Новий метод глікозилювання розкриває посилання

Наші кишки проживають трильйони бактерій, і дослідження протягом останніх кількох десятиліть встановили, наскільки вони важливі для нашої фізіології – у здоров’ї та захворюваннях. Нове дослідження дослідників EMBL Heidelberg показує, що бактерії кишечника можуть спричинити глибокі молекулярні зміни в одному з наших найважливіших органів – мозку.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Природової структурної та молекулярної біології, першим, хто показує, що бактерії, що живуть у кишечнику, можуть впливати на те, як білки в мозку модифікуються вуглеводами – процесом, що називається глікозилюванням. Дослідження стало можливим завдяки новим методом, який розробили вчені – DQGLYCO – що дозволяє їм вивчати глікозилювання в набагато більш високих масштабах та роздільній здатності, ніж попередні дослідження.

Новий спосіб вимірювання глікозилювання

Білки – це робочі комори наших клітин та їх основні будівельні блоки. Цукри або вуглеводи, з іншого боку, є серед основних джерел енергії організму. Однак клітина також використовує цукри для хімічного модифікації білків, змінюючи їх функції. Це називається глікозилюванням.

“Глікозилювання може вплинути на те, як клітини приєднуються один до одного (адгезія), як вони рухаються (рухливість) і навіть як вони розмовляють між собою (спілкування)”, – пояснив Клемент Полл, перший автор дослідження та науковця команди Савицьки. “Він бере участь у патогенезі декількох захворювань, включаючи рак та порушення нейронів”.

Однак глікозилювання традиційно було важко вивчити. Лише невелика частина білків у клітині є глікозильованою та досить концентрованою з них у зразку для вивчення (процес, який називається «збагаченням»), як правило, є трудомістким, дорогим та трудомістким.

“Поки що неможливо проводити такі дослідження в систематичному масштабі, кількісно, ​​і з високою відтворюваною”, – сказав Михайл Савицький, керівник команди, старший вчений та керівник основного закладу протеоміки в Ембл -Гейдельберзі. “Це проблеми, які нам вдалося подолати новим методом”.

DQGlyco використовує легко доступні та недорогі лабораторні матеріали, такі як функціоналізовані кремнезелі, для вибіркового збагачення глікозильованих білків з біологічних зразків, які можна точно ідентифікувати та виміряти. Застосовуючи метод для зразків тканин мозку від мишей, дослідники могли ідентифікувати понад 150 000 глікозильованих форм білків (“протеоформи”), збільшення в понад 25 разів порівняно з попередніми дослідженнями.

Кількісний характер нового методу означає, що дослідники можуть порівнювати та вимірювати відмінності між зразками різних тканин, клітинних ліній, видів тощо. Це також дозволяє їм вивчити закономірність «мікрогетерогенності» – явища, де однакова частина білка може бути модифікована багатьма (іноді сотнями) різних цукрових груп.

Одним з найпоширеніших прикладів мікрогетерогенності є групи крові людини, де наявність різних груп цукру на білках у еритроцитах визначає тип крові (A, B, O та AB). Це відіграє головну роль у вирішенні успіху переливання крові від однієї людини до іншої.

Новий метод дозволив команді визначити таку мікрогетерогенність у сотнях білкових ділянок. “Я думаю, що широка поширеність мікрогетерогенності – це те, що люди завжди припускали, але це ніколи не було продемонстровано, оскільки вам потрібно мати достатньо висвітлення глікозильованих білків, щоб мати змогу зробити заяву”, – сказала Міра Бертшер, ще один автор дослідження та доктор наук Савитського. студент.

Від кишки до мозку

Враховуючи точність та владу методу, дослідники вирішили використовувати його для вирішення видатного біологічного питання. У співпраці з групою Майкла Циммермана в EMBL вони далі перевірили, чи впливає мікробіом кишечника на підписання глікозилювання, які вони спостерігали в мозку. І Циммерман, і Савицьський є частиною мікробної екосистеми, що перевищує тему в EMBL, яка була представлена ​​програмою EMBL 2022–26 “Молекули для екосистем”.

“Відомо, що мікробіоми кишечника можуть впливати на нейронні функції, але молекулярні деталі значною мірою невідомі”, – сказав Полл. “Глікозилювання пов’язане з багатьма процесами, такими як нейротрансмісія та керівництво аксоном, тому ми хотіли перевірити, чи це механізм, за допомогою якого бактерії кишечника впливали на молекулярні шляхи в мозку”.

Цікаво, що команда встановила, що порівняно з “мишами без зародків”, тобто мишей, вирощеними в стерильному середовищі, таким чином, що їм повністю не вистачає мікробів у тілі та на їхньому тілі, миші, колонізовані різними бактеріями кишечника, мали різні схеми глікозилювання в мозку. Змінені закономірності були особливо очевидними у білках, які, як відомо, є важливими в нейронних функціях, таких як когнітивна обробка та ріст аксона.

Набори даних дослідження відкрито доступні через новий спеціалізований додаток для інших дослідників. Крім того, команді також цікаво, чи можна використовувати дані для інформування прогнозів про сайти глікозилювання, особливо у різних видів. Для цього вони використовують підходи машинного навчання, такі як Alphafold-інструмент на основі AI для прогнозування білкових структур, визнаних Нобелівською премією з хімії 2024 року.

“Навчаючи моделі даних про миші, ми можемо почати прогнозувати, що може бути мінливістю сайтів глікозилювання у людей, наприклад”,-сказав Мартін Гаррідо, постдок у групах Савицького та Саес-Родрігеса в EMBL та іншому першому автору дослідження. “Це може бути дуже корисно для людей, які вивчають інші організми, щоб допомогти їм визначити сайти глікозилювання у своїх білках, що цікавлять”.

Дослідники також працюють над застосуванням нового методу для відповіді на більш фундаментальні біологічні питання та для розуміння функціональної ролі глікозилювання в клітинах.