Учёные перепроектировали фермент для изучения болезней через сахарные узоры на поверхности клеток

Сахарные молекулы, известные как гликаны, образуют плотные оболочки вокруг клеток. Однако их часто игнорируют в биологических исследованиях, потому что, в отличие от ДНК, белков и других клеточных компонентов, для их изучения не хватает инструментов. Новая технология, представленная учёными Университета в Буффало в исследовании, опубликованном в Nature Communications, призвана преодолеть этот барьер.

Инструмент основан на свином ферменте ST3Gal1 и том, как учёные переобучили его связываться с гликанами вместо того, чтобы их строить. Этот новый гликан-связывающий фермент, названный учёными sCore2, может помочь анализировать и лечить болезни через сахарные узоры, обнаруженные на поверхности клеток.

«В своём естественном состоянии ST3Gal1 играет ключевую роль в построении гликанов. Но после того, как мы перепроектировали его в sCore2, он становится сахар-связывающим белком, который действует как молекулярный прожектор», — говорит ведущий автор исследования Шрирам Ниламегам, доктор философии, выдающийся профессор UB на кафедре химической и биологической инженерии.

«Это важно, — говорит он, — потому что гликаны трудно обнаружить из-за их структурной сложности и того факта, что они не вызывают сильных иммунных ответов. Но мы знаем, что гликаны играют ключевую роль в том, как клетки общаются, особенно во время болезни. И в конечном итоге этот новый инструмент даёт нам гораздо более детальное представление о гликанах, что может улучшить то, как мы понимаем, обнаруживаем и лечим болезнь».

Он добавляет: «Этот подход — изменение функции ферментов с построения сахаров на связывание сахаров — можно распространить на другие гены у людей, а также на другие классы ферментов».

Работа, основанная на предыдущем исследовании, опубликованном в Small, и обзорной статье в Glycobiology, была выполнена сотрудниками UB с кафедры биомедицинской инженерии, кафедры патологии и анатомических наук и кафедры медицины.

Чтобы создать sCore2, учёные начали с внесения в ST3Gal1 мутации под названием H302A.

Это изменение служило двум целям. Во-первых, оно отключило основную ферментативную функцию ST3Gal1, которая заключается в помощи построения сложных цепей сахаров. Во-вторых, оно дало модифицированному ST3Gal1 новую роль: искать и связываться с одним типом гликанов, известным как сиалилированные core-2 O-гликаны.

Учёные внесли дополнительные усовершенствования — включая использование технологии поверхностного дисплея на млекопитающих (метод экспрессии белков на поверхности клеток млекопитающих), — которые улучшили способность sCore2 связываться с гликанами.

Затем они присоединили sCore2 к флуоресцентному антителу, которое светится при определённых условиях освещения. Исследователи протестировали инструмент на клетках человеческой крови и тканей.

Они обнаружили, что сиалилированные core-2 O-гликаны чаще встречаются на зрелых иммунных клетках и некоторых раковых тканях, особенно при раке молочной железы. Инструмент также выявил ранее неизвестные сахарные узоры в селезёнке, поджелудочной железе и других органах.

Работа предполагает, что сиалилированные core-2 O-гликаны могут служить биомаркером для обнаружения рака, изменений иммунных клеток и других патологических состояний. Она также закладывает основу для создания более индивидуальных белков, распознающих сахара, и потенциальной возможности создания библиотеки таких инструментов для диагностики и лечения заболеваний.

«Результаты невероятно многообещающие», — говорит Ниламегам, отмечая, что команда уже занимается последующей работой.

Исследователи подали предварительную патентную заявку, касающуюся состава sCore2, а также методов его создания.