在哺乳动物培养细胞中重建人乳寡糖生物合成

来源:Reconstitution of human milk oligosaccharide biosynthesis in cultured mammalian cells(Metabolic Engineering)| 编译:DNA Lab Space | 原文许可:elsevier-subscription

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导读

人乳寡糖(HMOs)是母乳中含量第三的固体成分,对婴儿肠道菌群和免疫发育至关重要。但长期以来,常用的哺乳动物培养细胞几乎不具备合成HMOs的能力。本研究通过表达α-乳白蛋白(LALBA)基因,在HEK293细胞中成功重建了HMO生物合成途径,产出包括3′-唾液酸乳糖、2′-岩藻糖基乳糖、LSTa/d及DSLNT在内的多种HMOs。研究者进一步通过调控B4GALT1、B3GNT2、B3GALT5等糖基转移酶基因改变产物组成,并在HCT116和CHO-K1细胞中验证了该策略的普适性。此外,研究还实现了叠氮基团对3′-SL的代谢标记,并证实所产HMOs具有促进双歧杆菌生长的益生元效应。

研究背景

人乳寡糖是母乳中仅次于乳糖和脂质的第三大固体成分,成熟乳中浓度约为5–20 g/L,初乳中可达约22–24 g/L。这类非结合型聚糖由五种单糖单元——葡萄糖(Glc)、半乳糖(Gal)、N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)、岩藻糖和唾液酸——组合而成。目前已鉴定出超过200种不同的HMO结构,其大小、组成、连接方式及岩藻糖化或唾液酸化程度各异,均基于21种核心骨架结构延伸而来。这些复杂聚糖不能被婴儿胰酶消化,而是作为益生元选择性促进双歧杆菌等有益菌生长,同时充当诱饵受体阻止病原体黏附肠道上皮。

HMOs在乳腺上皮细胞中通过特定糖基转移酶催化的连续糖基化反应合成,但其他细胞类型及常用培养哺乳动物细胞系中几乎观察不到HMO的产生。尽管HMOs在婴儿营养和宿主–微生物互作中具有核心地位,其在乳腺上皮细胞中的生物合成途径尚未被完全阐明。基于基因表达谱、比较基因组学和计算模拟虽已提出候选糖基转移酶,但体内实际运作的精确酶组合、各酶的相对贡献及其在高尔基体中的层级组织仍 largely 未解。在此背景下,在培养细胞中重建HMO合成途径不仅有助于解析其生物合成逻辑,也为建立可规模化的细胞基生产平台提供了可能。

研究方法

细胞培养

HEK293(CRL-1573)、HEK293T(CRL-3216)和CHO-K1(CCL-61)细胞购自美国典型培养物保藏中心(ATCC),并在实验室常规维持。HCT116细胞(RCB2979)购自RIKEN Bio-Resource Center。HEK293、HEK293T和HCT116细胞维持于高糖Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM)中,补充10%胎牛血清(FBS)。CHO-K1细胞维持于DMEM/Ham's F-12培养基中,补充10% FBS。所有细胞均在37°C、含5% CO₂的湿润空气中培养。

【数据】细胞系:HEK293、HEK293T、CHO-K1、HCT116;培养基:高糖DMEM(HEK293/HEK293T/HCT116)、DMEM/Ham's F-12(CHO-K1);血清:10% FBS;温度:37°C;CO₂浓度:5%

质粒构建

为构建pME-Hyg-LALBA-3HA,化学合成LALBA基因片段,并使用In-fusion克隆(Takara Bio)将其插入经EcoRI和MluI线性化的pME-Hyg-3HA载体(Liu et al., 2021)中。扩增人B4GALT1基因全长片段,克隆入经BamHI和EcoRI线性化的pcDNA6-mycHisA(Thermo Fisher Scientific)载体,生成pcDNA6-BSD-B4GALT1-mycHis6。扩增人B3GNT2基因全长片段,克隆入经EcoRI和XhoI线性化的pcDNA6-mycHisA载体,生成pcDNA6-BSD-B3GNT2-mycHis6。扩增B3GALT5全长,克隆入pME-puro-3FLAG(Wang et al., 2020)的EcoRI和MluI位点,生成pME-puro-B3GALT5-3FLAG。为合成分泌型B3GNT2(Lys45-Cys397),扩增DNA片段并克隆入pcDNA-IHT载体(Itoh et al., 2026)的EcoRI和EcoRV位点,该载体含有编码小鼠Ig kappa链信号肽、His6标签和烟草蚀纹病毒(TEV)蛋白酶切割位点的DNA序列。类似地,扩增人B3GNT8(Thr41-Cys397)基因片段并克隆入pcDNA-IHT的EcoRI和EcoRV位点,生成pcDNA-IHT-B3GNT8。人B3GNT3(Trp49-Tyr372)、人B3GNT4(His80-Arg378)、人B3GNT5(Arg72-Ile378)、人B3GNT6(Gln44-Ser384)、人B3GALT1(Ser39-Cys326)、人B3GALT4(Ala69-Ser378)和人B3GALT5(Asn43-Val310)基因片段分别扩增并克隆入pcDNA-IHT的EcoRI和NotI位点,生成pcDNA-IHT-B3GNT3、pcDNA-IHT-B3GNT4、pcDNA-IHT-B3GNT5、pcDNA-IHT-B3GNT6、pcDNA-IHT-B3GALT1、pcDNA-IHT-B3GALT4和pcDNA3.1-IHT-B3GALT5。pcDNA-I-TH含有编码小鼠Ig kappa链信号肽、多克隆位点、TEV蛋白酶切割位点和His6标签的DNA序列。扩增的人B3GALT2(Thr63-His422)基因片段插入pcDNA-I-TH载体的EcoRI和EcoRV位点,生成pcDNA-I-B3GALT2-TH。编码B3GALT1、B3GALT2、B3GALT4、B3GNT3和B3GNT4的DNA片段使用质粒作为模板扩增(Soka University)。所有质粒构建体均通过Sanger测序验证。详细质粒序列可应要求提供。本研究中使用的质粒列于Key Resource Table。

【数据】载体:pME-Hyg-3HA、pcDNA6-mycHisA、pME-puro-3FLAG、pcDNA-IHT、pcDNA-I-TH;限制性内切酶:EcoRI、MluI、BamHI、XhoI、EcoRV、NotI;克隆方法:In-fusion cloning;验证方法:Sanger测序;标签:3HA、mycHis6、3FLAG、His6;信号肽:小鼠Ig kappa链信号肽;蛋白酶切割位点:TEV

转染与稳定细胞系建立

转染使用Lipofectamine 3000(Thermo Fisher Scientific)按照制造商说明进行。简言之,细胞在转染前24小时接种于12孔组织培养板,生长至约80%汇合度。每孔将3 μL Lipofectamine 3000、2.0 μg质粒DNA和4 μL P3000试剂稀释于100 μL Opti-MEM I(Thermo Fisher Scientific)中并轻柔混合。转染混合物短暂涡旋后于室温孵育15分钟,然后加入细胞。转染后18小时更换培养基。转染后72小时开始抗生素筛选,将培养基替换为含10 μg/ml杀稻瘟菌素S、400 μg/ml潮霉素B或1 μg/ml嘌呤霉素的选择培养基。细胞在相同抗生素浓度下持续选择维持,直至获得稳定增殖的细胞群体。

Rate-limiting step of HMO biosynthesis and expression of LALBA. (A) Prediction of the HMO biosynthesis pathway in HEK293 cells using GlycoMaple. Gene expression profiles from HEK293 RNA-seq data reported previously by our group (Huang et al., 2021; Kong and Fujita, 2025) were mapped to each glycosyl
▲ Rate-limiting step of HMO biosynthesis and expression of LALBA. (A) Prediction of the HMO biosynthesis pathway in HEK293 cells using GlycoMaple. Gene expression profiles from HEK293 RNA-seq data reported previously by our group (Huang et al., 2021; Kong and Fujita, 2025) were mapped to each glycosyl

【数据】转染试剂:Lipofectamine 3000;质粒DNA量:2.0 μg/孔;P3000试剂:4 μL;Lipofectamine 3000:3 μL;Opti-MEM I:100 μL;细胞汇合度:约80%;孵育温度:室温;孵育时间:15 min;换液时间:转染后18 h;筛选起始:转染后72 h;抗生素:10 μg/ml杀稻瘟菌素S、400 μg/ml潮霉素B、1 μg/ml嘌呤霉素

免疫印迹

将约1 × 10⁶细胞培养于6孔板中,收获后用PBS洗涤。细胞在冰上于裂解缓冲液(50 mM Tris-HCl [pH 7.4]、150 mM NaCl、1% TritonX-100、5 mM EDTA)中裂解30分钟,缓冲液补充有蛋白酶抑制剂混合物(Merck)。细胞裂解液离心后收集上清,加入SDS样品缓冲液变性。对于分泌蛋白分析,将细胞接种于6孔板培养至约90%汇合度。然后将培养基替换为2 mL Opti-MEM I,细胞继续培养2天。收集培养上清(100 μL),800 ×g离心3分钟,加入SDS样品缓冲液变性。蛋白样品经SDS–PAGE分离并转移至聚偏二氟乙烯(PVDF)膜。膜用5%脱脂牛奶封闭,与一抗于4°C孵育过夜,随后与适当的HRP偶联二抗于室温孵育1小时。免疫印迹使用的一抗包括:小鼠单克隆抗HA抗体(HA7 [Merck])、小鼠单克隆HRP偶联抗His标签抗体(J099B12 [BioLegend])、小鼠单克隆抗Myc标签抗体(My3 [MBL])和小鼠单克隆抗FLAG M2抗体(M2 [Merck])。HRP偶联二抗包括抗兔IgG HRP偶联抗体(Cell Signaling Technology)和抗小鼠IgG HRP偶联抗体(Cell Signaling Technology)。免疫反应信号使用Chemi-Lumi One HRP底物(Nacalai Tesque)检测,图像使用iBright 1500成像系统(Thermo Fisher Scientific)获取。

【数据】细胞数:约1 × 10⁶;裂解缓冲液:50 mM Tris-HCl [pH 7.4]、150 mM NaCl、1% TritonX-100、5 mM EDTA;裂解时间:30 min;裂解温度:冰上;封闭液:5%脱脂牛奶;一抗孵育:4°C过夜;二抗孵育:室温1 h;分泌蛋白收集:100 μL上清;离心:800 ×g、3 min;检测底物:Chemi-Lumi One HRP;成像系统:iBright 1500

LALBA的糖基化分析

对于Endo H和PNGase F消化,细胞在含50 mM Tris-HCl(pH 7.5)、150 mM NaCl、1% Triton X-100、1 mM EDTA和蛋白酶抑制剂混合物的缓冲液中裂解。细胞裂解液在SDS样品缓冲液中于95°C变性5分钟。取变性裂解液等分试样,分别与Endo Hf或PNGase F(New England Biolabs)在GlycoBuffer 3或GlycoBuffer 2中孵育。对于Endo Hf和PNGase F处理,按照制造商说明在反应混合物中加入1% NP-40。对照样品平行处理,仅以蒸馏水代替酶。37°C孵育1小时后,样品与4 μL SDS样品缓冲液混合,95°C加热5分钟,20,000 ×g离心1分钟,经SDS-PAGE和Western blotting分析。

【数据】裂解缓冲液:50 mM Tris-HCl(pH 7.5)、150 mM NaCl、1% Triton X-100、1 mM EDTA;变性温度:95°C;变性时间:5 min;酶:Endo Hf、PNGase F;缓冲液:GlycoBuffer 3、GlycoBuffer 2;NP-40浓度:1%;孵育温度:37°C;孵育时间:1 h;离心:20,000 ×g、1 min

免疫共沉淀

对于免疫共沉淀,细胞在含50 mM MES-NaOH(pH 6.25)、150 mM NaCl、1 mM CaCl₂、1%洋地黄皂苷和蛋白酶抑制剂混合物的裂解缓冲液中裂解。细胞裂解液于4°C、20,000 ×g离心15分钟澄清,上清与Myc-Trap 2.0琼脂糖珠(Proteintech)按照制造商说明孵育。用裂解缓冲液洗涤四次后,结合蛋白用SDS样品缓冲液洗脱,经SDS-PAGE后进行Western blotting。

【数据】裂解缓冲液:50 mM MES-NaOH(pH 6.25)、150 mM NaCl、1 mM CaCl₂、1%洋地黄皂苷;离心:20,000 ×g、15 min、4°C;珠子:Myc-Trap 2.0琼脂糖珠;洗涤次数:4次;洗脱液:SDS样品缓冲液

免疫荧光显微镜

对于免疫荧光显微镜分析,细胞在多聚-L-赖氨酸溶液包被的玻璃盖玻片上培养2天。细胞用4%多聚甲醛的PBS溶液于室温固定20分钟(Ren et al., 2025)。PBS洗涤后,残留醛基通过室温下与40 mM氯化铵的PBS溶液孵育10分钟淬灭。细胞再用PBS洗涤两次。固定后,细胞用封闭液(0.1%皂苷、1%牛血清白蛋白(BSA)、0.1% NaN₃的PBS溶液)于室温透化1小时。细胞与封闭液稀释的一抗于室温孵育1小时,用封闭液洗涤三次。使用的一抗为:小鼠抗HA(HA7 [Merck];1:500)、兔抗RCAS1(D2B6N [Cell Signaling Technology];1:100)、兔抗ERp72(D70D12 [Cell Signaling Technology];1:……)

【数据】培养时间:2天;固定液:4%多聚甲醛;固定温度:室温;固定时间:20 min;淬灭液:40 mM氯化铵;淬灭时间:10 min;透化液:0.1%皂苷、1% BSA、0.1% NaN₃;透化时间:1 h;一抗孵育:室温1 h;抗体稀释:抗HA 1:500、抗RCAS1 1:100、抗ERp72 1:(原文未详述)

研究结果

HEK293细胞中HMO生物合成限速步骤的鉴定

HEK293细胞是一种广泛使用的哺乳动物培养细胞系(Narimatsu et al., 2019; Stepanenko and Dmitrenko, 2015),其内在合成HMOs的能力极低。为探究其原因,我们首先使用GlycoMaple——一种糖代谢途径预测工具——推断了HEK293细胞中的HMO生物合成途径(Supplementary Fig. S1A)(Huang et al., 2021; Kong and Fujita, 2025)。当用GlycoMaple分析HEK293细胞的RNA-seq表达谱时,HMO合成的起始步骤——即由葡萄糖和UDP-半乳糖形成乳糖——被预测为限速步骤(图1A)。已知乳糖合成由β1,4-半乳糖基转移酶B4GALT1和调节亚基LALBA组成的复合物完成(Hill and Brew, 1975; Ramakrishnan and Qasba, 2001)。在HEK293细胞中,B4GALT1表达水平充足,而LALBA表达完全缺失(图1B)。在此起始步骤之后,下游HMO生物合成理论上可由细胞内源性糖基转移酶完成(Supplementary Fig. S1B)。综上,这些发现表明LALBA表达的缺失是阻止HEK293细胞有效产生HMO的关键限制因素。

为克服已鉴定的瓶颈,我们接下来尝试在HEK293细胞中表达LALBA。由于LALBA含有进入分泌途径所需的N端信号肽,我们构建了C端HA标签版本的LALBA基因,以避免影响信号肽依赖的靶向和加工。该构建体通过转染导入HEK293细胞。通过潮霉素筛选建立稳定细胞系。HA标签的LALBA(LALBA-3HA)蛋白在HEK293细胞中强效表达(图1C)。免疫印迹检测到至少三条条带。据报道,LALBA含有一个经典N-糖基化位点和一个具有Asn-Ile-Cys序列的非典型潜在N-糖基化位点(Giuffrida et al., 1997)。使用EndoH或PNGaseF去糖基化处理后这些条带合并为单一条带,表明多条带主要代表LALBA的不同糖基化状态(图S2)。为检查其亚细胞定位,我们使用抗HA抗体进行免疫荧光染色。信号显示与高尔基体标记物强烈共定位(图1D–F及G),与内质网(ER)标记物部分重叠(图1E、F及G)。此外,LALBA-3HA被分泌到培养基中(图1H)。这一观察与LALBA是母乳主要蛋白成分之一的事实一致(Lonnerdal, 2003)。这些结果表明,部分LALBA定位于高尔基体,其余则沿分泌途径释放到细胞外环境。

【数据】细胞系:HEK293;预测工具:GlycoMaple;限速步骤:乳糖合成;B4GALT1表达:充足;LALBA表达:完全缺失;标签:C端3HA;筛选抗生素:潮霉素;免疫印迹条带数:至少3条;去糖基化酶:EndoH、PNGaseF;共定位:高尔基体(强)、内质网(部分);分泌:是

LALBA表达使HEK293细胞具备HMO生物合成能力

随后我们测试了这些表达LALBA的HEK293细胞是否能合成HMOs。细胞培养后收集培养上清。为去除培养基中的葡萄糖,上清用葡萄糖氧化酶处理(Furukawa et al., 2015)。随后从培养上清中捕获聚糖,用普鲁卡因胺(ProA)标记,并使用液相色谱–电喷雾电离串联质谱(LC-ESI-MS/MS)分析。当我们分析表达LALBA的HEK293细胞的条件培养基时,检测到几个在缺乏LALBA表达的对照细胞中不存在的新的聚糖峰(图2A)。为确认这些聚糖的身份,我们进行了MS/MS分析。这些峰的质谱分析揭示了对应于Hex2(m/z 562 [M+H]⁺)、Hex2+dHex(m/z 708 [M+H]⁺)、Hex2+Neu5Ac(m/z 853 [M+H]⁺)、Hex3+HexNAc + Neu5Ac(m/z 609²⁺ [M+2H]²⁺或628²⁺ [M + H + K]²⁺)和Hex3+HexNAc + Neu5Ac2(m/z 755²⁺ [M+2H]²⁺或774 [M + H + K]²⁺)的聚糖组成(图2B和C)。对应于Hex2(m/z 562 [M+H]⁺)的碎片离子根据其保留时间、质量和碎裂模式被鉴定为带有ProA的乳糖。值得注意的是,该碎片在所有检测到的HMOs的MS/MS谱图中一致出现,表明这些结构均从乳糖核心延伸而来。

HMO synthesis induced by LALBA expression in HEK293 cells. (A) HEK293 cells and HEK293 cells stably expressing LALBA were cultured in Opti-MEM I medium for 4 days. HMOs were extracted from the culture supernatant, labeled with procainamide (ProA), purified, and analyzed by LC-ESI-MS/MS. (A) Base pea
▲ HMO synthesis induced by LALBA expression in HEK293 cells. (A) HEK293 cells and HEK293 cells stably expressing LALBA were cultured in Opti-MEM I medium for 4 days. HMOs were extracted from the culture supernatant, labeled with procainamide (ProA), purified, and analyzed by LC-ESI-MS/MS. (A) Base pea

为进一步表征这些结构,我们进行了顺序酶消化。使用α2,3特异性唾液酸酶以及切割α2,3/α2,6/α2,8连接的非特异性唾液酸酶处理,显示大部分Hex2+Neu5Ac(m/z 853 [M+H]⁺)被α2,3特异性唾液酸酶转化为Hex2(m/z 562 [M+H]⁺)乳糖,表明主要种类为3′-唾液酸乳糖(3′-SL:Neu5Ac-α2,3-Gal-β1,4-Glc)(Supplementary Fig. S3A)。接下来,我们通过结合α2,3-唾液酸酶与β1,3-半乳糖苷酶或β1,4-半乳糖苷酶分析了Hex3+HexNAc + Neu5Ac(m/z 609²⁺ [M+2H]²⁺或628²⁺ [M + H + K]²⁺)的结构。Hex3+HexNAc + Neu5Ac种类在α2,3-唾液酸酶处理后失去一个Neu5Ac,转化为两个与Hex3+HexNAc(m/z 927 [M+H]⁺)一致的峰。基于标准HMOs分析,乳糖-N-四糖(LNT)比乳糖-N-新四糖(LNnT)更早洗脱(Supplementary Fig. S3B)。此外,后一个峰对β1,3-半乳糖苷酶抗性但对β1,4-半乳糖苷酶敏感,表明第一个次要峰为LNT,第二个主要峰为LNnT。因此,Hex3+HexNAc + Neu5Ac(m/z 609²⁺ [M+2H]²⁺或628²⁺ [M + H + K]²⁺)的主要结构应为唾液酸乳糖-N-四糖d(LSTd:Neu5Ac-α2,3-Gal-β1,4-GlcNAc-β1,3-Gal-β1,4-Glc),其含有II型LacNAc(Gal-β1,4-GlcNAc)结构(Supplementary Fig. S4A),而唾液酸乳糖-N-四糖a(LSTa:Neu5Ac-α2,3-Gal-β1,3-GlcNAc-β1,3-Gal-β1,4-Glc)也作为次要结构被检测到(Supplementary Fig. S4A和B)。相比之下,Hex3+HexNAc + Neu5Ac2(m/z 755²⁺ [M+2H]²⁺或774²⁺ [M + H + K]²⁺)在α2,3-唾液酸酶处理后也失去一个Neu5Ac,产生对应于Hex3+HexNAc + Neu5Ac的结构。然而,该产物比LSTd/LSTa稍晚洗脱,提示该结构为LSTb(Supplementary Fig. S3B,右图),其被β1,3-半乳糖苷酶部分消化,但不被β1,4-半乳糖苷酶消化,产生Hex2+HexNAc + Neu5Ac(m/z 1056 [M+H]⁺)(Supplementary Fig. S5A)。这些结果表明该结构含有I型LacNAc(Gal-β1,3-GlcNAc)。因此,原始Hex3+HexNAc + Neu5Ac2(m/z 755²⁺ [M+2H]²⁺或774²⁺ [M + H + K]²⁺)种类应代表二唾液酸乳糖-N-四糖(DSLNT:Neu5Ac-α2,3-Gal-β1,3-(Neu5Ac-α2,6-)GlcNAc-β1,3-Gal-β1,4-Glc)(Supplementary Fig. S5A)。在分析m/z 609²⁺ [M+2H]²⁺碎片时,我们观察到比LSTd保留时间更长的额外峰(Supplementary Fig. S3B,右图)。该峰可被α2,3/6/8-唾液酸酶切割,但对α2,3-唾液酸酶抗性,表明该结构可能为唾液酸乳糖-N-四糖c(LSTc:Neu5Ac-α2,6-Gal-β1,4-GlcNAc-β1,3-Gal-β1,4-Glc)。最后,Hex2+dHex(m/z 708 [M+H]⁺)聚糖被α1,2-岩藻糖苷酶消化,但不被α1,3/4-岩藻糖苷酶消化,确认其为2′-岩藻糖基乳糖(2′-FL:Fuc-α1,2-Gal-β1,4-Glc)(Supplementary Fig. S5B)。综上,这些结果表明HEK293细胞中LALBA的表达使得至少八种不同HMOs的生物合成成为可能:2′-FL、3′-SL、LNnT、LNT、LSTd、LSTa、LSTc和DSLNT。虽未提供绝对定量,但ProA标记聚糖的质谱强度允许对HMOs的相对丰度进行半定量估计(图2D)。在检测到的种类中,3′-SL最为主要,约占总HMO信号的84.8% ± 5.9%(平均值 ± 标准差)。使用麦芽六糖作为内标,我们估计了……

【数据】葡萄糖去除:葡萄糖氧化酶;标记物:普鲁卡因胺(ProA);分析:LC-ESI-MS/MS;检测聚糖组成:Hex2(m/z 562)、Hex2+dHex(m/z 708)、Hex2+Neu5Ac(m/z 853)、Hex3+HexNAc+Neu5Ac(m/z 609²⁺/628²⁺)、Hex3+HexNAc+Neu5Ac2(m/z 755²⁺/774²⁺);鉴定HMO种类:2′-FL、3′-SL、LNnT、LNT、LSTd、LSTa、LSTc、DSLNT;3′-SL占比:84.8% ± 5.9%;内标:麦芽六糖

B4GALT1表达对HMO生物合成的影响

Impact of B4GALT1 expression on HMO biosynthesis. (A) Subcellular localization of LALBA and B4GALT1. HEK293 cells stably expressing LALBA-3HA and B4GALT1-mycHis6 were fixed and stained using indirect immunofluorescence. LALBA was detected with an anti-HA antibody, and B4GALT1 was detected with an an
▲ Impact of B4GALT1 expression on HMO biosynthesis. (A) Subcellular localization of LALBA and B4GALT1. HEK293 cells stably expressing LALBA-3HA and B4GALT1-mycHis6 were fixed and stained using indirect immunofluorescence. LALBA was detected with an anti-HA antibody, and B4GALT1 was detected with an an

LALBA表达HCT116和CHO-K1细胞中的HMO生产

HMO production in LALBA-expressing HCT116 and CHO-K1 cells. (A and B) HCT116 (A) and CHO-K1 (B) cells stably expressing LALBA or parental control cells were cultured, and HMOs were extracted from the culture supernatant. Extracted glycans were labeled with ProA and analyzed by LC-ESI-MS/MS. (C and D
▲ HMO production in LALBA-expressing HCT116 and CHO-K1 cells. (A and B) HCT116 (A) and CHO-K1 (B) cells stably expressing LALBA or parental control cells were cultured, and HMOs were extracted from the culture supernatant. Extracted glycans were labeled with ProA and analyzed by LC-ESI-MS/MS. (C and D

通过B3GNT2和B3GALT5表达工程化HMO生产细胞

Engineering HMO-producing cells via B3GNT2 and B3GALT5 expression. (A) Soluble forms of recombinant B3GNT2, 3, 4, 5, 6, and 8 were expressed and secreted using HEK293T cells. After purification, proteins were analyzed using SDS-PAGE, followed by visualized by CBB staining. (B) The enzymatic activity
▲ Engineering HMO-producing cells via B3GNT2 and B3GALT5 expression. (A) Soluble forms of recombinant B3GNT2, 3, 4, 5, 6, and 8 were expressed and secreted using HEK293T cells. After purification, proteins were analyzed using SDS-PAGE, followed by visualized by CBB staining. (B) The enzymatic activity

HEK293细胞产生的HMOs的功能标记

Functional labeling of HMOs produced by HEK293 cells. (A) Evaluation of metabolic labeling of 3′-SL with an azido group by supplementing the culture medium with indicated concentrations of peracetylated ManNAz (Ac4ManNAz). (B) MS/MS spectra of the corresponding m/z species: 853.4 (3′-SL) and 894.4 (
▲ Functional labeling of HMOs produced by HEK293 cells. (A) Evaluation of metabolic labeling of 3′-SL with an azido group by supplementing the culture medium with indicated concentrations of peracetylated ManNAz (Ac4ManNAz). (B) MS/MS spectra of the corresponding m/z species: 853.4 (3′-SL) and 894.4 (

HEK293产生的HMOs的益生元效应

Prebiotic effect of HMOs produced by HEK293. (A) Growth curve of B. bifidum and B. infantis in media containing culture supernatant from HEK293 cells expressing LALBA (+LALBA) and wild-type HEK293 control cells (WT). Turbidity at 605 nm (OD605) was monitored for 48 h. Data represent the mean ± SD of
▲ Prebiotic effect of HMOs produced by HEK293. (A) Growth curve of B. bifidum and B. infantis in media containing culture supernatant from HEK293 cells expressing LALBA (+LALBA) and wild-type HEK293 control cells (WT). Turbidity at 605 nm (OD605) was monitored for 48 h. Data represent the mean ± SD of

讨论与解读

本研究通过表达LALBA基因并结合靶向糖工程策略,成功在哺乳动物培养细胞中重建了HMO生物合成(图7D)。该方法能够生产结构多样的HMOs,包括2′-FL、3′-SL、LNT、LNnT、LSTd、LSTa、LSTc和DSLNT,其中多种是人乳的关键生物活性成分(Dinleyici et al., 2023)。通过系统修饰糖基化途径和代谢环境,研究展示了调节HMO组成和复杂度的能力。这些发现不仅为可规模化的细胞基HMO生产平台奠定了基础,也为实验解析HMO生物合成逻辑提供了工具——这一逻辑在乳腺上皮细胞中仍未被完全理解。

尽管HMOs在婴儿营养和宿主–微生物互作中具有核心重要性(Ambalavanan et al., 2024; Donovan et al., 2012),其在乳腺上皮细胞中产生的生物合成途径尚未被完全阐明。虽然基于基因表达谱、比较基因组学和计算模拟已提出参与HMO合成的候选糖基转移酶,但体内实际运作的精确酶组合(Bao et al., 2021; Kellman et al., 2022; Nyquist et al., 2025)、其相对贡献以及在高尔基体中的层级组织仍 largely 未解。在此背景下,在培养细胞中重建HMO合成途径……

编译者解读

该研究以LALBA为单一关键开关,在HEK293等常用细胞系中激活了原本沉默的HMO合成通路,策略简洁而高效。通过叠加B4GALT1、B3GNT2、B3GALT5等糖基转移酶,实现了产物从简单到复杂的可调控制,展示了合成生物学"底盘细胞+模块化酶"思路在糖工程中的潜力。叠氮糖代谢标记和益生元验证进一步拓展了应用场景。局限在于目前依赖血清培养和质谱半定量,产量与均一性距工业化尚有距离,且乳腺上皮细胞中天然HMO合成调控网络仍待解析。

参考来源

期刊:Metabolic Engineering, 2026

DOI: 10.1016/j.ymben.2026.102494

DOI: 10.1016/j.ymben.2026.102494

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