28 februari 2018 - Bijna elke levende cel is bezaaid met vertakte ketens van koolhydraten die glycanen worden genoemd. Glycanen spelen verschillende rollen bij het vormgeven van hoe een cel interageert met zijn omgeving.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van The Scripps Research Institute (TSRI) hebben een nieuwe methode beschreven om cellen te versieren met verschillende glycanen en om interacties tussen glycanen en eiwitten te screenen. Hun doorbraak, vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , kan het onderzoek naar de rol van glycanen bij menselijke ziekten uitbreiden, waaronder kankers.

"Wetenschappers proberen al jaren glycan-arrays te maken waartoe elke wetenschapper die geïnteresseerd is in glycanen toegang heeft in hun eigen labo's, " zegt Peng Wu, doctoraat, een TSRI universitair hoofddocent en senior auteur van de studie. "We hebben het niet alleen gedaan, maar we hebben het op een heel makkelijke manier gedaan."

Onderzoekers lossen probleem op bij glycaanscreening

De patronen van glycanen en glycaanbindende eiwitten op het celmembraan kunnen kankercellen onderscheiden van gezonde cellen, de rol van cellen in ontwikkeling te controleren en bij te dragen aan diverse interacties tussen volwassen cellen. Genetische ziekten die het vermogen van cellen om glycanen op de juiste manier aan te maken beïnvloeden, kunnen de levensduur verkorten en leiden tot musculoskeletale problemen.

Maar het bestuderen van glycanen was notoir lastig. Terwijl wetenschappers in het laboratorium weten hoe ze verschillende eiwitten en DNA-moleculen moeten synthetiseren, het creëren van glycanen op aanvraag was chemisch uitdagend.

Om te bestuderen welke eiwitten in een cel interageren met glycaanmoleculen, onderzoekers hebben zich meestal tot glycaanbindingsarrays gewend, waarin tientallen of honderden glycanen zijn bevestigd aan een glasplaatje. Onderzoekers stellen het glaasje vervolgens bloot aan cellen of eiwitten van belang en observeren of de cellen of eiwitten aan de glycanen op het glaasje plakken. Maar het maken van deze arrays is tijdrovend en duur.

"Vroeger, als je een array wilt maken met 100 suikers, dan moest je 100 suikers afzonderlijk chemisch synthetiseren, wat moeilijk kan zijn, ", zegt Wu. "Alleen gespecialiseerde koolhydraatchemici kunnen ze in bepaalde laboratoria maken."

Wu en zijn collega's besloten in plaats daarvan gebruik te maken van de kracht van de enzymen die cellen van nature gebruiken om glycanen te produceren. Deze enzymen werken stapsgewijs om vertakte glycanen te creëren - een klein stukje suiker wordt gemaakt door een gespecialiseerd enzym, dan creëert een ander enzym de volgende tak in de keten, enzovoort. De onderzoekers ontdekten dat op deze manier zelfs structureel verwante onnatuurlijke suikers kunnen worden toegevoegd.

Het team van Wu begon met gemuteerde eierstokcellen van knaagdieren die een zeer smal repertoire van glycanen op hun oppervlak hadden. Dit was een eenvoudiger systeem dan het gebruik van menselijke cellen met veel soorten glycanen. De onderzoekers stelden de cellen vervolgens bloot aan verschillende sets glycan-creërende enzymen om de toevoeging van koolhydraatvertakkingen aan de glycanen op elke cel te regelen.

Met deze methode, ze creëerden celarrays die elk bezaaid waren met verschillende glycanen, inclusief onnatuurlijke.

"De enige beperking zijn de enzymen die we beschikbaar hebben, en het feit dat je moet beginnen met cellen die al een eenvoudige glycosylering hebben, " zegt Wu. "Maar we waren in staat om alle glycanen te creëren die we wilden."

De bibliotheek op de proef stellen

Om het nut van de nieuwe celarray te testen, Wu en zijn collega's screenden een reeks cellen, elk met een andere glycanen, om te bepalen welke gebonden zijn aan Siglec-15, een bekend glycaanbindend eiwit dat een rol speelt bij de ontwikkeling en hermodellering van botten. Siglec-15 wordt beschouwd als een potentieel doelwit voor geneesmiddelen voor de behandeling van postmenopauzale osteoporose, dus het is van cruciaal belang om te begrijpen hoe het interageert met koolhydraten. Het team identificeerde drie structuren met een sterke binding aan Siglec-15.

De onderzoekers incubeerden vervolgens menselijke osteovoorlopercellen met gemuteerde eierstokcellen van knaagdieren die tijdens differentiatie een van de drie structuren vertoonden. Het team ontdekte dat dit proces de vorming van osteoclasten onderdrukte, een Siglec-15 tot expressie brengende botcel die botweefsel absorbeert tijdens groei en genezing. Deze bevinding versterkt het idee dat Siglec-15 een goed doelwit is voor osteoporosebehandelingen, en dat de nieuwe glycan-screeningstrategie onderzoekers kan wijzen op veelbelovende nieuwe medicijnen.

"We weten niet of dit in de brede gemeenschap zal worden gebruikt - het hangt af van de beschikbaarheid van enzymen en cellen, " zegt Wu. "Maar als een hele reeks cellen met eenvoudige en homogene glycanen beschikbaar kan worden gemaakt, dat zou enorm zijn voor het veld."