Model drożdżowy dostarcza nowych informacji o regulacji glikanów u eukariontów
Życie komórki opiera się na czterech głównych filarach: kwasach nukleinowych, lipidach, aminokwasach i cukrach. Cząsteczki cukru, inaczej glikany, kodują informacje biologiczne i są ważnym komponentem strukturalnym białek, komórek, tkanek i organizmów. W przeciwieństwie do DNA i białek glikany są jednak trudniejsze do przeanalizowania, dlatego funkcje, które pełnią w tych elementach budulcowych są często pomijane. Uczestnicy projektu Yeast-Glyco wykorzystali grzyby z gatunku Saccharomyces cerevisiae, powszechnie znane pod nazwą drożdży piekarnianych, jako organizm modelowy do zmapowania nieuchwytnych O-glikanów z resztą mannozylową (O-Man). „Celem było opracowanie metod, które pozwoliłyby na zidentyfikowanie miejsc występowania glikanów O-Man w białkach, ich dynamiki i mechanizmów regulacyjnych w organizmach wyższych (eukariontach)”, tłumaczy Adnan Halim, stypendysta programu „Maria Skłodowska-Curie”.
Nowe podejście prowadzi do postępów
Glikany O-Man są ewolucyjnie zachowanymi modyfikacjami potranslacyjnymi, które występują w rozmaitych organizmach – od drożdży po ludzi. Pomimo kilkudziesięcioletnich badań naukowcy nie byli jednak w stanie wskazać miejsca i skali występowania tych glikanów u wyższych eukariontów. Informacja biologiczna zakodowana w glikanach jest w naturze odczytywana przez białka wiążące glikany, czyli lektyny. Lektyny przez dziesięciolecia służyły do badania glikanów metodą in vitro. „W trakcie projektu Yeast-Glyco rozwinęliśmy technikę chromatografii lektyny, co pozwala nam wzbogacić podzbiór białek z glikanami O-Man ze złożonych mieszanek proteinowych, który zidentyfikowaliśmy i scharakteryzowaliśmy za pomocą ilościowej spektrometrii mas”, wyjaśnia Halim. Do prac analitycznych włączono następnie technologię CRISPR/Cas9 do inżynierii komórek ludzkich, by określić geny, które mogą potencjalnie uczestniczyć w biosyntezie O-Man, i wskazać nowe szlaki regulacyjne kontrolujące glikany O-Man. Halim zauważa: „Połączenie tych interdyscyplinarnych metod pozwoliło nam pokonać główne trudności, które hamowały rozwój badań w tej dziedzinie”. Wyniki pokazały, że glikany O-Man powszechnie występują w organizmach ssaków, a wyższe eukarionty rozwinęły wiele różnych szlaków biosyntezy do regulacji tych komponentów strukturalnych. „Możemy również wykazać, że glikany O-Man pełnią nieoczekiwaną, słabo jeszcze poznaną funkcję biologiczną, a zaburzenia ich regulacji są bezpośrednią przyczyną różnych i wcześniej nierozumianych zaburzeń rozwojowych, w tym poważnych nieprawidłowości w budowie mózgu u ludzi”, komentuje Halim.
Lepsze zrozumienie zaburzeń rozwoju układu nerwowego
Nie udało się nam jeszcze odkryć, jak eukarionty różnicują funkcje białek, choć wiemy, że dzieje się to po części dzięki modyfikacjom glikanów. Takie modyfikacje prowadzą do zwiększenia złożoności strukturalnej białek, a w konsekwencji kształtują i wpływają na ich strukturę, interakcje i funkcje, co z kolei oddziałuje na kondycję komórek, tkanek i organizmów. Opracowanie nowych technologii służących odszyfrowaniu funkcji i zasad działania glikanów O-Man, czyli główny cel projektu Yeast-Glyco, doprowadziło do fascynujących odkryć i rzuciło nowe światło na to, jak glikany regulują i modyfikują funkcje komórkowe. Otrzymane wyniki mogą utorować drogę dla nowych metod wykorzystania glikanów O-Man w diagnostyce, leczeniu i opracowywaniu leków. Halim z przejęciem myśli o możliwych kierunkach rozwoju projektu. „Nigdy nie zgadłbym, że po trzech latach będziemy dysponować wyjaśnieniem molekularnym wielu różnych zaburzeń rozwojowych układu nerwowego, a glikany O-Man będą jego kluczowym elementem”, zauważa. „W glikanach zakodowanych jest wiele informacji biologicznych, a dalsze badanie tej klasy cząsteczkowych elementów budulcowych z pewnością doprowadzi nas do przełomowych odkryć z pogranicza biologii komórkowej i zaawansowanej biomedycyny”.
Słowa kluczowe
Yeast-Glyco, glikany O-Man, drożdże, białka, zaburzenia rozwoju układu nerwowego, Saccharomyces cerevisiae, spektrometria mas, CRISPR/Cas9
