ניתוח צומת glycan: גישה מלמטה למעלה כדי glycomics

Summary

This article presents an enhanced form of a novel bottom-up glycomics technique designed to analyze the pooled compositional profile of glycans in unfractionated biofluids through the chemical breakdown of glycans into their constituent linkage-specific monosaccharides for detection by GC-MS. Potential applications include early detection of cancer and other glycan-affective disorders.

Abstract

Synthesized in a non-template-driven process by enzymes called glycosyltransferases, glycans are key players in various significant intra- and extracellular events. Many pathological conditions, notably cancer, affect gene expression, which can in turn deregulate the relative abundance and activity levels of glycoside hydrolase and glycosyltransferase enzymes. Unique aberrant whole glycans resulting from deregulated glycosyltransferase(s) are often present in trace quantities within complex biofluids, making their detection difficult and sometimes stochastic. However, with proper sample preparation, one of the oldest forms of mass spectrometry (gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS) can routinely detect the collection of branch-point and linkage-specific monosaccharides (“glycan nodes”) present in complex biofluids. Complementary to traditional top-down glycomics techniques, the approach discussed herein involves the collection and condensation of each constituent glycan node in a sample into a single independent analytical signal, which provides detailed structural and quantitative information about changes to the glycome as a whole and reveals potentially deregulated glycosyltransferases. Improvements to the permethylation and subsequent liquid/liquid extraction stages provided herein enhance reproducibility and overall yield by facilitating minimal exposure of permethylated glycans to alkaline aqueous conditions. Modifications to the acetylation stage further increase the extent of reaction and overall yield. Despite their reproducibility, the overall yields of N-acetylhexosamine (HexNAc) partially permethylated alditol acetates (PMAAs) are shown to be inherently lower than their expected theoretical value relative to hexose PMAAs. Calculating the ratio of the area under the extracted ion chromatogram (XIC) for each individual hexose PMAA (or HexNAc PMAA) to the sum of such XIC areas for all hexoses (or HexNAcs) provides a new normalization method that facilitates relative quantification of individual glycan nodes in a sample. Although presently constrained in terms of its absolute limits of detection, this method expedites the analysis of clinical biofluids and shows considerable promise as a complementary approach to traditional top-down glycomics.

Introduction

Glycolipids, גליקופרוטאינים, proteoglycans, ו glycosaminoglycans מהווים ארבעת הסוגים העיקריים של פחמימות מורכבות, הטרוגניות הידוע קולקטיבי גליקנים. כמו רכיבים בכל מקום ובלתי נפרדים של קרום הפלזמה, glycocalyx, ואת תאי מטריקס ונוזלים, גליקנים להתכבד תהליכי ביוכימיים מגוונים כגון אנדוציטוזה, סחר תאי, תנועתיות תא, אות תמרה, הכרה מולקולרית, הפעלת קולטן, הידבקות תא, אינטראקציה לפתוגן המארח , תקשורת, immunosurveillance אינטר, וייזום התגובה החיסונית. ¹ הווה כמעט בכל תחום של החיים, אנזימים המכונה glycosyltransferases הבונות לפעול פולימרים glycan בד בבד עם hydrolases glycoside (הידוע גם בשם glycosidases, אשר לשבור גליקנים) לבנות, לשפץ, ובסופו של דבר לייצר סופית פולימרים glycan ^2. למרות שכל glycosyltransferase יכול לפעול על glycoconjugates אחר, glycosyltransferaseבדרך כלל קרנות קשר glycosidic ספציפי אנומר linkage- ועל ידי העברת מחצית monosaccharide של תורם סוכר בפרט מופעל נוקלאוטיד (למשל, תוצר-פוקוז) לפי קטגוריה מסוימת של acceptors nucleophilic (למשל, חומצת שומנים, פוליפפטיד, גרעין, או גדלנו oligosaccharide). הערכה הוא כי יותר מ -50% של חלבונים (במיוחד הממברנה וחלבוני הפרשה) הם פוסט-translationally שונה על ידי glycosylation ³ חישובים קומבינטורית בסיסיים לספק הערכת ההשתנות הניכרת, הצדדית, וספציפיות מוענקות גליקופרוטאינים ידי glycosylation.; למשל, אם מצע פוליפפטיד יש רק 10 אתרים glycosylation וכל אתר יכול ליצור הצמדה glycosidic עם 1 מתוך 3 רק הקצוות צמצום monosaccharide שונה, אם כן, באופן תיאורטי, גליקופרוטאין הסופי ניתן להניח 3 ¹⁰ = 59,049 זהויות נפרדות. בשנת גליקופרוטאינים, קשרים glycosidic יוצרים בדרך כלל עם o חנקן-שרשרת הצדשאריות f asparagine ברצף ASN-X-שירו / Thr (X יכול להיות כל חומצת אמינו למעט פרולין) להניב N -glycans ² ו-שרשרת הצד hydroxyls של שאריות סרין ו תראונין להניב O -glycans ^4. הרכב של של glycome תא (כלומר, המשלים שלו של מוצרי glycosylation) הוא ייחודי ומוגבל כי, עם כמה יוצא מן הכלל, glycosyltransferases להפגין תורם קפדן, acceptor, וספציפיות הצמדה. ⁵ גליקופרוטאינים פלזמה בדם חשובים ורב סובלים glycosylation סוטה כתוצאה במורד זרם ביטוי ופעילות glycosyltransferase החריגים בשל במצבים פתולוגיים רבים, במיוחד סרטן ומחלות דלקתיות. ^6-24

בעיקר בשל גורמים אפיגנטיים, את glycome הוא משמעותי יותר מגוון, דינאמית, ומורכב מאשר proteome ו transcriptome. ^25,26 בעוד כ 1% של הגנום היונק המקודד את ההיווצרות, השינוי,הרכבה של גליקנים, ²⁷ תמורת glycosylation בתוך בניגוד בולט-באופן מונחה שאינה תבנית פוליפפטיד וביוסינטזה חומצות גרעין. משחק הגומלין בין כמות הפעילות היחסית של אנזימי glycosylation וגורם סביבתיים כגון זמינות תזונתיות מבשרות שקובע בסופו של דבר את האופי, שיעור, והיקף של glycosylation. ^5,28 עובר (למשל, נחישות בידול), הפעלה סלולרית, והתקדמות דרך גן ביטוי השפעת תא המחזור (כלומר, שעתוק ותרגום) ולשנות את הזהות וכמות הזמין glycosyltransferases, שפעילותם היא הגורם המכריע נגד הזרם המיידי של פרופיל glycan של התא. בגלל (חלק) את השגשוג, דבק, ומאפיינים פולשנית של תאים סרטניים דומים לאלה של תאי embryogenic רגילים, שינויים ספציפיים במסלולי biosynthetic glycan (למשל, הצטברות מבשרת, ביטוי ושוחרר, aberranשינוי t, עיצור מבני, או היווצרות רומן) לשרת סמנים לסרטן אוניוורסלי המציינים בשלבים שונים של היווצרות גידולים, התקדמות, הגירה, ופלישה ²⁹ למרות glycosylation הוא מורכב מאוד, כנראה רק כמה שינויים glycosylation יכולים לאפשר היווצרות סרטן וגרורות.; כנראה, מוצרי glycosylation "סוטים" מסוימים אכן נהנים תאים סרטניים בכך שהיא מאפשרת להם להתחמק הכרה חיסונית לשרוד את הדרישות של הגירה בסביבות intravascular ו גרורתי ועוין. ^28,30,31 באופן לא מפתיע, ניסויים חשפו כי לשבש או למנוע דפוסי שינה ביטוי גנים והיווצרות glycan סוטה יכולים לעצור tumorigenesis. ²⁹ עם זאת, גליקנים הסוטים זוהו מדגם biofluid (למשל, שתן, רוק, פלזמת דם או בסרום) לא יכולים להיות אינדיקטורים ישיר של הסרטן (או מחלה אחרת), אלא במורד זרם תוצאות של עדין אך משמעותישינויים במערכת החיסונית או השלכות לכימות של מצב הרסני באורגן צפוי. ³²

למרות שהם מספקים מידע אוניוורסלי על glycome, טכניקות glycomics מבוסס אינטראקציה מולקולריות רבות (למשל, לקטינים / מערכי נוגדן ומטבוליות / תיוג קוולנטיים) תלוי זיהוי של מבני glycan כולו ואל תספקו מידע מבני מפורט על גליקנים פרט. בניגוד בולט, ספקטרומטריית מסה (MS) יכולה לעזור לזהות ולכמת ומבני glycan פרט לחשוף מידע מבני כגון אתרים מצורפים ליבות פוליפפטיד. ביטוי או פעילות פיקוח ממשלתי של glycosyltransferase רק אחד יכול ליזום מפל של אירועים מולקולריים מזיקים במסלולי glycosylation מרובים. מכיוון שכל glycosyltransferase יכול לפעול על יותר מ המצע glycoconjugate אחד ועל פני פולימרים glycan גדל שונים, מפלי biosynthetic deregulated להניב disproportionally כמויות גדולות יותר של המוצר glycan אבל כמה היחיד בכיתות הטרוגניות של גליקנים סוטה בנוזלי התוך או תאיים. ³³ עם זאת, גליקנים סוטה ייחודי כזה לפעמים נחשבים מעשי כסמנים ביולוגיים לסרטן או פתולוגיות glycan-רגשיים אחרים, שכן בהשוואה הבריכה הגדולה של היטב מוסדר גליקנים, גליקנים הסוטים אלה מייצגים רק חלק קטן מאוד היא, לעתים קרובות להישאר לגילוי אפילו בטכנולוגיות כגון רגישות גבוהה כמו ספקטרומטריית מסה. לדוגמא, בנוזלי גוף תוך תאיים, ספקטרום חלבון-הריכוז הרחב (אשר משתרע על פני שמונה סדרי גודל) יכול למנוע זיהוי של גליקופרוטאינים נדירים כי הם רעולים פנים על ידי המינים שופעים יותר. ³² יתר על כן, בקביעת פעילות glycosyltransferase נשארה ניכר מעשי ואתגר תיאורטית כיוון glycosyltransferases רב נעדר biofluids הקליני או להיות פעיל vivo לשעבר. למרות הקושי של consistently גילוי וכימות כמויות אולטרה-דקות של גליקנים שלם ייחודי, מתרגלים של ספקטרומטריית מסה עשו צעדים עצומים כלפי העסקת גליקנים שלמים כסמנים קליניים. פתחנו לאחרונה גישה משלים לניתוח של גליקנים שלם כי, העסקת GC-MS, מקלה על זיהוי של כל סניף נקודות המכוננות מונוסכרידים ספציפי הצמדה ( "צומת glycan") שיחד להקנות ייחודיים לכל glycan ובהרבה במקרים ישירות לשרת פונדקאי מולקולרית כמו זה לכמת את הפעילות היחסית של glycosyltransferase האשם (הים).

מאז שלה דיווח לראשונה בפנייה ישירה ניתוח glycan בשנת 1958, גז כרומטוגרפיה (GC) הוכיחה טכניקה רבת עוצמה כדי לנתח שידורי מפוגל מונו ו disaccharides, ³⁴ לקבוע anomericity שלהם ותצורה מוחלט, ולהפריד אותם לניתוח spectrometric הבאים המוני. ³⁵ בין השנים 1984 ו -2007, Ciucanu ועמיתיוהציג ומעודן טכניקה permethylation glycan-שלב מוצק שהעסיקה הידרוקסיד נתרן iodomethane, ואחריו מיצוי נוזלי נוזלי / של גליקנים permethylated באמצעות מים כלורופורם. ^35,36 בין השנים 2005 ו -2008, קאנג ועמיתים לעבודה משולבת ספין חוסך זמן הגישה -column לתוך צעד permethylation. ^37,38 בשנת 2008, קבוצת המחקר גץ המציאו-שלב מוצק כמותית permethylation שיטת glycan-פרופיל משתמש יינון-desorption לייזר בסיוע מטריקס (MALDI) ספקטרומטריית מסה כדי להשוות ואפשרות להבחין פולשנית ובלתי תאי -invasive סרטן השד; ³⁹ אז, בשנת 2009, האנזימטית גץ צוות המשולבת וטכניקות שחרור כימיות לדבוק O -glycans מ גליקופרוטאינים שלם בתכנית permethylation מוצק שלב בסיסית מאוד ⁴⁰ למרות הליך גץ הקל permethylation סימולטני ושחרור כימי. של O -glycans, יושם זה רק כדי glyco טרום מבודדחלבונים. שינינו את הטכניקה הזו בשנת 2013 והתאימה אותו עבור biofluids unfractionated כולו דגימות רקמה הומוגני ידי שילוב חומצה trifluoroacetic (TFA) הידרוליזה, הפחתה, ואת acetylation צעדים. ³³ צעדים נוספים אלה גם לשחרר גליקנים מ glycolipids ו- N -linked גליקנים מ גליקופרוטאינים ולהמיר אותם acetates alditol מפוגל חלקית (PMAAs, איור 1), שדפוסי מתילציה-ו-acetylation ייחודי להקל על ניתוח על ידי GC-MS ייחודי לאפיין את בלוטות glycan מכוננת בפולימר glycan ללא פגע המקורי ⁴¹ (איור 2). ³³ בסופו של דבר, זה הליך מייצר דיוקן מורכב של כל גליקנים בתוך biofluid מורכב הבוסס על ישירה, כימות יחסית של תכונות glycan ייחודיות כגון "ליבת fucosylation", "6-sialylation", "שחצה GlcNAc", ו "בטא 1-6 הסתעפות" – כל נגזר chromatograp GC-MS יחידשיא יק. מאמר זה מציג אופטימיזציה נוספת של permethylation, acetylation, בידוד, ושלב לנקות יחד עם שיפורים במצב של כימות יחסית.

Protocol

זהירות: הימנע העור / קשר עין עם כל של חומרים כימיים המשמשים בניסוי זה. בחשיפה, ביסודיות לשטוף את האזור הפגוע במים ולפנות לעזרה רפואית מיידית. 1. Permethylation ו glycan הפקת הכנת טור <ol s…

Representative Results

הכרומתוגרמה שוטף יון (TIC) מראה permethylation המוצלח, הידרוליזה, הפחתה, ואת acetylation של דגימות פלזמת דם אדם ביחס למקרים בם שני צעדי permethylation קריטיים הוצאו להורג באופן שגוי מוצגת באיור 3. מוחלטים…

Discussion

ככלל, ההפקה המוצלחת של acetates alditol מפוגל חלקית (PMAAs) מ hexoses כרוך בקשיים פחות היא איתנה יותר מאשר ייצור מוצלח של -acetylhexosamine N (HexNAc) PMAAs. המנגנון המדויק מאחורי התופעה כפי שהיא משחקת בחוץ בכל שלב של הליך זה אינו ידוע, אך יש להתייחס הכימיה הייחודית של קבוצת N -acetyl (ולא קבו?…

Materials

Sodium hydroxide beads	367176	Sigma-Aldrich	20-40 mesh, reagent grade 97%
0.9 mL Spin column	69705	Pierce division of ThermoFisher Scientific	Includes  plugs and polyethylene frits
GC-MS autosampler vial (silanized)*	C4000-9	ThermoFisher Scientific	Target DP High Recovery Vial, 1.5 mL, 12 x 32 mm, Includes Teflon-lined pierceable caps
1.5 mL polypropylene test tubes	05-402-25	ThermoFisher Scientific	Snap-cap lid
2 mL polypropylene test tubes	05-408-138	ThermoFisher Scientific	Snap-cap lid
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)	D8418	Sigma-Aldrich	BioReagent for molecular biology, reagent grade >99.0%
Iodomethane	I8507	Sigma-Aldrich	Contains copper as stabilizer, ReagentPlus 99%
Acetonitrile	A955-4	ThermoFisher Scientific	Optima LC/MS
Microcentrifuge	75002436: Sorvall Legend Micro 17 Centrifuge	ThermoFisher Scientific	24 x 1.5/2.0 rotor with ClickSeal biocontainment lid. Rotor catalog number: 75003424
13 x 100 glass test tube (silanized)*	53283-800	VWR	13 x 100 mm borosilicate glass test tubes with screw-cap finish
Caps for glass test tubes	14-930-15D	ThermoFisher Scientific	Kimble™ Black Phenolic Screw Caps; 13mm-415 GPI thread; PTFE-faced rubber liner.
Sodium chloride	S7653	Sigma-Aldrich	>99.5% pure
Chloroform	4440-08	Macron Fine Chemicals
Trifluoroacetic acid	299537	Sigma-Aldrich	99% purified by redistillation for protein sequencing
Sodium borohydride	71321	Fluka Analytical	99%
Ammonium hydroxide solution	320145	Sigma-Aldrich	NH3 content: 28.0 – 30.0%
Methanol	AH230-4	Honeywell Burdick & Jackson	HPLC grade
Acetic acid	320099	Sigma-Aldrich	99.70%
Plastic vacuum desiccator	Any model of adequate size	FoodSaver
Acetic anhydride	539996	Sigma-Aldrich	99.50%
Dichloromethane	D143SK-4	ThermoFisher Scientific	Stabilized HPLC grade
Acetone	9006-03	J.T.Baker	Baker Analyzed
Heated evaporation manifold (main unit)	pi18823	ThermoFisher Scientific	Thermo Scientific* Reacti-Therm* Heating and Stirring Module; Triple-block Model with Heating and Stirring Function
Heated evaporation manifold (overhead evaporator)	pi18826	ThermoFisher Scientific	ThermoScientific* Reacti-Vap Evaporator, 27-port; For use with triple-block Reacti-Therm heating module
Aluminum sample-holder blocks for evaporation manifold	pi18816	ThermoFisher Scientific	Block, Aluminum, Reacti-Block S-1, Holds 13mm dia test tubes, 13 holes (14 dia. x 45mm deep)
Gas chromatograph	Model A7890	Agilent	Equipped with CTC PAL autosampler
Mass spectrometer	GCT Premier (Time-of-Flight)	Waters
Split-mode liner (deactivated / silanized)	5183-4647	Agilent	Containing a small plug of silanized glass wool
DB-5ms GC column	122-5532	Agilent	30 m x 0.25 mm ID x 0.25 micron film thickness
Chlorotrimethylsilane	95541	Sigma-Aldrich
Glass vacuum desiccator (for glassware silanization)	EW-06536-30	Cole-Parmer	12" wide; 230 mm plate size
*Glassware silanization is carried out in-house, overnight using chlorotrimethylsilane vapor in a large glass vacuum desiccator.