水解酶氮连接寡糖上甘露糖磷酸化修饰的功能研究

Mannose-6-phosphate (M6P) containing N-glycans are a class of high-mannose type of oligosaccharides with unique phosphate modifications. They work as the universal recognition signals to direct the transport of the M6P-containing proteins to the endosomal-lysosomal system via the M6P receptors (MPRs). Such M6P/MPR-mediated protein sorting system is critical in maintaining the homeostasis of cellular metabolism; defects of this system lead to severe physiological conditions such as lysosomal storage diseases (LSD) and cancers. The challenge of studying this protein sorting system is largely due to the structural complexity, heterogeneities and formidable difficulties in purification and characterization of the N-glycans carrying different phosphorylation patterns. This proposal integrates the PI’s unique expertise in complex carbohydrate synthesis, biophysical analysis and cellular biology to systematically investigate the M6P-based protein sorting system with precise glycoform, phosphoform, and multivalence. The PI expects these chemistry-enabled multidisciplinary approaches will not only provide new insights into the M6P-coded sorting mechanism, but also help develop highly effective glyco ligands for targeted enzyme replacement therapy to treat LSD. Specific aims include: 1) Develop efficient synthetic methods for M6P and GlcNAc-M6P containing N-glycans. 2) Develop in vitro assays to evaluate their interactions with CI-MPR. 3) Develop mimetic M6P ligands with simplified structures.

带有甘露糖-6-磷酸酯 (mannose-6-phosphate, M6P)的寡糖是一类甘露糖残基 (mannose, M) C-6位羟基上具有磷酸化修饰的特殊氮连接寡糖(N-glycan)，其通过与M6P受体（M6P receptors, MPRs）结合来调控真核细胞内的核内体／溶酶体系统中约60种水解酶的分选过程。这套基于蛋白质糖基化修饰的M6P/MPR识别机制对于维持细胞代谢稳态、激活和清除信号蛋白具有至关重要作用。该机制的紊乱会导致诸如溶酶体贮积症和癌症等疾病。此标书结合本课题组在复杂多糖的化学合成和糖肽化学生物学的专长，运用以合成化学为基础的多学科交叉手段，在分子层面上解析真核细胞内基于N-寡糖上甘露糖磷酸化修饰的水解酶分选调控机制，并筛选具有简化结构的MPR模拟糖配体，为实现治疗溶酶体贮积症的新型靶向酶替代疗法奠定基础。

带有甘露糖-6-磷酸酯 (mannose-6-phosphate, M6P)的寡糖是一类甘露糖残基C-6位羟基上具有磷酸化修饰的特殊氮连接寡糖(N-glycan)，其通过与M6P受体结合来调控真核细胞内的核内体／溶酶体系统中多种水解酶的分选过程。这套基于蛋白质糖基化修饰的M6P /MPR 识别机制对于维持细胞代谢稳态、激活和清除信号蛋白具有至关重要作用。该项目结合本课题组在复杂多糖的化学合成和糖肽化学生物学的专长，通过以合成化学为基础的交叉学科手段探索具有简化结构的模拟糖配体，为实现治疗溶酶体贮积症的新型靶向酶替代疗法打下基础。本项目中我们实现了含有双磷酸化M6P残基的N-寡糖的高效汇聚式合成，发展了含GlcNAc-M6P/M6PN-寡糖的高效化学合成方法。 探索了将M6P和GlcNAc-M6P单糖配体通过简单的连接装配至同一个分子中形成二价或更高价的配体，来构建结构较为简单的活性寡糖配体。通过和上海药物所陆晓杰研究员课题组的合作开展了基于DNA编码化合物库设计及筛选技术（DNA-encoded library, DEL）的糖肽配体分子库的初步研究。完成了多种含有M6P和GlcNAc-M6P的氨基酸模块的高效制备，考察了在DEL上构建糖肽分子库的方法。..我们还针对基于色氨酸吲哚侧链上C2位的碳基甘露糖修饰进行了研究。这是一类非常新颖独特的多肽/蛋白碳连接糖苷化翻译后修饰。我们成功地运用本课题组开发的基于金属钯催化的碳氢键C-糖基化反应实现了Ca-mannosyl-tryptophan 的高效合成，并完成了竹节虫脂肪代谢激素Cam-HrTH-I的首次全合成。在该项目的支持下，我们最近还开发了一类新型的多肽选择性修饰策略。该策略只需使用极少量甲醛就可实现天然多肽的基于赖氨酸(Lys, K)和酪氨酸(Tyr, T)或精氨酸 (Arg, R)残基的高效高选择性关环。这个反应过程特有的动力学和热力学特征让该三组分以一种“协同”配合 (cooperative stapling) 的方式实现了基于双组分反应难以实现的位置选择性调控。..本项目共发表论文21篇，其中含Nat. Catal.（1篇），J. Am. Chem. Soc.（2篇）， CCS Chem. （3篇）。