Жалко гликан.
Эти сложные молекулы сахара связаны с 80% белков в организме человека, что делает их важным компонентом жизни. Но этот процесс, известный как гликозилирование, был несколько омрачен более яркими биомолекулярными процессами, такими как транскрипция и трансляция.
«Гликозилирование абсолютно необходимо для жизни на этой планете. И все же мы все еще относительно мало знаем об этом», - сказал Мэтью ДеЛиза, профессор инженерии Уильяма Л. Льюиса в Школе химической и биомолекулярной инженерии Смита.«Хотя много внимания было уделено пониманию генома и протеома, гликом, который представляет собой полный набор сахаров, свободных или присутствующих в более сложных молекулах, таких как гликопротеины, в организме, был относительно недостаточно изучен. Нам нужны новые инструменты для продвижения вперед."
Лаборатория ДеЛизы создала эти самые инструменты, реквизировав простые одноклеточные микроорганизмы, а именно бактерии E. coli, и спроектировав их для изучения сложного процесса гликозилирования и функциональной роли, которую связанные с белками гликаны играют в здоровье и болезнь.
Документ группы «Разработка биосинтеза ортогонального O-связанного гликопротеина человека в бактериях», опубликованный 27 июля в журнале Nature Chemical Biology. Ведущий автор - Аравинд Натараджан, доктор философии. '19.
Ранее команда ДеЛизы использовала аналогичный подход к клеточной гликоинженерии для производства одного из наиболее распространенных типов гликопротеинов - гликановых структур, связанных с аминокислотой аспарагин, или N-связанных. Теперь исследователи обратили свое внимание на другой распространенный гликопротеин, а именно О-связанный, в котором гликаны присоединены к атому кислорода сериновой или треониновой аминокислоты белка.
О-связанные гликаны структурно более разнообразны, чем их N-связанные собратья, и они имеют важное значение для разработки новых терапевтических методов лечения таких заболеваний, как рак молочной железы.
Наши усилия по клеточной инженерии были довольно сложными, так как нам нужно было не только оснастить E. coli полным набором ферментов для создания и прикрепления гликановых структур к белкам, но мы также должны были тщательно перепрограммировать нативные метаболические сети, чтобы обеспечить наличие важных строительных блоков гликанов, таких как сиаловая кислота», - сказал Натараджан. «Добавление сиаловой кислоты к нашим гликопротеинам имеет важное значение, потому что этот остаток сахара часто имеет решающее значение для нацеливания лекарств на определенные клетки и увеличения их периода полувыведения из кровотока».
Когда клетка становится раковой, она экспрессирует определенные биомаркеры, в том числе аномально гликозилированные поверхностные белки, которые указывают на наличие рака. Группа ДеЛизы снабдила E. coli оборудованием для производства таких белков, включая один, очень похожий на известный биомаркер рака, муцин 1 (MUC1).
«Гликозилированная версия MUC1 является одним из антигенов-мишеней наивысшего приоритета для терапии рака. Было очень сложно разработать методы лечения этой мишени», - сказал ДеЛиза, старший автор статьи. «Но имея биосинтетический инструмент, подобный тому, который мы создали, который способен воспроизводить структуру MUC1, мы надеемся, что это может обеспечить гликопротеиновые реагенты, которые можно было бы использовать для обнаружения антител или использовать непосредственно в качестве иммунотерапии, все из которых могут помощь в борьбе с некоторыми видами рака."
И O-связанные, и N-связанные гликаны также были обнаружены в одном из поверхностных белков вируса SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19. ДеЛиза надеется, что метод гликоинженерии бактериальных клеток его группы откроет двери для создания гликозилированных версий этого S-белка, которые могут привести к терапевтическим антителам против коронавируса или к разработке субъединичной вакцины..
Благодаря своей более ранней работе по репликации N-связанных гликанов исследователи смогли быстро запустить и запустить O-связанную систему. Теперь лаборатория ДеЛизы настроена на создание белков, несущих оба типа гликозилирования, что важно, поскольку многие гликопротеины, такие как S-белок в SARS-CoV-2, несут как N-, так и O-связанные гликановые структуры.
Исследователи также изучают способы увеличения спектра гликопротеинов, которые могут производить их модифицированные клетки E. coli, и эффективности, с которой эти продукты генерируются.
«Мы думаем о E. coli как о чистом шасси или чистом листе, когда дело доходит до гликозилирования белка, потому что эти бактерии обычно не выполняют реакции гликозилирования, подобные тем, которые мы установили», - сказал ДеЛиза.«Это позволяет строить эти пути снизу вверх, давая нам полный контроль над типами образующихся гликановых структур и конкретными участками белков-мишеней, к которым они присоединяются. Это уровень контроля, которого трудно достичь. с другими ранее существовавшими клеточными системами или технологиями инженерии гликопротеинов».