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Nucleocytoplasmic O-glycosylation in Yeast

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Hefemodell gibt neue Einblicke in die Regulation von Glykanen in Eukaryoten

Im Rahmen einer EU-Forschungsinitiative wurde Hefe eingesetzt, um das Verständnis darüber zu verbessern, wie wesentliche zelluläre Prozesse in höheren Organismen gesteuert werden und damit neue Wege für die Entdeckung und Erforschung von Arzneimitteln zu eröffnen.

Industrielle Technologien
Grundlagenforschung

Das Leben einer Zelle basiert auf vier Grundbausteinen: Nukleinsäuren, Lipiden, Aminosäuren und Zuckern. Die Zuckermoleküle, die auch als Glykane bezeichnet werden, kodieren biologische Informationen und sind wichtige Strukturkomponenten von Proteinen, Zellen, Geweben und Organismen. Im Vergleich zu DNS oder Proteinen sind Glykane jedoch schwieriger zu analysieren, weshalb die funktionelle Rolle dieser Bausteine häufig übersehen wird. Das Projekt Yeast-Glyco verwendete Saccharomyces cerevisiae, allgemein bekannt als Backhefe, als Modellorganismus, um die schwer fassbaren O-gebundenen Mannose-Glykane (O-Man) abzubilden. „Ziel war es, Methoden zu entwickeln, mit denen O-Man-Glykane auf Proteinen sowie bei dynamischen und Regulationsmechanismen in höheren Organismen [Eukaryoten] identifiziert werden können“, so Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiat Adnan Halim.

Neuer Ansatz führt zu Fortschritten

O-Man-Glykane sind evolutionär konservierte posttranslationale Modifikationen, die in Organismen von Hefe bis Mensch vorkommen. Trotz jahrzehntelanger Forschung konnte die Wissenschaft ihre Position und Häufigkeit bei höheren Eukaryoten jedoch nicht genau bestimmen. Von Glykanen kodierte biologische Informationen werden in der Natur von Glykan-bindenden Proteinen, auch Lektine genannt, dekodiert. Diese kommen seit Jahrzehnten als Hilfsmittel zur In-vitro-Untersuchung von Glykanen zum Einsatz. „Im Rahmen von Yeast-Glyco haben wir eine Lektin-Chromatographie-Technik weiterentwickelt, mit der wir die Untergruppe der O-Man-Glykane-tragenden Proteine aus komplexen Proteinmischungen anreichern können, die wir durch quantitative Massenspektrometrie ermittelt und charakterisiert haben“, erklärt Halim. Darüber hinaus wurde der analytische Arbeitsablauf mit der CRISPR/Cas9-Methode zur Genom-Editierung menschlicher Zellen kombiniert, die auf Kandidatengene abzielt, die an der O-Man-Glykan-Biosynthese beteiligt sind. Nicht zuletzt wurden auch neue regulatorische Signalwege bestimmt, die O-Man-Glykane steuern. Halim ergänzt: „Durch die Kombination dieser interdisziplinären Techniken konnten wir große Hürden überwinden, die den Fortschritt in diesem Bereich behindert haben.“ Die Ergebnisse zeigten, dass O-Man-Glykane bei Säugetieren weit verbreitet sind und dass höhere Eukaryoten mehrere unterschiedliche Biosynthesewege entwickelt haben, um diese Strukturkomponenten zu regulieren. „Wir können auch aufzeigen, dass O-Man-Glykane unerwartete, wenig bekannte biologische Funktionen erfüllen und dass ihre Dysregulation die direkte Ursache für verschiedene und bisher unerklärliche Entwicklungsstörungen ist, wie beispielsweise schwere Hirnfehlbildungen beim Menschen“, kommentiert Halim.

Entwicklungsstörungen des Nervensystems besser verstehen

Des Weiteren besteht dringender Bedarf an einem besseren Verständnis darüber, wie Eukaryoten Proteinfunktionen verändern, was teilweise durch Glykan-Modifikationen erreicht wird. Diese Modifikationen erhöhen die strukturelle Komplexität, wodurch die Strukturen, Wechselwirkungen und Funktionen von Proteinen beeinflusst werden – was sich wiederum auf die Fitness von Zellen, Geweben und Organismen auswirkt. Die Entwicklung neuer Technologien zur Entschlüsselung der Regulationen und Funktionen der O-Man-Glykane, ein Hauptziel von Yeast-Glyco, hat zu faszinierenden Entdeckungen geführt und neue Erkenntnisse darüber geliefert, wie die Zellfunktionen durch Glykane reguliert und optimiert werden. Diese Ergebnisse könnten den Weg für neue Strategien zur Nutzung von O-Man-Glykanen in der Diagnostik, Behandlung und Arzneimittelentwicklung ebnen. Halim ist gespannt, wohin das Projekt führen könnte. „Ich hätte nie gedacht, dass wir nach drei Jahren eine molekulare Erklärung für ein breites Spektrum von Entwicklungsstörungen des Nervensystems haben würden, bei denen O-Man-Glykane im Mittelpunkt stehen“, bemerkt er. „Es gibt eine Vielzahl biologischer Informationen, die in Glykanen kodiert sind, sodass weitere Studien über diese Klasse molekularer Bausteine zweifellos zu bemerkenswerten Entdeckungen an der Schnittstelle von Zellbiologie und fortschrittlicher Biomedizin führen werden.“

Schlüsselbegriffe

Yeast-Glyco, O-Man-Glykane, Hefe, Proteine, Entwicklungsstörungen des Nervensystems, Saccharomyces cerevisiae, Massenspektrometrie, CRISPR/Cas9

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