮康（glypicans）、糖黏蛋白‑4（syndecan‑4）、CD44 和韧蛋白（versican）——证实该体系标记的是真实的带糖蛋白。重要的是，工程酶保留了与天然酶相同的序列偏好，这意味着化学标签是在真实的连接位点而非新的人工位置被安装。

构建定制蛋白多糖

6AzGlc 标签带来的一个意外好处是，与天然起始糖不同，它不能被后续酶延伸成完整的长链。这实际上对链进行了封顶，简化了需要用质谱分析的分子结构。作者将这一特性转化为工具：在 XT1 在自然连接位点安装 6AzGlc 后，他们使用点击化学将合成肝素片段连接上去，创建具有精确定义糖链的“定制蛋白多糖”。在缺失自身糖黏蛋白‑1（syndecan‑1）的乳腺癌细胞中，补回这种定制版本能恢复细胞在蛋白涂层表面上的正常铺展，证明化学重建的蛋白多糖在功能上可以替代天然蛋白。

对生物学与医学的意义

这项工作提供了一套强大的工具，可选择性地标记和操控控制细胞通讯的糖链。通过区分 XT1 与 XT2 的作用并仅标记它们的直接靶点，研究者现在可以绘制出在特定组织和疾病状态中发挥作用的蛋白多糖图谱。停止天然链生长并以定制糖取而代之的能力，也让科学家能够拆解出蛋白多糖功能中有多少是由蛋白骨架承担、多少由糖衣承担。从长远看，这类精确工程可能有助于解码细胞表面复杂的信号，并激发修复或重编程发育障碍、癌症及其他疾病中受损细胞外衣的治疗策略。

引用: Li, Z., Chawla, H., Di Vagno, L. et al. Xylosyltransferase engineering to manipulate proteoglycans in mammalian cells. Nat Chem Biol 22, 612–621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41589-025-02113-w

关键词: 蛋白多糖, 糖胺聚糖, 木糖基转移酶, 化学生物学, 细胞表面信号