蛋白質糖基化修飾是生物體內最重要的翻譯后修飾之一，發生在細胞50%-70%的蛋白上。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。此前研究者在體外純化表達的S蛋白胞外域和從病毒顆粒中提取的S蛋白中共鑒定到了22個N-糖基化修飾位點【1,2】。而由于技術和樣本來源的限制，已有研究僅在純化的S蛋白上鑒定到了一些O-糖基化修飾位點，截止目前，尚未進行病毒顆粒上S蛋白的O-糖基化修飾的研究。
2021年8月3日，北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心黃超蘭團隊和中國科學院院士高福團隊、中國科學院天津工業生物技術研究所高峰團隊等開展合作在Cell Research期刊上發表題為“O-glycosylation pattern of the SARS-CoV-2 spike protein reveals an “O-Follow-N” rule”的論文，采用基于質譜的糖基化鑒定技術，首次揭示了病毒顆粒上提取的S蛋白O-糖基化修飾圖譜，并提出了“O-Follow-N”的O糖基化修飾規律。
為獲得天然狀態下S蛋白的N-和O-糖基化修飾完整圖譜，研究者從SARS-CoV-2病毒顆粒上獲得S蛋白，用多種蛋白酶酶解成肽段，采用納升液相色譜以及具有超高分辨率的Orbitrap Eclipse Tribrid三合一質譜聯用儀， 利用階梯能量HCD（stepped collisional energy ，SCE）， HCD （Higher-energy collisional dissociation）以及HCDpdEThcD三種碎裂方法進行質譜分析。
本研究中，研究者不但成功鑒定到了此前已報道的22個N-糖基化修飾位點，還首次從SARS-CoV-2病毒顆粒中提取的S蛋白上鑒定到了17個O-糖基化修飾位點。值得注意的是，研究者發現在這17個位點中，有11個位點位于糖基化的天冬酰胺（Asn）附近。研究者將NxS/T共有基序內糖基化的Asn每一側的3個氨基酸定義為“N±1-3”。分析結果顯示， 11個O-糖基化修飾位點分布在“N±1-3”的位置上，位點信息確定的位點數有10個，其中7個位點分布在“N+2”的位置上。研究者還通過開展定點突變實驗進一步證實Asn糖基化修飾的存在是“N±1-3”的位置上出現O-糖基化修飾的先決條件。綜上，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。
圖. SARS-CoV-2病毒S蛋白的糖基化修飾遵循“O-Follow-N”規律
本研究基于前沿的質譜鑒定技術，揭示了S蛋白的O糖基化修飾譜，提出了O 糖基化修飾的 “O-Follow-N”規律，這一規律可能適用于其它蛋白，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，未來有望在極大程度上推動糖生物學領域的研究。
此前，黃超蘭主任領銜的多組學中心團隊還與高福院士領銜的多學科團隊緊密合作，揭示早期的新冠感染患者存在顯著的免疫抑制，并首次提出COVID-19的發病機制或存在“兩階段”模式3。多組學中心在黃超蘭教授的帶領下，將繼續基于臨床，前沿技術和基礎學科的深度交叉融合，深耕前沿技術方法開發，為推動基礎生物學和臨床領域的創新研究提供最有質量保證的蛋白質組和質譜技術手段。
中國科學院微生物研究所高福院士，北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心主任黃超蘭教授，北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心陳揚副研究員，中國科學院天津工業生物技術研究所高峰教授為本文的共同通訊作者；北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心田文敏博士，中國科學院天津工業生物技術研究所李德林博士，北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心博士研究生張楠，中國科學院天津工業生物技術研究所博士研究生白桂杰、原愷博士為本文的共同一作。
參考文獻
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