超分辨成像技术研究多种细胞膜表面糖基的分布规律及其与癌症的相关性

Saccharide, as the basic component of organism, plays an important role in the structure and functions. In the post genome era, glycomics is becoming the forefront and hot topic of life sciences. Due to the complex structure of carbohydrates and the limitation of research methods, there is a great challenge to study them. Based on the achievement in the structure of cell membranes, the applicant will systematically study the distribution of saccharides on cell membranes by super-resolution fluorescence microscopy (STORM). We will locate various saccharides on different types of cells and reveal the relationship between saccharides and membrane proteins (or functional groups); as a result, we will better understand the whole distribution of saccharides and the underlying mechanism of saccharide’s assembly. At the same time, based on the high precision positioning and super-resolution imaging, we expect to find the difference of saccharide’s distribution between normal cells and cancer cells, or between before and after the drugs reacting with the cancer cells, which shed light on the mechanism of cell carcinogenesis and metastasis, and pave the way for treating the saccharide-associated diseases.

糖类是生物体的基本组成成份，在生命体结构和功能方面都起到重要的作用。随着后基因组时代的来临，糖组学研究正成为生命科学研究中新的前沿和热点。由于糖类分子结构的复杂多变和研究手段限制，对其研究存在着极大的挑战。申请人课题组基于在细胞膜结构研究方面已取得的原创性进展，将利用自行搭建的超分辨荧光显微镜（STORM）对细胞表面糖基的分布进行系统的研究。我们将通过STORM研究不同种类细胞膜上多种糖基分布，以及糖基和多种功能蛋白或功能结构域的定位关系，从而更加全面地了解糖基在细胞膜上的分布情况，对细胞膜上的分子组装机理进行更加深入地分析。同时，基于对肿瘤细胞膜表面糖基的高精确定位和超分辨成像，我们期望发现多种糖基在正常细胞和肿瘤细胞膜表面的分布差异性，并研究癌细胞与抗癌药物作用前后糖基分布的变化规律，从而为细胞癌变、转移和治疗机理研究起到指导作用，并且为预防、治疗与糖类分子相关的疾病打下基础。

细胞膜上不仅分布着大量的蛋白质、脂类，也密布着多种糖分子，这些生物分子相互作用，共同构成细胞膜的整体组装，参与着细胞的多种生理、病理活动。当细胞膜结构和组成分子的异常化是多种疾病发生的关键因素。因此，直接观察并解析细胞表明各种分子的分布特征及组装机理对于理解其生理、病理过程至关重要。直接随机光学重构显微镜（dSTORM）因纳米级分辨率被广泛应用于细胞领域的研究。为了获得更准确的超分辨图像，需要探针的精确定位和高密度识别。理想的探针应该是小尺寸、单价态、高特异性以及对靶标较小的干扰。本项目中，我们利用适配体探针替代传统的凝集素探针对细胞膜上糖分子进行了特异性标记成像，通过和凝集素探针的成像对比，我们不仅发现了乙酰半乳糖胺GalNAc在细胞膜上的分布和组装模式，也检测了适配体探针标记获得的成像分辨率、标记效率和标记特异性，发现适配体是标记膜糖分子的有效分子，可以提供更准确、更详细的糖分子的空间定位和聚集信息。继续利用适配体探针标记，我们发现细胞膜上重要糖分子globo H在癌细胞膜上以特定的分子簇形态分布，这表明globo H可以作为潜在的癌症诊断标志物。另外，发现globo H与另外两种癌症相关的糖分子唾液酸（sia）和N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）存在共定位关系，我们推测这些与癌症相关的糖分子可能在某些癌症过程中协同发挥作用。这一工作对以后研究细胞膜糖分子结构和功能奠定了基础。再者，通过超分辨荧光成像，我们也研究了细胞膜上的重要蛋白GLUT1和EpCAM的组装形态和潜在机制，这不仅促进了我们对靶蛋白功能的认识，也有助于我们结合糖分子组装更好地理解细胞膜整体组装规律。通过对适配体探针和小分子肽探针在活细胞或细胞内不同靶蛋白的标记应用，表明此类小分子探针能够有助于我们获得活细胞或整个细胞内的蛋白组装细节，更准确、更全面地了解分子的分布与功能。