【综述】重组蛋白糖基化表征的进展与展望

　　内容

　　1. 前言：生物制品糖基化表征的重要性

　　2. 糖蛋白表征用分析方法

　　2.1 糖基化特性

　　2.1.1 多糖的直接分析

　　2.1.2 糖谱分析

　　2.1.3 N-糖的异质性分析

　　2.1.4 单糖的分析

　　2.2 多糖分析用技术

　　2.2.1 糖分离技术

　　2.2.2 多糖检测技术

　　● 衍生/标记方式和多糖的检测

　　● 荧光检测

　　● MS检测

　　● 异构形式和连接方式的分析

　　2.3 分析中的生物信息学工具

　　3. 展望

　　1 生物制品糖基化表征的重要性

　　1972年Paul Berg首次将重组DNA技术应用到蛋白生产中进而诞生了重组蛋白，药物中便有了一个新的分支——重组治疗蛋白。1982年，第一个重组蛋白重组人胰岛素诞生。从此使用重组胰岛素代替动物来源的胰岛素成为糖尿病治疗的一个重大突破。很快，很多其他重组蛋白被应用到治疗一些由于体内内源性分子（如激素、酶和凝血因子）分泌缺陷型疾病。而这些重组蛋白中超过60%是糖基化蛋白。现已证明重组表达的治疗型糖蛋白的糖基化类型及水平对其疗效、半衰期、稳定性和安全性等均有影响。为保持批次间糖型一致性，需要稳定的生产工艺和有效的糖型表征。

　　糖基化是最常见的蛋白翻译后修饰。这一复杂过程发生在内质网和高尔基体上。通常将多糖分为两类：N-糖（糖通过一个N原子连接在Asn）和O-糖(糖通过O原子连接在Ser/Thr)上。因N-糖在调节生物药品的稳定性、功能和结构完整性上具有重要作用，因此本文主要介绍N-糖。

　　N-糖主要分为3类：高甘露糖型、复合糖型、杂合糖型。高甘露糖型只含有甘露糖（下图中M3/M5/M8）。复合糖型（图中A3/ A2B/ FA2G2S2/FA2G2Ga1）通常包括半乳糖、唾液酸、和核心岩藻糖基。杂合糖型通常是由高甘露糖型和复合糖型的组合。由于基质和酶（糖苷酶、多种糖基转移酶等）的不同，N-糖基化生物合成方式添加或移除：N-乙酰葡糖胺、葡萄糖、半乳糖、N-乙酰半乳糖胺、岩藻糖、甘露糖和唾液酸等。

　　可用于生产糖蛋白的基因工程细胞有多种：细菌、植物细胞、昆虫细胞、酵母和哺乳细胞等。采用重组技术用于生产治疗性糖蛋白的细胞主要是哺乳动物细胞系，其中以CHO细胞、BHK细胞、SP2/0 和 NS0 细胞等为主。哺乳动物细胞因其具备完整的类人体PTMs功能而被广泛用于表达治疗型蛋白。其中，CHO细胞系在工业化生产中的应用最为广泛，原因是它们具有悠久的监管记录、易于操作、可以在化学成分限定的培养基中悬浮生长、良好的安全使用记录等。然而，CHO细胞系的一个缺点就是表达的蛋白糖基化一致性较差，因为糖基化过程中涉及的多种酶，并且在培养过程中会随着培养环境不同而导致其活性会发生变化，这样就会产生不同的糖型结构，导致批次间差异大。而尤为重要的是这些糖型的变化对蛋白结构、稳定性、溶解性、清除性、活性甚至免疫源性都有重要的影响。

　　比如：

　　例一：缺失末端唾液酸残基的治疗型抗体在血液循环过程中会被快速清除，因为暴露出的半乳糖残基会与肝细胞的脱唾液酸受体相互作用。

　　例二：末端脱去唾液酸的治疗性抗体因提升了ADCC和CDC效应从而提高了抗炎症作用。

　　例三：治疗性抗体岩藻糖去除后，ADCC活性较高。

　　例四：甘露糖的改变可以影响药物的半衰期和导致非靶向性肝毒性。

　　重组蛋白的N-糖型受培养条件影响：营养水平、溶氧水平、PH、温度、高应激力、血清、微载体和培养基的添加物等。例如在生产过程中通过调整培养基中的锰、半乳糖和尿苷浓度可以控制N-糖的β1,4-半乳糖基化。此外，目前在重组糖蛋白的生产过程中几个重要的糖基化控制点已经被识别，如糖基化酶（半乳糖转移酶4）和转运蛋白。

　　近些年的研究已经证实在细胞糖工程学领域的可调控点：利用多种基因工程策略生产特异性或是均一性糖基化修饰。例如：敲除FUT8基因的CHO细胞系建立可确保生产完整的无岩藻化的治疗性抗体，具有高ADCC活性、稳定的质量和疗效。最近又有一个新的方法称作GlycoDelete，它通过缩短高尔基体内的N-糖基化路径来减少N-糖的复杂性。如此，可产生高的N-糖一致性，但是会失去一些重要的复杂糖型。此外，酵母细胞经过人源糖基化改造后可以提供一些类人糖基化的修饰，说明糖工程学还是有一个很好的发展前景。

　　生物仿制药的到来促使了生物制药市场的发展。未来近十年间，随着多种治疗性抗体的ZL期满，生物仿制药市场将会更快发展。而生物仿制药是要与原研药在理化性能、功效、安全性等均保持一致，因此这种药物理化对比性的分析需求提升了对高效分析工具的需求。

　　就大幅度减少医疗保健成本方面来说，生物仿制药的到来对于患者和社保部门来说都会是一个很好的选择。预估从2014 -2024年仿制药可以给美国节省$250 billion。在欧洲和亚洲，仿制药可以节省近40%。然而后续研究发现，开发和生产仿制药所需要的费用并不像预期所想那么低。

　　法规方面，EMA在2005年颁布了第一个仿制药审批指南。2011年又颁布了补充指南强调了报批途径。同年FDA针对美国市场也出台了相应法规。2014年12月EMA又出台了新的报批指南，于2015年7月正式开始实施。但是就治疗性重组蛋白的糖生物学方面，这些指南虽然强调其重要，但是没有给出具体的分析指南。例如，在欧洲药典中，对于促卵泡素的要求是只需要控制唾液酸比例，对其他具有免疫源性的糖型并没有要求。随着市场需求，仿制药相关法规也会越来越一致和清晰。

　　2 糖蛋白表征用分析方法

　　EMA要求“抗体应该被完全表征”。抗体的表征包括：理化、免疫源性、生物学活性、纯度、宿主细胞残留和抗体浓度，这些与ICH要求一样。关于N-糖分析，EMA指南中表示需关注几种糖基化，甘露糖、半乳糖、岩藻糖和唾液酸的程度及主要糖型的分布。

　　然而只注意主要的糖型结构是不够的。所有N-糖型都应该明确。因为一些小结构糖（如α1-3-Gal-Gal）都可能存在潜在风险。例如：2013年投放欧洲市场的infliximab仿制药Remsima®，和原研产品糖型结果又较大差异。原研产品中有少量糖型（低于5%总糖型）含有N-乙酰神经氨酸(NGNA)和α-1,3 Gal-Gal。近来的研究也发现在仿制药与原研药上会有低丰度糖型的差异，特别是唾液酸的差异。这些都表明低丰度蛋白糖基化也存在潜在风险，检测它们同样很重要。

　　此外，针对如何对糖型进行定性和定量的分析的指南也很重要。应该包括所有的必要的分析信息：包括用于样品准备和分析的条件和技术，原始数据、处理数据用的工具和参数等以确保在不同的实验室中的数据可重现性。

　　治疗性蛋白的 质量表征技术必须具备准确、精确、可重复、操作性强、可扩展、可达到的最高分辨率等，其具体包括以下几个方面：

　　氨基酸分析

　　氨基酸分析可以用于验证一级序列的正确性和无突变产生。肽谱图可以作为一个补充验证工具。氨基酸检测通常是采用RP-RPLC偶联荧光或UV检测器用于分析酶解或是水解后的治疗性抗体。常用柱后衍生方法，衍生试剂种类很多；也有用柱前衍生的方法用于分析一些复杂的生物制品。

　　肽谱图

　　用于验证初级序列和有无点突变。常用的流程：酶解蛋白然后进行肽段混合物分离（液相、高分辨率的串联质谱）。UV监测只能用于分析这些变体在保留时间上的变化或是在PTM存在时的分离性。MS/MS用于确保高质量信息的收集，包括每个肽的序列信息。对于糖分析来说，糖肽分析可以提供糖基化位点和异质性的相关信息。

　　重链、轻链、Fab、和FC片段的分析

　　用于分析抗体在每个亚基上的水平，它是肽谱图检测的一个补充。通过木瓜蛋白酶、胞内蛋白酶Lys-C、胃蛋白酶、免疫球蛋白G-降解酶等将抗体消化成亚基，然后用HRMS来检测亚基水平。HRMS也可以分析N-糖构型和微小变异识别。

　　完整蛋白分析和电荷异构体检测

　　用于分析C-末端Lys变化、Asn脱酰胺基作用、唾液酸和其他变异体。常用的检测设备是IEC偶联UV检测器。现在IEC技术已经得到改进，主要是洗脱时采用不同的PH梯度替代传统的盐梯度，这样可以提升分辨率。目前RPLC偶联HRMS技术已经广泛用于完整蛋白分析。

　　聚合体的检测（蛋白的二聚体和多聚体）

　　聚合体对治疗性蛋白的制剂和稳定性具有重要的影响。甚至由于存在某一聚合体可以明显的改变蛋白的特性，如疗效和免疫源性。聚合体通常用SEC检测，因为SEC速度较快且重现性良好。

　　2.1糖基化特性

　　基于糖基化修饰对治疗性蛋白活性和免疫源性的可能影响，现在治疗蛋白的糖基化分析已经列入法规。 检测内容包括：糖序列的确定、链接类型、糖连接在蛋白上的位点、大小异质性等。

　　2.1.1 多糖的直接分析

　　对糖异质体快速分析需求的提升促进了生物制药糖分析技术的快速发展，现在CE-HR-MS和LC-HR-MS技术已经广泛应用到该分析。CE可以检测出糖蛋白中的单个完整糖链，例如氧化的和乙酰化的糖异构体等。MS的高分辨率更进一步确保完整分子的分析。如采用RPLC HR-MS 分析的还原trastuzumab的重链信息（见下图）。

　　还有采用CZE-ESI-MS分析完整糖蛋白的方法来检测促红细胞生成素的少量糖修饰，具有较好的糖型分离效果和高敏感性。此外还有采用cIEF偶联MALDI-TOF-MS分析VEGF的应用。完整抗体的直接分析方法可以对非完整N-糖比率进行定量分析，但是该方法难以分辨低丰度的糖，因此还需要用糖谱法做一个补充分析。

　　2.1.2 糖谱分析

　　糖谱分析需要将糖从蛋白上解离下来。最直接有效的方法就是采用PNGase F酶解N糖的方法。PNGase F催化GlcNAc和Asn残基分开，该法基本上可以分离大多数的N-糖蛋白，但是不能分开连在GlcNAc的还原末端α1-3位含有岩藻糖的残基，这种情况下就要选择PNGase A，这种构型通常会发上在昆虫细胞和植物细胞表达的产物上。某些情况下，在采用PNGase F/A酶解之前，可以先用蛋白水解消化以提升后续酶解效率（如下图）。酶解之后采用LC或是CE进行糖分离。二者也可偶联到相应的检测器（荧光/MS/MALDI-TOF）上进行分析。MALID-TOF也可以用来进行糖谱分析，这种情况下不需要事先进行糖分离。

　　糖谱在面对同分异构体的检测时具有很大的挑战性。在这种情况下可以先使用外切糖苷酶将糖酶解然后再分析，这样可以分析单糖、连接方式和异构体。糖苷可以采用LC-Fluorescence，LC-ESI-MS or MALDI-MS 进行分析。采用不同的特异性外切糖苷酶逐步消化糖链，然后使用LC-Fluorescence、LC-ESI-MS 或者是MALDI-MS检测。采用外切糖苷酶消化的方法的一个限制就是需要分析人员具有较高的专业知识。常见的糖型分子式和Mass信息见下表。

　　2.1.3 N-糖的异质性分析

　　分析N-糖的异质性时需要先将完整性糖蛋白消化分解成糖肽，然后采用LC-HR-MS/MS分析。目前已经证明使用CID串联MS分析糖肽在表征N-糖微观(Microheterogeneity)异质性上效果很好，但是分析数据较难，不但需要很强的专业知识而且还很耗时。替代CID的一种方式是ETD串联MS，它可以裂解糖肽的肽骨架，同时即可以分析氨基酸序列又可以明确其糖基化位点。如采用LC-ETD-QTOF-MS成功用于表征trastuzumab 和 erythropoietin。

　　此外，采用18O标记的糖基化位点鉴定技术，对于宏观异质性(macroheterogeneity)分析也有一定的效果。

　　2.1.4 单糖的分析

　　单糖分析是最简单的一种糖表征，可以确定糖蛋白中单糖的类型和相对百分比。常用的单糖的制备流程是：酸性条件下水解2-4h(80-100 ℃)，然后采用AEC偶联PAD或是MS。PAD主要用于分析非酸性糖，并且具有高敏感性和良好的基线分离。单糖也可以用CE进行分离。

　　分析单糖的另一个优点就是可以研究其连接方式。实际上，在多糖完全甲基化后，使用electron-impact-GC-MSMS分析，可以获得特异性的单糖。这种方法是基于已知特异性（带有不同乙酰基标签）单糖的保留时间。这些方法也可以提供较多的连接信息。

　　2.2多糖分析技术

　　2.2.1 糖分离技术

　　多糖和糖肽在检测之前通常先用LC和CE进行分离。LC的方法时基于被分析物在流动相和固定相中的分布，而CE的方法则是基于被分析物在电场中的移动速率，和电荷情况，分子大小及分子结构相关。两种方法具有可比性，均具有较高的精度和准确性。

　　用于分离糖的液相方法较多。HILIC相对是比较受欢迎的一种，因为与RP-LC相比，其溶质扩散系数更高，高保留、分辨率、敏感性和良好峰型。下图（图4）显示了HILIC分离多糖的色谱图。缺点是该方法使用的流动相是高浓度乙腈，对环境有害。

　　弱阴离子交换色谱(Weak Anion Exchange, WAX)可用于带电荷的多糖异构体分离，如具有不同数量的唾液酸异构体残基，硫酸化和磷酸化的多糖等。Nano-LC系统用于小体积样品的糖分离。另外还有芯片分析技术、芯片结合Nano-LC分析等。不同方法的对比见下表。

　　2.2.2 多糖检测技术

　　由于多糖在UV条件下吸收很弱。因此多糖的检测通常用质谱或是衍生后用荧光检测器进行检测。

　　2.2.2.1衍生/标记方式

　　为增加检测的灵敏度，有几种结构性修饰方式：完全甲基化、唾液酸修饰、自由还原端的还原或还原端增加荧光标记（2-AA、2-AB、苯胺或是APTS、同位素）等。

　　标记方式的选择依赖于多糖分析平台的选择，并且标记对多糖的分离也很重要。比如完全甲基化可以增加多糖的疏水作用进而可以采用RP-LC分离，然其疏水作用的增强也可能导致不能完全有效分离。采用2-AB标记消除了负电荷进而可以采用HILIC检测。APTS标记带有强负电荷而选用CE分离。

　　近来针对N-糖推出了一种新的标记方式。采用一个叔胺—NHS氨基甲酸酯与PNGase F结合快速标记后进行LC-FLR-MS分析。该方法优点是标记快，可用于日常的批间产品分析。缺点是它会与释放的多糖的末端氨基反应，该反应不稳定，因此该过程需要快速操作。此外还存在不能有效的标记或是酶解反应不充分（孵育时间短）的缺点。因此这种方法不太适合用于分析新的生物制品。

　　采用LC方式分离时预先对N-糖末端还原是非常重要的。如果不还原，闭环和开环均存在，在分析时同一个N-糖会有两个色谱峰（见下图）。末端GLcNAc还原成其相应的醇会避免这种现象的产生，但是也会阻止还原末端与光学/荧光检测试剂的衍生反应。

　　荧光检测器和MS结合不但可以检测到单的荧光图谱而且可以收集每个色谱峰的MS信息。

　　2.2.2.2 荧光检测

　　对于糖分析来说，荧光检测的灵敏度高于MS，但MS可以进行多糖的结构性分析。荧光检测器通常需要其他实验辅助，例如预先将使用外源糖苷酶释放糖链，而且需要借助数据库才能确定结构信息等。目前采用LC偶联荧光检测器分析2-AA或是2-AB标记的N-糖已经成为一种标准的技术。

　　与MS相比，采用荧光检测器方法的一个缺点就是需要对糖进行标记，因此需要耗时准备样品，而且标记时荧光试剂过量，标记完后还需去除多余的荧光试剂。通常采用SEC或是SPE去除，但是这个去除标记的过程耗时且会损失样品。

　　2.2.2.3 MS检测

　　最近有不少综述介绍使用MS分析糖，如：MALDI-MS, direct ESI-MS/(MS), LC-ESI-MS, CE-MS, and IM (ionmobility)-MS等（V. Dotz, et al.,TrAC Trends Anal. Chem. 73 (2015) 1e9），内容主要就分离原理等进行介绍，本文就不再赘述。本文主要着眼于怎么选择或是使用MS，如分析糖之前

　　应该明确：

　　● 是用正电荷方式还是用负电荷方式

　　● 一个MS还是需要串联MS

　　● 是否需要高分辨率MS

　　● 数据收集方式

　　● 用哪种数据分析工具

　　下图显示了FA2, FA2G1, 和 FA2G2S1的MS/MS图谱：

　　数据收集时采用正电荷方式或是负电荷方式是非常重要的。正离子模式比较敏感，但是负离子模式可以提供更多的信息，如盐藻糖的位点等。但是对于中性N-糖很难采用负离子方式。目前N-糖的完全甲基化方法结和RP-LC-MS可以解决这中性N-糖的分析和唾液酸化的N-糖分析。

　　与蛋白相比，N-糖比较稳定。目前采用LC-MS的方法分析N-糖即使在强降解条件下糖的稳定性仍然很好。但是在使用MS分析N-糖时糖样可能会发生分解或是重排，特别是在末端含有唾液酸或是岩藻糖的糖，在使用CID MS/MS检测时非常不稳定。目前有几种衍生方式以提升上述情况下糖的稳定性。其中最有效和常用的就是完全甲基化方法，这种方法可以在MS/MS的条件下避免糖的重排或是末端唾液酸/岩藻糖的丢失。

　　2.2.2.4 异构形式和连接方式的分析

　　有些多糖具有复杂的异构体形式。要区分这些异构体就需要详细的结构表征。通常是先用外切糖苷酶消化，然后采用LC-MS/MS或是LC偶联荧光检测器进行。近来发现离子淌度MS（IM-MS）用于分析糖同分异构体效果较好。

　　2.3分析中的生物信息学工具

　　由于糖组学还处于初始阶段，生物信息学工具在糖组学数据处理中的应用还有很大的提升空间。目前糖数据分析需要具备较高糖生物学知识的专业人员及大量的手动输入。先进的糖基化表征方法体现在新的数据库和生物信息工具方面。数据库可为分析人员分析糖基化表征时提供帮助。目前已经有几个含有N-糖和O-糖结构的数据库，如Carbbank、EUROCarbDB, GLYCOSCIENCES.de, KEGG，CFG's Glycan Structures Database和GlycoBase Database, etc. 但是目前还缺少一种可以使数据处理更为简单的软件。

　　3 展望

　　随着治疗性糖蛋白市场的指数增长，糖蛋白的理化分析也越来越重要，相应的糖基化表征也会日益重要。这种背景下，就需要更为有效的、快速的分析方法和好的统计学方法。

　　近些年在多糖和糖肽分析、衍生、分离和检测等领域已经有了很大的进展，而且仍然在快速发展。糖基化分析的流程从1周已经缩短至几个小时。

　　但是目前还有一些问题存在：

　　1. 一些方法的敏感性仍需要进一步提升。

　　2. 数据处理仍需要进一步提升，以简化数据分析和提高数据分析速度。

　　3. 对于糖基化表征的指导性法规尚不完善。

参考文献

A. Planinc et al. Analytica Chimica Acta 921 (2016)，来源： Bioprocess|刘华杰