糖は細胞の正常な生理学的プロセスに不可欠であるだけでなく、病理学的プロセスにおいても重要な役割を果たしています。細菌やウイルスは糖を認識して宿主に感染することさえあります。糖鎖生物学は捉えどころのない研究対象でありながら、近年、さまざまな分野の研究者から大きな関心を集めています。そのためのツールの一つがバイオオーソゴナル化学であり、タンパク質やペプチドに結合した糖鎖構造であるグリカンをイメージングするために使用できます（図1）。
最近、キャロリン・ベルトッツィの研究グループは、バイオオーソゴナル化学を用いて「glycoRNA」という新しい生体分子を発見するという驚くべき成果を上げました。これはバイオオーソゴナル化学の分野における先駆的な研究です。ベルトッツィの研究グループは長年、バイオオーソゴナル化学という用語を提唱してきました。ここでは、バイオオーソゴナル化学の世界とその応用、特にそれがどのように糖鎖生物学の分野を前進させ、どのような機会が待ち受けているのかを掘り下げます。
図1：細胞表面受容体の細胞外ドメインに結合した糖鎖。糖鎖は細胞表面受容体の細胞外ドメインに接続されています。バイオオーソゴナル化学とは何でしょうか？「バイオオーソゴナル化学」という用語は、長年この分野を切り拓いてきたベルトッツィの研究グループによって作られました。バイオオーソゴナル化学とは、生体分子への影響や生化学的プロセスへの干渉を最小限に抑えつつ、生物学的環境下で進行可能な一連の反応のことです。バイオオーソゴナル化学のプロセスは、生物学的システム内で反応が適切に起こるために必要な厳しい基準を満たしています。
反応は、生理学的環境の温度およびpHで起こらなければなりません。反応は選択的かつ高収率で生成物を提供する必要があり、複雑な生物学的環境に存在する水や内因性の親核試薬、親電子試薬、還元剤、酸化剤の影響を受けてはなりません。反応は低濃度であっても迅速に進行し、安定した反応生成物を形成する必要があります。また、生物学的システムには本来存在しない官能基を用いるべきです。バイオオーソゴナル化学は何に使われるのでしょうか？CAS Content CollectionTMにより、2010年から2020年までのバイオオーソゴナル化学の応用に関する出版動向を分析することができました（図2）。2010年から2020年の間、バイオオーソゴナル化学の最も重要な用途はイメージングであり、次いで創薬およびドラッグデリバリーが続きました。
2010年から2020年までのバイオオーソゴナル化学の出版物数。図2：2010年から2020年までのバイオオーソゴナル化学の出版物数。*挿入図は、比較のためにバイオオーソゴナル化学の出版物総数を示しています。
（*2010年を初期の基準点として選択したのは、「バイオオーソゴナル化学」を含む文献数が前年比で大幅に増加した最初の年であったためです。「バイオオーソゴナル」という用語を含む文献の総数の約90%が2010年以降に出版されています。）
さらに、タンパク質のバイオオーソゴナル化学に関する出版数が最も多くなっています。これは、これらの手法が最も確立されているためと考えられます。一方で、比較的新しい分野である糖鎖（図3）を含め、他の分野も着実に増加しています。
2010年から2020年までのCAS Content Collectionにおけるバイオオーソゴナル化学および特定の用途に関連する文献。図3：2010年から2020年までのCAS Content Collectionにおけるバイオオーソゴナル化学および特定の用途に関する文献。挿入図は、同期間におけるバイオオーソゴナル化学の年間出版物数を示しています。糖鎖イメージング：バイオオーソゴナル化学は、糖鎖の構造、局在、および生物学的機能を理解するための不可欠なツールであることが証明されています。糖鎖は、細胞壁に一般的に見られるペプチド、タンパク質、脂質に結合したオリゴ糖であり、細胞型を選択的に可視化することを可能にします。糖鎖の代謝前駆体には、アジド、末端アルキン、歪みアルキンなど、多くのバイオオーソゴナルな官能基が含まれています。糖鎖は適切なバイオオーソゴナルパートナーを使用して可視化できます。例えば、アジドはStaudingerライゲーションまたはトレースレスStaudingerライゲーションによってホスフィン含有エステルまたはチオエステルで確認され、末端アルキンまたは歪みアルキンはそれぞれCuAACまたはSPAACを使用して特定されます。
糖鎖生物学を前進させるバイオオーソゴナル化学。これまで、RNAは糖鎖修飾の主要な標的ではありませんでした。しかし、代謝標識とバイオオーソゴナル化学を用いて可能になった最近の重要な発見が「glycoRNA」の発見です。ライアン・A・フリン博士は、ベルトッツィ研究グループを率いて、化学的および生化学的アプローチを駆使し、保存された小さな非コードRNAがシアル酸修飾された糖鎖を保持していること、そしてこれらのglycoRNAが培養細胞や生体内の複数の細胞型および哺乳類種に存在することを発見しました。
この発見に使用された戦略は、クリック可能なアジド基で機能化された前駆体糖を用いて、細胞や動物を代謝標識することでした。アジド糖は、細胞内の糖鎖に取り込まれた後、ビオチンプローブを用いたバイオオーソゴナル反応による濃縮、同定、可視化を可能にします。シアル酸のアジド標識前駆体である過アセチル化N-アジドアセチルマンノサミン（Ac4ManNAz）を使用すると、標識細胞から精製されたRNA調製物がアジド反応性を示しました。glycoRNAの構築は標準的なN-糖鎖生合成機構に依存しており、シアル酸とフコースが豊富な構造をもたらします。生細胞のさらなる分析により、glycoRNAの大部分は細胞表面に存在し、そこで抗dsRNA抗体やSiglec受容体ファミリーのメンバーと相互作用していることが明らかになりました。glycoRNAの役割を解明するためには、さらなる研究が必要です。
バイオオーソゴナル化学の助けを借りて、RNA生物学と糖鎖生物学の直接的な接点が確立されました。今後、さらに多くの発見が期待されます。
バイオオーソゴナル化学の未来にはどのような機会があるのでしょうか？バイオオーソゴナル化学は科学や医学において幅広い応用範囲を持ち、近年、研究を大幅に進展させるために使用されてきました。glycoRNAの発見を通じて糖鎖修飾の分野を前進させただけでなく、ドラッグデリバリーやドラッグターゲティングにおいても有望な応用が示されており、その利用は今後さらに拡大するでしょう。いくつかの例を挙げます。
医薬品のin situ合成：バイオオーソゴナル化学は、より小さな前駆体から薬物を組み立てるのに役立つ可能性があります。必要な時に必要な場所で薬物を作成することで、より効果的で毒性の低い治療が可能になり、薬理学的介入の範囲も拡大するでしょう。糖鎖標識：葉酸リガンドを用いて、アジド標識ガラクトサミンを含む脂質ナノ粒子が生成されました。腫瘍組織における葉酸受容体の増加により、LNPの取り込みが起こり、その後腫瘍細胞内への貨物放出が行われました。腫瘍膜はアジド官能基化ジベンゾシクロオクチンを取り込み、腫瘍細胞がヒト血清に曝露された際に免疫応答を誘発しました。クリック放出：この手法は、バイオオーソゴナル化学を用いて薬物放出のタイミングと場所を制御し、標的細胞に対して選択的に毒性を示す薬物を実現します。反応の開発と改良が続くにつれ、バイオオーソゴナル化学はさらなる研究のための重要なツールとなるでしょう。
バイオオーソゴナル化学とその幅広い応用についての詳細は、Bioconjugate Chemistry誌の論文および関連するCAS Insightsレポートをご覧ください。
