ROBERT BIRD
Information Scientist
CAS
糖不仅对细胞的正常生理过程至关重要，而且在细胞的病理过程中也扮演着非常重要的角色。细菌和病毒甚至可以通过识别它们来感染宿主。尽管糖生物学仍然是一个难以突破的研究领域，但近年来，随着糖生物学领域的研究工具越来越先进，多种学科的研究人员对糖生物学产生了浓厚的兴趣。先进的研究工具之一正是生物正交化学，生物正交化学可以用于追踪聚糖(即与蛋白质和肽相连的碳水化合物结构)在细胞或生物体内的合成、代谢及运输途径(如图1)。
最近，Carolyn Bertozzi的研究团队利用生物正交化学发现了令人惊叹的新生物分子——glycoRNA (Carolyn Bertozzi的研究团队多年来一直处于生物正交化学领域的研究前沿)。本文将深入探讨生物正交化学及其应用，特别是对于它如何助力推动糖生物学领域向前发展，以及生物正交化学的未来机遇。
图1：聚糖附着在细胞表面受体的细胞外区域
什么是生物正交化学？
生物正交化学(Bioorthogonal chemistry)这个术语是由Bertozzi的研究小组创造的，该研究小组多年来一直引领生物正交化学领域。生物正交化学是在生物环境中发生的一组对生物分子影响最小或对生化过程干扰最小的反应。生物正交化学过程符合生物系统中发生反应所需的严格标准：
- 反应必须在生理环境的温度和pH值下进行。
- 反应必须有选择性地提供高产率的产物，并且不受复杂生物环境中的水或内源性亲核试剂、亲电试剂、还原剂或氧化剂的影响。
- 即使在低浓度下，反应也必须迅速，并且能够形成稳定的反应产物。
- 反应应涉及生物系统中天然情况下不存在的官能团。
生物正交化学有什么用途呢？
利用CAS内容合集(CAS Content CollectionTM)，我们分析了2010年至2020年间生物正交化学应用的出版物趋势(如图2)。成像是2010年至2020年间生物正交化学应用最多的领域，其次是药物开发和药物递送。
图2：2010 - 2020年间生物正交化学出版物数量*。图中呈现了生物正交化学出版物的总量，以便于比较。
*因为2010年是“生物正交化学”相关文献数量较前一年显著增加的第一年，所以我们选择2010年作为分析的起始年。约90%包含关键词"bioorthogonal"或"bio-orthogonal"”的文献都是在2010年之后出版的。
进一步分析发现，蛋白质生物正交化学相关的出版物数量最多，可能是因为该领域的研究方法最为成熟，而其他领域也在稳步增长，包括相对较新的聚糖领域(如图3)。
图3：2010 - 2020年间CAS内容合集（CAS Content Collection）中生物正交化学及其特定用途的相关文献量。图中呈现了同一时期生物正交化学的年度出版量。
在聚糖成像上的应用
生物正交化学已被证明是了解聚糖结构、定位和生物功能的重要工具。聚糖是附着在细胞壁上多肽、蛋白质和脂类上的寡糖，可以用于选择性地观察细胞类型。糖代谢前体包括许多用于生物正交反应的化合物，如叠氮化物、末端炔烃和高张力炔烃(strained alkynes)。可借助适当的生物正交搭档化合物来观察聚糖，例如，叠氮化物可以与含膦酯或硫酯的化合物进行Staudinger反应或无痕Staudinger连接反应、末端炔烃或高张力炔烃则可以分别参与CuAAC或SPAAC反应。
生物正交化学推动糖生物学向前发展
目前，RNA还不是糖基化的主要目标；然而，一项最近的重大发现却是使用代谢标记和生物正交化学发现了“glycoRNA”。通过一系列化学和生化方法，Ryan A. Flynn博士带领的Bertozzi研究小组发现，保守的小非编码RNA带有唾液化聚糖，并且这些glycoRNAs(带有唾液化聚糖的RNA)存在于多种细胞类型和哺乳动物物种的人工培养细胞内和体内。
这一发现使用的策略是使用可发生点击化学反应的叠氮基团修饰的前体糖对细胞或动物进行代谢标记。叠氮糖能够与生物素探针发生生物正交反应，以在细胞纳入聚糖后对聚糖进行富集、鉴定和观察。使用叠氮标记的唾液酸前体，过乙酰化的N-叠氮基乙酰甘露糖胺(Ac4ManNAz)，发现叠氮化物的反应性存在于从标记细胞中高度纯化得到的RNA制备物中。GlycoRNA组装取决于规范的N-聚糖生物合成机制，并产生富含唾液酸和岩藻糖的结构。对活细胞的进一步分析表明，大多数glycoRNA存在于细胞表面，并且可以与抗dsRNA抗体和Siglec受体家族的成员相互作用。我们有必要更深入地研究glycoRNA的作用。
借助生物正交化学，在RNA生物学和糖生物学之间建立了直接的连接界面，同时还有许多其他的发现有待探索。
生物正交化学在未来有哪些机遇?
生物正交化学在科学和医学领域有着广泛的应用，近年来已显著地推进了这些领域的研究进展。除了通过glycoRNAs的发现推动了糖基化领域的发展以外，生物正交化学在药物递送领域也显示出了良好的应用前景，而且在药物靶向方面的应用范围在未来很可能会进一步扩大。例如：
- 药物制剂的原位合成：生物正交化学可能会有助于用较小的前体来组装药物。在需要的时间创造药物，药物就会更有效、毒性更低；药物干预的范围也可以扩大。
- 聚糖标记：科学家已使用叶酸配体生成了含有叠氮化物标记的半乳糖胺的脂质纳米粒。由于肿瘤组织中叶酸受体的增加，LNP发生内化，随后LNP所载的含有叠氮化物标记的半乳糖胺被释放到肿瘤细胞中。当肿瘤细胞暴露于人类血清中时，肿瘤膜纳入叠氮修饰的双苯环辛烷，触发免疫反应。
- 点击释放：该方法是利用生物正交化学控制药物释放的时机和位置，产生对靶细胞有选择性毒性的药物。
随着科学家们对反应的不断开发和细化，生物正交化学将成为进一步深入研究的重要工具。
