南京大学黄硕团队Nano Lett.：工程化纳米孔实现多种核苷酸糖的直接区分

核苷酸糖是生物合成多糖和糖聚合物过程中重要的糖基供体 ^[1]，除此之外，还参与到细胞间通讯、信号转导和免疫应答等诸多生命进程中 ^[2]。生物体内的核苷酸糖水平被精确地调控以此来确保生理系统的正常运作。分析核苷酸糖有助于提高对其生物学功能的认知，并有助于发现治疗糖代谢紊乱疾病的潜在药物。核苷酸糖通常由两部分组成：核苷单/二磷酸部分和单糖部分，其结构之间的相似性导致了物理化学性质的相似性，这对不同核苷酸糖的直接区分提出了挑战。常规方法，如毛细管电泳 ^[3]，阴离子交换色谱 ^[4] 和离子对反相高效液相色谱 ^[5] 等已被广泛应用于核苷酸糖的分析，但这些方法往往需要进行复杂的分离步骤，分离时间长，操作复杂。因此，迫切需要开发一种高效、快速、简单、准确且高分辨率的核苷酸糖直接分析方法。

此前，南京大学化学化工学院黄硕（点击查看介绍）课题组利用原创开发的苯硼酸内嵌纳米孔（MspA-90PBA）分别实现了对核苷酸、单糖和糖醇分子的直接鉴定，高度可区分的纳米孔事件证明了MspA-90PBA具有出色的分辨率。受以上工作鼓舞以及考虑核苷酸糖本身的结构特性，他们利用MspA-90PBA对核苷酸糖进行了传感，实现了首次在单分子层面鉴定核苷酸糖。以尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）为例，详细展示了核苷酸糖通过纳米孔呈现出的单分子信息，并发现随着环境pH值的变化，其结合模式也可以被明显调控。

图1. 利用MspA-90PBA传感尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）及其不同pH下的事件特征（图片来自论文作者）

除此之外，其余核苷酸糖，如鸟苷二磷酸甘露糖（GDP-Man）、腺苷二磷酸葡萄糖（ADP-Glc）、尿苷二磷酸N -乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc）和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDP-GlcA）也可以被成功鉴定。凭借MspA-90PBA的高分辨率，每一种核苷酸糖都呈现出了独特的纳米孔事件特征且彼此之间可明显区分。为了实现对事件的自动快速识别并避免人为误判的干扰，作者进一步提取了纳米孔事件的五个特征参数构建机器学习分类系统，识别准确率高达99.4%。至此，该课题组利用纳米孔实现了五种核苷酸糖的直接区分与同时检测，与传统的核苷酸糖分析方法相比，该方法更简单、快速，为核苷酸糖在单分子水平上的直接鉴别提供了良好的解决方案。

图2. 利用MspA-90PBA区分五种核苷酸糖及机器学习结果（图片来自论文作者）

该工作相关论文于2023年9月10日发表于Nano Letters 期刊，南京大学化学化工学院博士生王可凡和硕士生杨娴为该论文共同第一作者，黄硕教授为该论文的通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nanopore Discrimination of Nucleotide Sugars

Kefan Wang^#（王可凡）, Xian Yang^#（杨娴）, Shanyu Zhang（张善雨）, Panke Zhang（张盼科）and Shuo Huang*（黄硕）

Nano Lett., 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02455

参考文献：

1. Mikkola, S., Nucleotide Sugars in Chemistry and Biology. Molecules 2020, 25 (23), 5755.

2. Lazarowski, E. R.; Harden, T. K., UDP-Sugars as Extracellular Signaling Molecules: Cellular and Physiologic Consequences of P2Y14 Receptor Activation. Molecular Pharmacology 2015, 88 (1), 151-160.

3. Feng, H.-T.;  Wong, N.;  Wee, S.; Lee, M. M., Simultaneous determination of 19 intracellular nucleotides and nucleotide sugars in Chinese Hamster ovary cells by capillary electrophoresis. Journal of Chromatography B 2008, 870 (1), 131-134.

4. del Val, I. J.;  Kyriakopoulos, S.;  Polizzi, K. M.; Kontoravdi, C., An optimized method for extraction and quantification of nucleotides and nucleotide sugars from mammalian cells. Analytical Biochemistry 2013, 443 (2), 172-180.

5. Nakajima, K.;  Kitazume, S.;  Angata, T.;  Fujinawa, R.;  Ohtsubo, K.;  Miyoshi, E.; Taniguchi, N., Simultaneous determination of nucleotide sugars with ion-pair reversed-phase HPLC. Glycobiology 2010, 20 (7), 865-871.

导师介绍

黄硕

https://www.x-mol.com/university/faculty/56491 

课题组网站：

http://hysz.nju.edu.cn/bionano