研究方向一：糖基化修饰生物合成途径及其调控机制
（1） N糖基化生物合成途径及其调控机制研究
生物体内糖蛋白上天冬酰胺（N）连接的N-糖基化是一种新生肽链的共翻译或翻译后修饰，对于糖蛋白质的结构与功能发挥着至关重要的作用。N-聚糖在附着到蛋白质上之前，经由糖基转移酶（ALG）催化逐步催化合成为脂质连接寡糖（图1），大多数真核生物都有一个共同的寡糖前体Glc3Man9GlcNAc2（Glc：葡萄糖，Man：甘露糖，GlcNAc：N-乙酰葡糖胺）。人类N-糖基化生物合成和修饰途径的缺陷与代谢异常疾病和癌症的发展、转移有着紧密联系，并影响抗体药物的稳定性、生物活性及免疫反应等。本研究方向专注于N-糖基化途径相关蛋白的功能、生物合成，运输和修饰机制的研究，已成功鉴定或表征了糖基转移酶ALG13，ALG14，ALG2以及寡糖中间体翻转酶RFT1的功能和活性。本研究方向整合包括基因筛选、基因编辑、化学合成等在内的生物化学手段，力求进一步阐明N-糖基化生物合成和修饰途径的调节机制，解析N-糖基化遗传性疾病和代谢性疾病的发病机制，为相关疾病的诊断和治疗提供线索和理论基础（Nat. Commun., 2024; Front Cell Dev Bio., 2022; Commun Bio., 2022; J Biochem., 2019; Nat. Commun., 2018; FASEB J., 2018; Glycobiology., 2018）。
图1. N糖基化生物合成途径及其调控机制研究
（2） GPI锚定蛋白的功能、生物合成及其调控机制研究
糖基磷脂酰肌醇（Glycosylphosphatidylinositol，GPI）是一种真核生物中核心结构保守的复杂糖脂，其核心结构由磷酸乙醇胺（EtNP）、甘露糖（Man）、葡萄糖胺（GlcN）、和磷脂酰肌醇（PI）组成。GPI的主要功能是将缺少跨膜结构域的蛋白定位在细胞膜表面（图2）。这些被GPI修饰的蛋白质被称为GPI锚定蛋白。人类GPI的生物合成途径缺陷会导致多种疾病，如阵发性睡眠性血红蛋白尿症和先天性GPI合成缺陷症的疾病。本研究方向专注于GPI锚定蛋白的功能、生物合成和运输机制研究，已成功鉴定并表征了参与GPI生物合成的半乳糖转移酶B3GALT4以及脂质促翻转酶CLPTM1L 。本研究方向综合利用遗传筛选、基因编辑、生物化学、细胞生物学等手段，重点围绕以下三个研究方向展开研究：（1）阐明GPI锚定蛋白的生物合成和运输途径的调节机制；（2）解析GPI释放酶调控特定GPI锚定蛋白水平的机制和信号通路；（3）探索重要GPI锚定蛋白的转化医学前景。（J. Cell Biol., 2023; Proc. Natl. Acad. Sci., 2022; Nat. Commun., 2020; J. Biol. Chem., 2019; J Cell Biol., 2018）
图2. GPI锚定蛋白的功能、生物合成及其调控机制研究
研究方向二：糖类物质的组装与创新医药研发
本研究方向立足于糖化学生物学，面向基于糖类物质的创新医药研发，致力于（1）开发制备结构均一糖类物质的方法，并在此基础上（2）探索糖类物质在疾病诊疗中的应用。
（1） 制备结构均一糖类物质
已成功建立了糖基转移酶表达体系及体外酶活检测方法，突破了糖链酶法合成的瓶颈。在各种糖基转移酶活性表达的基础上，首次在体外通过重构脂肪醇寡糖生物合成路径制备了核心五糖和多种高甘露糖型N-寡糖（BBA-Gen. Subjects., 2022; Nat. Commun., 2019；Chinese Chem. Lett., 2018），将酶法合成高甘露糖型N-寡糖的产量提升至毫克级别；同时开发了酿酒酵母孢子糖基转移酶封装系统，制备了唾液酸转移酶和半乳糖基转移酶共封装的孢子胶囊（ACS Catal., 2022；Front. Chem., 2020；J. Agr. Food Chem., 2019），为体外串联酶促反应延申寡糖链提供了环境友好的固定化酶新策略。上述研究成果解决了定向/高效组装人源寡糖链、糖肽/糖蛋白等糖类生物标记物的关键科学问题（图3）。
图3. 均一糖类物质的体外组装
（2） 糖类相关疾病的诊疗及应用
从基础学科转化到临床导向，利用自主开发的糖组装技术发展糖质相关疾病的检测方法和治疗药物，已在先天性糖基化缺陷（CDG）的疾病严重程度检测，CDG、肿瘤等的生物标记物抗体开发方面取得了初步的进展，开发了相关糖基转移酶的体外酶活检测体系并揭示了患者相关突变蛋白酶比活降低的程度与CDG 疾病的严重程度相关（J. Biosci. Bioeng., 2023；Commun. Biol., 2022），有望应用于CDG 的体外诊断和病情预测；在体外酶法合成了ALG1-CDG患者体内特有的四糖生物标记物（Siaα2,6Galβ1,4GlcNAc2），将其装载在脂质体中制成了脂质体抗原，随后通过动物实验证实了其免疫原性（J. Nanobiotechnol., 2023；Carbohyd. Polym., 2022；Bioorg. Med. Chem. Lett., 2020），为后续制备单克隆抗体提供了理论基础。上述研究成果为推进我国糖类生物医药的发展提供了解决方案（图4）。
图4. 糖类相关创新医药研发
研究方向三：蛋白质糖基化修饰深度解析新技术的开发和应用
（1） 基于完整N-连接糖肽的多种来源的位点特异性蛋白质糖基化深度解析技术：
完整糖肽的深度分析有利于明确蛋白质糖基化位点特异性糖基化修饰特征，是目前蛋白质糖基化修饰解析中最先进的技术。发展了基于阴离子层析柱富集完整N-连接糖肽结合组分分离法，利用高分辨率LC-MS/MS分析，实现了高通量位点特异性糖蛋白质组分析。该方法样品兼容性好，目前已被广泛用于细胞、血液、外泌体、组织等各种样品分析。该方法可以特异性鉴定高可信度的非典型N-糖基化位点，实现蛋白质位点特异性糖基化图谱绘制，揭示生物过程和/或病理过程中精细蛋白质糖基化改变（图5）（J. Proteome. Res., 2024; J. Agr. Food Chem., 2023, 2021; Cells, 2022; Front. Chem., 2021, 2020; Biotechnol. Bioeng., 2019; Biotechnol. J., 2019; Anal. Chem.，2018, 2019, 2019; Cell Death Dis., 2022）。
图5. 基于完整N-连接糖肽的多种来源的位点特异性蛋白质糖基化深度解析技术
（2） 基于糖链释放的糖组学技术解析蛋白质N-及O-连接糖基化修饰
蛋白质糖基化修饰主要包括糖基化修饰位点，糖链结构和位点特异性的蛋白质糖基化修饰。通过糖苷酶释放糖链以及亲和及反向色谱的方法获得聚糖和去糖基化糖肽，借助高分辨质谱仪，凝集素芯片，凝集素-糖抗体芯片等技术深度解析蛋白质糖基化修饰水平。通过对肿瘤细胞、临床组织等样品的包括基因组、转录组、蛋白质组、糖蛋白质组和糖组学分析，发现与肿瘤发生发展过程中密切相关的蛋白质糖基化修饰。实现了多种肿瘤包括肺腺癌，膀胱癌，肝细胞癌，乳腺癌等临床组织和多种糖基化修饰工程化细胞样品的蛋白质，及糖基化修饰分析，发现多种与肿瘤发生相关的蛋白质和N-糖链结构（图6）（Front. Oncol., 2023; Int. J. Biol. Sci., 2016; Molecules, 2016; J. Proteome Res., 2015）
图6. 基于糖链释放的糖组学技术解析蛋白质N-及O-连接糖基化修饰
（3） 单细胞糖蛋白质组学分析平台：
细胞异质性在明确细胞特异性行为方面具有重要意义，单细胞分析可以揭示复杂细胞群单细胞异质性，单细胞转录组学和蛋白质组学近年来得到广泛关注并取得了巨大进步。蛋白质糖基化的复杂性和不均一性为细胞的异质性提供了物质基础，糖链结构的复杂性使细胞蛋白质糖基化解析极具挑战性，特别是单细胞中蛋白质糖基化分析。本课题组开发了基于流式细胞分选和稳定同位素标记的载体糖肽辅助的单细胞糖蛋白质组分析策略（Cyto-scGP），该策略可以同时实现不同样品单细胞蛋白质，糖基化修饰位点，位点特异性性糖链解析，实现单细胞蛋白质糖基化修饰解析的突破。目前已应用于细胞间，小鼠大脑组织不同区域，肿瘤微环境中蛋白质糖基化修饰的细胞特异性解析（图7）。
图7. 单细胞糖蛋白质组学分析平台
（4） 患者来源肺腺癌糖基化修饰高保真类器官培养和应用平台
肿瘤患者个体和微环境的异质性，导致癌症的治疗效果存在明显的个体差异。肿瘤的异质性主要表现在肿瘤细胞基因表达差异以及微环境中肿瘤细胞，成纤维细胞与免疫细胞等的组成和空间分布差异。建立能够保留患者肿瘤异质性的研究模型，并将其应用于临床前治疗方案的制定，对实现癌症个体化治疗意义重大。肿瘤类器官（Patient-derived organoids, PDOs）是一种将来源于患者手术组织或者活检的样品进行3D培养，获得的能够维持患者肿瘤异质性特点的体外培养模型。患者来源类器官保留了肺腺癌组织的肿瘤基因突变的特异性，并保持了肿瘤组织微环境中不同细胞类型和状态。利用蛋白质组学和糖蛋白质组学证明肺腺癌类器官中蛋白质表达和糖基化修饰水平保留了原始组织状态，高通量类器官培养方法的建立，在临床药物筛选和个体化治疗方面具有重大的意义。同时通过糖基因编辑技术可以帮助实现肿瘤类器官的改造，为具有肿瘤微环境的原位编辑肿瘤治疗方案提供临床前模型（图8）。
图8. 患者来源肺腺癌糖基化修饰高保真类器官培养和应用平台