葛瑛团队新成果：自上而下质谱揭示SARS-CoV-2Omicron变异体棘突蛋白RBD的独特核心聚糖和O-糖型

大家好，本周为大家分享一篇预发表的文章，Distinct Core Glycan and O-Glycoform Utilization of SARS-CoV-2 Omicron Variant Spike Protein RBD Revealed by Top-Down Mass Spectrometry1，通讯作者是美国威斯康星大学的葛瑛教授。

SARS-Cov-2的快速变异为全球抗疫带来了极大的挑战。Delta和Omicron等新变种的传染性更强、病症更严重、显著逃避康复者或疫苗的中和抗体，并且逃避检测的风险更高。与野生型（WT）毒株相比，Omicron变体具有数量惊人的突变（>30），包括棘突蛋白受体结合域（S-RBD）中的15个位点突变。S-RBD是中和抗体和其他疗法的主要靶点，病毒的细胞感染性、保护表位免受抗体中和及与人类受体ACE2结合的能力与S蛋白的糖基化密切相关。S蛋白O-聚糖具有巨大的微观异质性和结构多样性，因此对其O-糖基化的表征仍具是极大的挑战。作者在本文中报道了一种自上而下的混合质谱方法，能够同时表征分子结构、位点特异性、各种糖类的相对丰度，以及不同共现蛋白型的整体翻译后修饰（PTM）。

与WT相比，Delta和Omicron变体固有的突变差异在其RBD中尤其明显（图1A）。为了阐明各种S-RBD的分子序列和O-聚糖，作者使用PNGase F从S-RBD中完全去除N-聚糖，以最小化N-聚糖异质性造成的干扰（图1B）。与完全糖基化的S-RBD相比，N-聚糖的去除产生了>10 kDa的分子量损失。通过超高分辨率12T FTICR-MS可实现各种S-RBD的基线同位素分离。自上而下的MS分析显示，各种O-糖型的化学计量比和相对丰度存在显著差异，其中Omicron变体显示出最大的O-糖型结构异质性（图1C）。

图1 由WT、Delta和Omicron变体产生的S-RBD的蛋白质突变图谱和高分辨率自上而下MS。（A）SARS-CoV-2基因组结构和S-RBD变体蛋白质序列变化的说明。（B）PNGase处理前(-)后(+)的S-RBD的SDS-PAGE。（C）在对WT、Delta和Omicron变体进行PNGase F处理后，完整S-RBD蛋白型的原始MS1。所有确定的O-糖型在插图中用红色圆圈注释。

为了实现深入的糖型和糖位点分析，作者利用捕获离子迁移谱（TIMS）-MS，通过timsTOF Pro仪器分离和分析各种S-RBD O-聚糖结构（图2）。为了表征Omicron变体的聚糖结构和占比，作者对单个S-RBD O-糖型进行了特异性分离。以最丰富的O-聚糖（26+，1069.4.3 m/z）为例，从Bruker数据分析软件输出由CAD获得的MS/MS片段离子，并使用MASH Explorer16在靶向蛋白质分析模式下进行分析，以进行全面的蛋白型表征。获得了自上而下的MS/MS谱以及各种O-聚糖结构的离子迁移率分离，以克服O-聚糖分析固有的质量简并性和微观异质性（图2B）。足够软的TIMS淌度池活化参数能够对分离的S-RBD蛋白型进行详细的中性缺失图谱绘制，并揭示了具有GalNAcGal(NeuAc)2结构的核心1（Galβ1-3GalNAc-Ser/Thr）O-聚糖（图2C）。这种TIMS-MS方法允许对聚糖结构进行直接表征，以揭示在三种S-RBD变体中具有核心1和核心2（GlcNAcβ1-6 (Galβ1-3) GalNAc-Ser/Thr）O-聚糖结构的多个S-RBD糖型。

图2  S-RBD O-糖型的TIMS-MS分析。（A）经PNGase F处理后的特定S-RBD糖型（z=26+， 1069.4 m/z）的TIMS-MS分离示意图。插图为前体离子分离后对应的离子迁移率热图。（B） 分离的蛋白型经CAD碎裂后，Omicron S-RBD O-聚糖的自上而下MS/MS。（C） Omicron S-RBD蛋白型中性缺失O-聚糖图谱。

随后，作者进一步描述了S-RBD WT、Delta和Omicron O-糖基化模式，以揭示变体之间的所有O-糖基化结构改变（图3）。有趣的是，与WT或Delta变体相比， Omicron中主要的O-聚糖微观异质性发生变化。特别是Omicron的核心2 O-聚糖结构丰度显著增强，多重唾液酸化GalNAc(GalNeuAc)(GlcNAcGalNeuAc)和岩藻糖基化GalNAc(GalNeuAc)(GlcNAcGalFuc)结构显著表达。表1总结了Omicron与WT或Delta变体相比所观察到的显著分子丰度差异。

图3 S-RBD变体的O-糖型表征。S-RBD蛋白型的去卷积谱显示了WT（绿色）、Delta（蓝色）和Omicron（粉色）变体的所有主要O-聚糖分配。理论同位素分布由红点表示。聚糖结构在用插图所示的图形表示。

表1 S-RBD变体O-糖型相对丰度总结

Omicron变体的核心1与核心2 S-RBD O-聚糖结构的相对丰度比约为71:29，核心1 GalNAcGal(NeuAc)2是最丰富的O-糖类（~69%相对丰度）。有趣的是，WT和Delta变体显示出对核心1型O-聚糖结构的强烈偏好，其O-糖型丰度的80%以上对应于核心1结构；含核心2 GalNAc(GalNeuAc)(GlcNAcGalFuc)结构的O-聚糖占其总O-糖型组成的13%以上。在WT和Delta S-RBD变体中也发现了这些特殊的核心2结构，但相对丰度要低得多（5-7%）。图3所示的高分辨率完整S-RBD糖型表征表明，与基于糖肽的自底向上MS方法相比，这种自上而下的MS方法具有明显的优势。

作者进一步研究了S-RBD变体之间的糖基化位点及其微观异质性。对S-RBD O-糖型的详细自上而下MS/MS分析显示，存在一种新的O-糖位点（Thr376），这是Omicron变体所特有的（图4A）。令人感兴趣的是，所有检测到的WT和Delta变体的S-RBD O-聚糖都被自信地单独分配给Thr323（图4B-C），这与之前关于WT S O-糖基化的研究一致。鉴于Delta上的突变数量比Omicron少，因此O-糖位点Thr323在Delta和WT变体之间保持保守也就不足为奇了。另一方面，Omicron变体产生了熟悉的Thr323 O-糖位点和一个新的Thr376 O-糖位点（b6012+和b525+），对应于核心1 O-糖型（图4D）。该Thr376 O-糖位点在残基373处与脯氨酸相邻，这与先前关于脯氨酸附近O-糖基化频率增加的报道一致。这种特殊的Pro373是Omicron变体特有的位点特异性突变，很可能是产生这种新O-糖位点的原因。实验还发现，与T323相比，Thr376位点的占有率较低（<30%），并且仅被可靠地分配给丰富的核心1 O-糖基。此外，尽管为变异体指定的O-糖型是HEK293细胞表达的S-RBD特有的，但已知HEK293表达模型可反映病毒体预期的糖基化位点。

图4 通过自上而下的MS/MS进行S-RBD O-糖定位。（A）对应于WT、Delta和Omicron S-RBD变体的核心1型聚糖的片段映射。蓝色N表示PNGase F处理后的脱酰胺作用。特定的Omicron残基突变用粉红色表示。（B-D）代表性的自上而下MS/MS CAD片段离子，包括完整的（B）WT（b71+和b17311+）、（C）Delta（b71+和b22312+）和（D）Omicron（b51+、b182+、b71+、b17311+）变体。WT和Delta变体在Thr323处显示完全的O-糖苷占据。发现Omicron变体同时具有Thr323（b51+和b182+）和Thr376（b71+和b17311+）。

本文首次阐明了SARS-CoV-2 Omicron和Delta变异体中发现的O-糖型结构异质性。与WT或Delta相比，Omicron变体的核心2型O-糖型的利用率显著提高。此外还鉴定了一种新的Omicron S-RBD特有的Thr376 O-糖位点。这种自上而下的MS方法是对传统结构方法的补充，并为SARS-CoV-2 S-RBD蛋白形式的表征提供了无与伦比的分辨率。

撰稿：夏淑君

编辑：李惠琳

文章引用：doi.org/10.1101/2022.02.09.479776