. Pascal Gagneux stelt zich malariaparasieten en andere pathogenen voor die interageren met de oppervlakken van de cellen van een gastheer, hij stelt zich een miniatuurregenwoud voor met pathogene deeltjes die als kleurrijke vogels overvliegen. Het bladerdak bestaat uit vertakkende suikerachtige moleculen die het oppervlak van de cel sieren. "Als u een malariaparasiet bent, landt u op een menselijke rode bloedcel" en "de eerste 'bladeren' die u aanraakt" worden suikers genoemd siaalzuren, zei Gagneux, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Californië, San Diego.

Zijn ecologische kijk op die interactie is geworteld in zijn eerdere veldwerk naar het gedrag van wilde chimpansees in de dichte West-Afrikaanse bossen. Tijdens die tochten begon hij zich af te vragen: "Hoe komt het dat mensen en chimpansees, die zoveel van hetzelfde DNA delen, niet op dezelfde manier met ziekten omgaan?"

"Ziekten die jou en mij het snuiven bezorgen, zullen de chimpansees zelfs doden," legde hij uit. Maar het tegendeel is ook waar. Chimpansees zijn niet vatbaar voor influenza A en hiv-infecties worden dodelijk bij mensen, maar blijven mild bij chimpansees. De malariaparasieten die mensen doden, kunnen chimpansees niet infecteren, en vice versa. Deze vreemde selectiviteit is niet eigen aan primaten - er zijn talloze voorbeelden van ziekteverwekkers die bepaalde gastheersoorten verwoesten, maar andere niet.

Op zoek naar een antwoord draaide Gagneux zich om naar de studie van de glycomoleculen, of glycanen, in dat "regenwoudkruin" dat cellen omhult. Glycanen zijn een spectaculair diverse groep complexe suikers (polysacchariden). Ze kunnen op zichzelf bestaan ​​- cellulose is een plantaardige glycaan die bestaat uit lange ketens van glucose - of ze kunnen worden verankerd aan andere biomoleculen zoals eiwitten en lipiden, waarvan ze de chemische eigenschappen wijzigen. Hun structuur kan lineair zijn (zoals in cellulose), maar ze kunnen ook zeer sterk vertakt zijn, wat bijdraagt ​​aan hun variëteit en complexiteit.

Hun eindeloze variatie tussen cellen en soorten staat centraal in de reden waarom ziekteverwekkers bepaalde gastheersoorten verwoesten, maar andere niet. Het helpt om de "spillover" van bepaalde infectieuze agentia, zoals SARS-CoV-2, van de ene soort naar de andere te verklaren, wat leidt tot wereldwijde pandemieën. Maar het is ook een sleutel tot cellulair gedrag, zelfs binnen soorten, zoals de interacties tussen menselijk sperma en de ei- en baarmoedercellen.

Nu kunnen wetenschappers op het punt staan ​​een doorbraak te bereiken in het begrip van glycanen en glycobiologie. Na analyse van een uitgebreide dataset van glycaanstructuren en hun bekende interacties, ontdekten onderzoekers van Harvard University en het Massachusetts Institute of Technology een gedeelde structurele 'taal' die alle organismen gebruiken bij het maken van glycanen, zoals een gemeentelijke bouwcode die zorgt voor een consistente, compatibele architectuur. . De onderzoekers hebben een reeks online tools uitgebracht die iedereen kan gebruiken om glycaanstructuren en -functies te analyseren.

Overvloedig maar mysterieus

De verschuiving in de belangen van Gagneux vond plaats toen hij elkaar ontmoette Ajit Varki, nu arts-wetenschapper en mededirecteur van UCSD's Glycobiology Research and Training Centre. Gagneux zei dat Varki, die zijn mentor werd, "zojuist het eerste biochemische verschil tussen mensen en chimpansees was tegengekomen". Varki en zijn team hadden ontdekt dat, meer dan 2 miljoen jaar geleden, een mutatie in de voorouders van de mens een gen inactiveerde dat siaalzuren modificeert in alle andere primaten en de meeste andere zoogdieren. Als gevolg hiervan ontbreken honderden miljoenen siaalzuurglycanen die aanwezig zijn in andere primaatcellen in menselijke cellen.

Voor Varki zijn glycanen nog steeds een van de grootste raadsels van het biologische universum. " Ze zijn "eigenlijk zo prominent, ze zijn een belangrijk onderdeel van biomassa op de planeet." In feite vormen glycanen het grootste deel van de organische stof in massa: cellulose en chitine, het belangrijkste bouwmateriaal van geleedpotige exoskeletten en schimmelcelwanden, zijn de twee meest voorkomende organische polymeren van de natuur. En toch, in tegenstelling tot de overvloed aan glycanen, "is dit hele veld achtergelaten", zei Varki.

Daniël Bojar, een bioinformatica-onderzoeker aan de Universiteit van Göteborg en het Wallenberg Centrum voor Moleculaire en Translationele Geneeskunde in Zweden, is het ermee eens dat onze kennis van glycanen verbleekt in vergelijking met wat we weten over de andere grote biopolymeren: DNA, RNA en eiwitten. Glycanen, legde hij uit in een e-mail, "zijn een mysterieuze, alomtegenwoordige entiteit in de biologie die we gemakkelijk negeren of moeilijk begrijpen."

Volgens Varki gaat de huidige staat van glycobiologie terug tot het einde van de 20e eeuw, toen er grote veranderingen plaatsvonden in de biologie. Glycanen werden in de jaren zeventig en de eerste helft van de jaren tachtig zwaar onderzocht. “Glycanen waren zeer prominent aanwezig, met één Nobelprijs per decennium. Er waren zeer prominente mensen op veel gebieden die glycanen bestudeerden, ”zei hij.

Maar zoals Varki schreef in een recensie uit 2017: "Het gebied van glycowetenschappen is ontstaan ​​in 'beschrijvende' koolhydraatchemie en biochemie en bleef lange tijd in deze domeinen", in plaats van moeilijkere vragen over de synthese en functies van glycanen te onderzoeken.

Ondertussen versnelden belangrijke technische vorderingen de studie van nucleïnezuren en peptiden, lange lineaire moleculen die direct worden gespecificeerd door genetische codesjablonen. De complexe vertakkingsstructuren van glycanen daarentegen ontstaan ​​door een reeks chemische reacties die suikerresten toevoegen en wijzigen. Er was geen overeenkomstige verbetering in de middelen om ze te bestuderen.

Het resultaat was dat halverwege de jaren tachtig "DNA, RNA en eiwitten, alle moleculaire biologie, kwamen en opstegen en de glycanen achterlieten op het station", zei Varki. Die ontwikkeling was ontmoedigend voor Varki, die rond die tijd op zoek was naar zijn eerste onafhankelijke onderzoekspositie. Maar ondanks de uitdagingen, zei hij tegen zichzelf: "Ik blijf bij het bestuderen van deze dingen", zelfs toen veel andere onderzoekers ze opgaven.

Gagneux zei dat "heel wat moleculair biologen op het grensgebied geïrriteerd zijn door glycanen," die klein en doorschijnend zijn. 'Je kunt ze alleen zien als je dingen naar ze gaat gooien die eraan blijven kleven', zoals lectines, eiwitten die korte, onderscheidende sacharidesequenties kunnen labelen. Maar als je deze cruciale componenten niet bestudeert, kan dit betekenen dat je baanbrekende informatie mist over enkele van de grootste uitdagingen en vragen van de mensheid.

Richard Cummings, een professor in chirurgie aan het Beth Israel Deaconess Medical Center en de Harvard Medical School, beschrijft zijn "levenswerk" als gericht op "het begrijpen van de structuur van complexe koolhydraten, deze glycomoleculen [en] hoe ze worden gemaakt." Glycomoleculen, zei hij, zijn 'de meest complexe structuren die het menselijk lichaam maakt'.

Cummings is een mededirecteur van de wereldwijde Human Glycome-project. Hij en andere onderzoekers van dat project, dat pas in 2018 werd gelanceerd, hebben als doel "alle glycanen en koolhydraatstructuren - glycomoleculen - in mensen te sequencen en te identificeren," merkte hij op. In tegenstelling daarmee is de Menselijk genoom project gelanceerd in 1990 en formeel afgesloten in 2003, wat illustreert hoe groot de kloof is gegroeid tussen kennis van het menselijk genoom en het glycoom.

Toch is het van cruciaal belang dat onderzoekers bepalen welke rol specifieke glycanen spelen bij ziekte en ziekte, als ze hopen effectievere strategieën te ontwikkelen voor het voorkomen en behandelen van deze aandoeningen.

Moleculaire Windows naar ziekte

Een deel van dat onderzoek is al vruchtbaar gebleken. Volgens Varki zijn er enorme vorderingen gemaakt in de studie van een groeiende groep zeldzame genetische stofwisselingsstoornissen die het gevolg zijn van defecten in de glycosylering. "Na een trage start in het begin van de jaren negentig heeft een internationale inspanning van veel onderzoekers nu geresulteerd in een ware explosie van ontdekkingen van genetische afwijkingen van glycosylering bij de mens", schreef hij in zijn overzichtsartikel uit 1990.

Onderzoekers hebben zich al tot glycomoleculen gewend om nieuwe inzichten te krijgen over aandoeningen die zo divers zijn als cystische fibrose, kankers, sikkelcelanemie, HIV en COVID-19. Zo publiceerden Cummings en zijn collega's in 2020 een Moleculaire Psychiatrie recensie-artikel over 25 jaar post-mortem hersenonderzoek naar abnormale glycosylatie bij mensen met schizofrenie.

Cummings, die ook leiding geeft aan het National Center for Functional Glycomics en het Harvard Medical School Center for Glycoscience, bestudeert de functie van glycomoleculen in de menselijke biologie en hoe mutaties of veranderingen in die functies pathologieën kunnen veroorzaken. Ook onderzoekt hij hoe bacteriën, parasitaire wormen en virussen zoals influenza mensen infecteren en ziek maken.

"In bijna elk van deze gevallen blijkt dat micro-organismen en parasieten door interacties van glycomoleculen ziekten bij de mens veroorzaken", zei Cummings. Die kennis koppelen aan nieuwe behandelingen of preventieve maatregelen blijft vaak een grote uitdaging.

Het decoderen van de taal van glycanen

Een hindernis voor glycobiologie, merkte Gagneux op, is dat zelfs nauw verwante soorten met hoge niveaus van genetische gelijkenis, zoals chimpansees en mensen, glycanen hebben die aanzienlijk kunnen variëren vanwege de constante, voortdurende co-evolutie. Elke soort wordt geconfronteerd met zijn eigen evolutionaire druk van ziekten die een stempel drukken op zijn bibliotheek van glycanen: het gastheerglycome evolueert om de aanvallen van pathogenen te ontwijken of tegen te gaan, en de glycums van de pathogenen evolueren om te ontsnappen aan de immuunafweer van hun potentiële gastheren.

"Het geeft aanleiding tot deze moleculaire wapenwedloop die anders verloopt als je eenmaal een verschillende evolutionaire weg inslaat", zei Gagneux. Zelfs als je mensen bijvoorbeeld injecteert met malariaparasieten van de chimpansee, worden ze niet ziek. ("Geloof het of niet, dit gebeurde [in België] in de jaren '50", zei hij.) Dat komt gedeeltelijk doordat de chimpansee malariaparasieten het mengsel van siaalzuren dat ze zoeken op menselijke rode bloedcellen niet kunnen vinden.

Aan de andere kant zijn chimpansees zeer resistent tegen cholera omdat de Vibrio bacterie die de ziekte veroorzaakt, maakt een gifstof dat alleen de sialinezuren op de cellen in de menselijke darmen richt en gaten door hun membranen boort. Vanwege de co-evolutie van de gastheer-pathogeen, "is er veel diversiteit" in het glycoom, zei Cummings.

Die diversiteit werd duidelijk toen wetenschappers van MIT en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard op glycanen gerichte machine learning-modellen gebruikten om een ​​dataset van meer dan 19,000 unieke glycanen te analyseren. Dit omvatte "6,969 eukaryote, 6,119 prokaryote en 152 virale glycanen", schreven ze in hun 2020 Cell Host & Microbe studies.

"Omdat we alle soorten hebben opgenomen waarvoor we glycanen konden vinden, vormde deze dataset een uitgebreide momentopname van de momenteel bekende soortspecifieke glycanen", schreven de onderzoekers.

Bojar, destijds postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute en MIT, is de eerste auteur van het onderzoek. Hij en zijn collega's observeerden 1,027 unieke enkelvoudige suikers (monosacchariden) en chemische bindingen in de glycaansequenties. Ze behandelden deze als 'glycoletters' - 'de kleinste eenheden van een alfabet voor een glycantaal', schreven ze. Vervolgens begonnen ze de dataset te doorzoeken op patronen van "glycowords", gedefinieerd als sequenties van vijf glycoletters lang (dat wil zeggen, drie monosacchariden verbonden door twee bindingen).

Daartoe trainden ze een bidirectioneel recidiverend neuraal netwerk op sequenties uit hun database en gebruikten die om een ​​model te maken voor een op glycoletter gebaseerde taal. Dergelijke neurale netwerken worden vaak gebruikt om taalmodellen te leren en te trainen. "Je kunt het zien als een reeks tekst voorwaarts lezen en dan achterwaarts lezen", zei Rani bevoegdheden, een senior wetenschapper bij het Wyss Institute en een onderzoeker van de studie. "U wilt de context behouden van wat in dit geval in wezen de zin is, in plaats van alleen alle woorden of alle letters uit hun verband te halen."

In theorie hadden de glycoletters in de dataset bijna 1.2 biljoen verschillende glycowords kunnen vormen. Maar verrassend genoeg gaven de resultaten van de onderzoekers aan dat er slechts 19,866 verschillende glycowords aanwezig waren in alle beschikbare sequenties. Ondanks de immense complexiteit en diversiteit van glycanen en de verschillen in glycanen die kenmerkend zijn voor verschillende soorten, suggereerde het bewijs dat alle organismen zeer vergelijkbare regels volgen bij het samenstellen ervan en in wezen dezelfde biomoleculaire taal gebruiken om hun structuur te definiëren.

De onderzoekers ontdekten dat ze door hun modellen te verfijnen met hoge nauwkeurigheid de taxonomische groepen van de organismen waaruit glycanen kwamen, konden voorspellen. Bovendien waren ze in staat om de modellen te trainen om met ongeveer 92% nauwkeurigheid te voorspellen of glycaansequenties in een referentiedataset immunogeen waren voor mensen.

De resultaten zijn "zeer opwindend", en de verdere toepassing van geavanceerde rekenhulpmiddelen om glycanen te begrijpen zou "belangrijk en onthullend" kunnen blijken te zijn. Lara Mahal, een glycomics-onderzoeker aan de Universiteit van Alberta die niet bij het onderzoek betrokken was. (Ze werkt aan een ander project met Bojar.) "Het helpt de complexiteit van glycanen te verminderen tot duidelijke patronen waaruit we belangrijke informatie kunnen verzamelen, bijvoorbeeld over de pathogeniteit van glycanen," voegde ze eraan toe.

De Wyss- en MIT-onderzoekers hopen dat andere teams de tools voor glycomisch ontwerp en analyse zullen gebruiken die ze hebben ontwikkeld en gratis online hebben geplaatst. Volgens Bojar kan hun meest onmiddellijk nuttige toepassing in de farmaceutische industrie zijn, voor glycoengineering van therapeutische monoklonale antilichamen. Antilichaameiwitten klemmen zich vast aan specifieke antigeentargets op pathogenen. Maar het zijn de glycanen die zijn gekoppeld aan de eiwitten die bepalen hoe de antilichamen interageren met de rest van de afweer van het lichaam en helpen bepalen wat voor soort immuunrespons volgt. In de toekomst, zei Bojar, zouden de tools glycanen kunnen suggereren die de prestaties van antilichamen zouden verbeteren, bijvoorbeeld door hun bijwerkingen te beperken of door hun halfwaardetijd in het lichaam nauwkeuriger te kalibreren.

Mahal merkte op dat ze de tools al gebruikt om meer te weten te komen over de specificiteit van de assays die worden gebruikt om de glycanen op cellen te identificeren. "Deze nieuwe computationele technologieën in combinatie met high-throughput-analyse zullen een revolutie teweegbrengen in ons begrip van het glycome en zijn rol bij ziekten", zei ze.