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HNK-1 表位抗原(human natural killer-1 epitope,HNK-1 epitope)是N-聚糖(N-glycans)、O-聚糖(O-glycans)和糖脂(glycolipids)糖链末端的一种特殊三糖结构(HS03-3GlcAβ1-3Galβ1-4GlcNAc),其非还原端末端葡萄糖醛酸(GlcA)的C3位被磺酸化并以β1-3糖苷键与N-乙酰氨基乳糖胺(N-acetyllactosamine,LacNAc)连接。HNK-1抗原表位主要表达于神经系统,尤其在脑组织和外周神经组织中含量丰富,发挥着重要的生物学作用。HNK-1表位相关聚糖在脑组织和外周神经组织中具有广泛的生理学作用,在神经系统生长不同阶段发挥着不同的功能。例如,它可以影响突触的可塑性(synapticplasticity)、空间记忆的形成(spatial memory formation),促进运动神经的再生(motor nerves regeneration)以及外周神经的修复(peripheral nerve repair)等。HNK-1聚糖可引发自身免疫反应,诱导产生自身免疫抗体(autoimmune antibody),与格林-巴利(Guillain-Barre)综合征等神经性疾病有关。所以其衍生物和类似物在抗髓磷脂相关糖蛋白(antimyelin-associated glycoprotein,anti-MAG)等自身免疫性外周神经系统疾病的治疗中具有重要的应用前景。此外,HNK-1聚糖还可以促进突触髓鞘的再生和重建,有助于受伤脊椎功能的恢复。HNK-1表位于1997年首次在脑组织O-甘露糖基化的蛋白质上被发现。其中,研究最为充分的 O-甘露聚糖是α-肌营养不良相关蛋白聚糖(α-dystroglycan,α-DG),根据其核心结构的不同,α-DG O-甘露聚糖主要分为四类:Core M0、Core M1、Core M2、Core M3。到目前为止,随着糖链分离鉴定手段的不断完善,已经表征出20多种α-DG O-甘露聚糖结构,其中含有HNK-1表位的糖链结构共有5种,主要作为含有Core M1和Core M2核心结构寡糖的组成成分。O-甘露聚糖占脑组织中O-聚糖的30%以上,含HNK-1表位的O-甘露聚糖在哺乳动物的大脑发育和髓鞘再生中发挥着重要的生物学功能。但是,目前O-甘露聚糖生物合成途径只有前两步糖基化研究清楚,后续糖链延伸的相关酶尚未得到确证。此外,由于糖链结构的复杂性,从生物体内分离鉴定非常困难,还有更多O-甘露聚糖有待进一步发现和确证。这使得在分子水平上揭示O-甘露聚糖与其生物学功能的构效关系变得极具挑战性。构建结构确定的O-甘露聚糖库是解决这一挑战的可能途径。由于HNK-1表位结构的复杂性,合成含有HNK-1表位的O-甘露聚糖非常困难。目前,文献中仅报道了 HNK-1三糖表位结构以及其衍生物的合成,尚未有关于含HNK-1表位O-甘露聚糖的合成报道。含HNK-1表位O-甘露聚糖的化学合成所面临的挑战有:合成葡萄糖醛酸糖苷键时立体选择性和区域选择性的控制、葡萄醛酸C3位磺酸化的定点引入、HNK-1三糖与O-甘露聚糖核心结构的连接以及糖链延伸等。采用化学合成法面临步骤冗长、操作繁琐、整体收率偏低等问题。此外,磺酸基转移酶的重组表达非常困难,阻碍了 HNK-1结构或者其衍生物的酶法合成。本论文针对含HNK-1表位O-甘露聚糖合成上的挑战,发展了一个高效的化学酶法合成策略,首次系统性地完成了 15个含有HNK-1表位抗原的O-甘露聚糖结构以及对应15个含有未磺酸化HNK-1表位抗原的O-甘露聚糖结构的制备级合成。本论文主要完成了以下四个方面的工作:(1)精心设计了一个HNK-1内酯三糖给体Ⅲ-32和三个甘露糖苷砌块受体111-33、111-39、111-42,通过简洁、高效的化学合成,实现了含HNK-1表位O-甘露聚糖Core M1 Ⅲ-1和Core M2两个核心结构111-2、Ⅲ-9的制备级合成。(2)发展了β1-4半乳糖基化体系、β1-3葡萄糖醛酸糖基化体系、α1-3岩藻糖基化体系以及α2-3唾液酸糖基化体系四个酶法组装模块。(3)以含HNK-1表位O-甘露聚糖Core M2的两个核心结构Ⅲ-2和Ⅲ-9为关键中间体,通过三个酶法组装模块的串联使用,分别引入半乳糖、岩藻糖、唾液酸等单糖砌块,首次完成了 14个含HNK-1表位Core M2 O-甘露聚糖糖链Ⅲ-2—Ⅲ-15的高效系统性合成。(4)以三个O-甘露聚糖核心结构Ⅲ-44—Ⅲ-46为关键中间体,通过四个酶法组装模块的串联使用,完成了对应的15个含未磺酸化HNK-1表位O-甘露聚糖Ⅲ-16—Ⅲ-30的系统性合成。本文创新点主要在以下几个方面:(1)本文发展了一种高效的化学酶法合成策略,首次高效、系统性地完成了 15个含HNK-1表位O-甘露聚糖和15个含有非磺酸化HNK-1表位O-甘露聚糖的制备级合成。(2)含HNK-1表位O-甘露聚糖及其相关衍生物的系统性高效合成,完善了 O-甘露聚糖的多样性和获得性,对于进一步研究O-甘露聚糖的生物学功能,在分子水平上揭示了相关糖链在脑组织中的功能与作用机制,为相关神经系统疾病的新的诊断与治疗方法提供了重要依据。(3)本文发展的化学酶法策略具有普适性,同样适用于含HNK-1表位其他复杂糖缀合物的合成,如N-聚糖等复杂糖链的合成。