БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 7, с. 918–932
УДК 57.088
Растительный полисахаридный эррей для изучения углевод-связывающих белков
1 ГНЦ Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997 Москва, Россия
2 ИФ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, 167982 Сыктывкар, Россия
3 ФИЦ «Казанский научный центр РАН», Казанский институт биохимии и биофизики, 420111 Казань, Россия
Поступила в редакцию 02.06.2022
После доработки 20.06.2022
Принята к публикации 20.06.2022
DOI: 10.31857/S0320972522070077
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: углевод-связывающие белки, растительные лектины, растительные полисахариды, пектины, полисахаридный гликоэррей, гликочип, INRA‑RU2, антигликановые антитела человека.
Аннотация
Специфичность большинства углевод-связывающих белков растений либо не изучалась, либо охарактеризована ограниченно, о многих из них известно лишь благодаря биоинформатическому анализу геномов. Задачу расшифровки углеводной специфичности белков позволяют решать гликоэрреи – систематические наборы большого количества гликанов, как правило, иммобилизованных на подложке (подложку с гликоэрреем называют гликочипом). Растительные углеводы являются наиболее естественными лигандами для изучения растительных белков. В представленной работе показано, что растительные полисахариды без дополнительной модификации иммобилизуются на поверхности, несущей активированные N‑гидроксисукцинимидом карбоксильные группы. С использованием этого подхода был сконструирован эррей, состоящий из 113 хорошо охарактеризованных растительных полисахаридов, выделенных из клеточных стенок различных растений, 23 олиго-моносахарида, являющихся компонентами некоторых растительных полисахаридов и гликозилированных белков, а также ряда лигандов широко известных растительных лектинов. При химической иммобилизации полисахаридов их функциональная активность сохранялась, что следует из результатов взаимодействия с моноклональными и поликлональными антителами и растительным лектином – рицином. С помощью гликоэррея была найдена ранее неизвестная способность рицина связывать полисахариды клеточных стенок, что значительно расширяет представление о его специфичности. Также в периферической крови человека обнаружено наличие множества антител к пектинам и гемицеллюлозам.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (гранты № 20-63-47110 (печать и работа с гликоэрреями) и № 20-64-47036 (очистка, разделение и характеристика полисахаридов)), а также Госзадания № АААА-А18-118022790083-9 (подбор базы коммерческих полисахаридов).
Благодарности
Авторы выражают благодарность за помощь в обсуждении результатов и подготовке материалов статьи Л.В. Козловой (Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН), а также А.Ф. Ахметгалиевой (Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН) за техническое сопровождение работ по подготовке отдельных коммерческих полисахаридов. Мы хотели бы выразить благодарность доктору Мари-Кристин Рале и доктору Фабьен Гийон (Французский национальный институт сельскохозяйственных исследований, Нант, Франция) за любезно предоставленный образец антитела INRA-RU2, а также доктору Е.А. Гюнтер (ИФ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН) за любезно предоставленные образцы полисахаридов, выделенных из каллусных культур.
Вклад авторов
Т.А. Горшкова, Н.В. Бовин – постановка проблемы и руководство работой; Н.В. Шилова – разработка концепции статьи, формирование и обсуждение результатов исследования; А.Н. Никифорова – проведение экспериментов, описание и графическое представление результатов, оформление статьи; В.В. Головченко, О.А. Патова, П.В. Микшина – получение, очиcтка, фракционирование и характеристика образцов полисахаридов, оформление результатов в этой части исследования, обсуждение и редактирование текста.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов исследований.
Список литературы
1. De Coninck, T., and Van Damme, E. J. M. (2021) Review: the multiple roles of plant lectins, Plant Sci., 313, 111096, doi: 10.1016/j.plantsci.2021.111096.
2. Vandenborre, G., Smagghe, G., and Van Damme, E. J. M. (2011) Plant lectins as defense proteins against phytophagous insects, Phytochemistry, 72, 1538-1550, doi: 10.1016/j.phytochem.2011.02.024.
3. De Paz, J. L., and Seeberger, P. H. (2012) In Carbohydrate Microarrays: Methods and Protocols (Chevolot, Y., eds) Humana Press, NJ, pp. 1-12.
4. Ratner, D. M., Adams, E. W., Disney, M. D., and Seeberger, P. H. (2004) Tools for glycomics: Mapping interactions of carbohydrates in biological systems, ChemBioChem, 5, 1375-1383, doi: 10.1002/cbic.200400106.
5. Blixt, O., Head, S., Mondala, T., Scanlan, C., Huflejt, M. E., Alvarez, R., et al. (2004) Printed covalent glycan array for ligand profiling of diverse glycan binding proteins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 17033-17038, doi: 10.1073/pnas.0407902101.
6. Shilova, N., Huflejt, M. E., Vuskovic, M., Obukhova, P., et al. (2013) In SialoGlyco Chemistry and Biology I. Topics in Current Chemistry (Gerardy-Schahn, R., Philippe Delannoy, P., von Itzstein, M., eds) Springer Berlin, Heidelberg, pp. 169-181.
7. Ribeiro, D. O., Pinheiro, B. A., Carvalho, A. L., and Palma, A. S. (2017) In Carbohydrate Chemistry: Chemical and Biological Approaches (Rauter, A., Lindhorst, T., Queneau, Y., eds) CPI Group Ltd, UK, pp. 159-176.
8. Song, X., Heimburg-Molinaro, J., Cummings, R. D., and Smith, D. F. (2014) Chemistry of natural glycan microarrays, Curr. Opin. Chem. Biol., 18, 70-77, doi: 10.1016/j.cbpa.2014.01.001.
9. Sørensen, I., Pedersen, H. L., and Willats, W. G. T. (2009) An array of possibilities for pectin, Carbohydr. Res., 344, 1872-1878, doi: 10.1016/j.carres.2008.12.008.
10. Pedersen, H. L., Fangel, J. U., McCleary, B., Ruzanski, C., Rydahl, M. G., et al. (2012) Versatile high resolution oligosaccharide microarrays for plant glycobiology and cell wall research, J. Biol. Chem., 287, 39429-39438, doi: 10.1074/jbc.M112.396598.
11. Øbro, J., Sørensen, I., Moller, I., Skjøt, M., Mikkelsen, J. D., et al. (2007) High-throughput microarray analysis of pectic polymers by enzymatic epitope deletion, Carbohydr. Polymers, 70, 77-81, doi: 10.1016/j.carbpol.2007.03.008.
12. Moore, J. P., Nguema-Ona, E., Fangel, J. U., Willats, W. G. T., Hugo, A., et al. (2014) Profiling the main cell wall polysaccharides of grapevine leaves using high-throughput and fractionation methods, Carbohydr. Polymers, 99, 190-198, doi: 10.1016/j.carbpol.2013.08.013.
13. Kračun, S. K., Fangel, J. U., Rydahl, M. G., Pedersen, H. L., Vidal-Melgosa, S., et al. (2017) In High-Throughput Glycomics and Glycoproteomics (Lauc, G., Wuhrer, M., eds) Humana Press, NY, pp. 147-165.
14. Sillo, F., Fangel, J. U., Henrissat, B., Faccio, A., Bonfante, P., et al. (2016) Understanding plant cell-wall remodelling during the symbiotic interaction between Tuber melanosporum and Corylus avellana using a carbohydrate microarray, Planta, 244, 347-359, doi: 10.1007/s00425-016-2507-5.
15. Salmeán, A. A., Guillouzo, A., Duffieux, D., Jam, M., Matard-Mann, M., et al. (2018) Double blind microarray-based polysaccharide profiling enables parallel identification of uncharacterized polysaccharides and carbohydrate-binding proteins with unknown specificities, Sci. Rep., 8, 2500, doi: 10.1038/s41598-018-20605-9.
16. García Caballero, G., Beckwith, D., Shilova, N. V., Gabba, A., Kutzner, T. J., et al. (2020) Influence of protein (human galectin-3) design on aspects of lectin activity, Histochem. Cell Biol., 154, 135-153, doi: 10.1007/s00418-020-01859-9.
17. Dobrochaeva, K., Khasbiullina, N., Shilova, N., Knirel, Y., Obukhova, P., et al. (2021) Specificity profile of αGal antibodies in αGalT KO mice as probed with comprehensive printed glycan array: comparison with human anti‐Galili antibodies, Xenotransplantation, 28, e12672, doi: 10.1111/xen.12672.
18. Dobrochaeva, K., Khasbiullina, N., Shilova, N., Antipova, N., Obukhova, P., et al. (2020) Human natural antibodies recognizing glycan Galβ1-3GlcNAc (LeC), Int. J. Mol. Sci., 21, 6511, doi: 10.3390/ijms21186511.
19. Huflejt, M. E., Vuskovic, M., Vasiliu, D., Xu, H., Obukhova, P., et al. (2009) Anti-carbohydrate antibodies of normal sera: findings, surprises and challenges, Mol. Immunol., 46, 3037-3049, doi: 10.1016/j.molimm.2009.06.010.
20. Bovin, N. V. (2013) Natural antibodies to glycans, Biochemistry (Moscow), 78, 786-797, doi: 10.1134/S0006297913070109.
21. Ralet, M.-C., Tranquet, O., Poulain, D., Moïse, A., and Guillon, F. (2010) Monoclonal antibodies to rhamnogalacturonan I backbone, Planta, 231, 1373-1383, doi: 10.1007/s00425-010-1116-y.
22. DuBois, M., Gilles, K. A., Hamilton, J. K., Rebers, P. A., Smith, F. (1956) Colorimetric method for determination of sugars and related substances, Anal. Chem., 28, 350-356, doi: 10.1021/ac60111a017.
23. Usov, A. I., Bilan, M. I., and Klochkova, N. G. (1995) Polysaccharide composition of several calcareous red algae: isolation of alginate from Corallina pilulifera P. et R. (Rhodophyta, Corallinaceae), Bot. Marina, 38, 43-51, doi: 10.1515/botm.1995.38.1-6.43.
24. Lowry, O., Rosebrough, N., Farr, A. L., and Randall, R. (1951) Protein measurement with the folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265-275, doi: 10.1016/S0021-9258(19)52451-6.
25. Wood, P. J., and Siddiqui, I. R. (1971) Determination of methanol and its application to measurement of pectin ester content and pectin methyl esterase activity, Anal. Biochem., 39, 418-428, doi: 10.1016/0003-2697(71)90432-5.
26. Golovchenko, V. V., Khramova, D. S., Shashkov, A. S., Otgonbayar, D., Chimidsogzol, A., et al. (2012) Structural characterisation of the polysaccharides from endemic Mongolian desert plants and their effect on the intestinal absorption of ovalbumin, Carbohydr. Res., 356, 265-272, doi: 10.1016/j.carres.2012.03.023.
27. Ridley, B. L., O’Neill, M. A., and Mohnen, D. (2001) Pectins: structure, biosynthesis, and oligogalacturonide-related signaling, Phytochemistry, 57, 929-967, doi: 10.1016/S0031-9422(01)00113-3.
28. Voragen, A. G. J., Coenen, G. J., Verhoef, R. P., and Schols, H. A. (2009) Pectin, a versatile polysaccharide present in plant cell walls, Struct. Chem., 20, 263, doi: 10.1007/s11224-009-9442-z.
29. Cheng, K., Zhou, Y., and Neelamegham, S. (2016) DrawGlycan-SNFG: a robust tool to render glycans and glycopeptides with fragmentation information, Glycobiology, 27, 200-205, doi: 10.1093/glycob/cww115.
30. Горшкова Т. А. (2007) Растительная клеточная стенка как динамичная система, Наука, Москва.
31. Zandleven, J., Beldman, G., Bosveld, M., Schols, H. A., and Voragen, A. G. J. (2006) Enzymatic degradation studies of xylogalacturonans from apple and potato, using xylogalacturonan hydrolase, Carbohydr. Polymers, 65, 495-503, doi: 10.1016/j.carbpol.2006.02.015.
32. Patova, O. A., Luаnda, A., Paderin, N. M., Popov, S. V., Makangara, J. J., et al. (2021) Xylogalacturonan-enriched pectin from the fruit pulp of Adansonia digitata: structural characterization and antidepressant-like effect, Carbohydr. Polymers, 262, 117946, doi: 10.1016/j.carbpol.2021.117946.
33. Golovchenko, V. V., Ovodova, R. G., Shashkov, A. S., and Ovodov, Y. S. (2002) Structural studies of the pectic polysaccharide from duckweed Lemna minor L., Phytochemistry, 60, 89-97, doi: 10.1016/S0031-9422(02)00040-7.
34. Lin, L. I.-K. (1989) A concordance correlation coefficient to evaluate reproducibility, Biometrics, 45, 255-268, doi: 10.2307/2532051.
35. Flannery, A., Gerlach, J., Joshi, L., and Kilcoyne, M. (2015) Assessing bacterial interactions using carbohydrate-based microarrays, Microarrays, 4, 690-713, doi: 10.3390/microarrays4040690.
36. Laurent, N., Voglmeir, J., and Flitsch, S. L. (2008) Glycoarrays – tools for determining protein-carbohydrate interactions and glycoenzyme specificity, Chem. Commun., 37, 4400-4412, doi: 10.1039/b806983m.
37. Puvirajesinghe, T., and Turnbull, J. (2016) Glycoarray technologies: deciphering interactions from proteins to live cell responses, Microarrays, 5, 3, doi: 10.3390/microarrays5010003.
38. Polito, L., Bortolotti, M., Battelli, M., Calafato, G., and Bolognesi, A. (2019) Ricin: an ancient story for a timeless plant toxin, Toxins, 11, 324, doi: 10.3390/toxins11060324.
39. Janssen, L. M. A., Heron, M., Murk, J.-L., Leenders, A. C. A. P., Rijkers, G. T., et al. (2021) The clinical relevance of IgM and IgA anti-pneumococcal polysaccharide ELISA assays in patients with suspected antibody deficiency, Clin. Exp. Immunol., 205, 213-221, doi: 10.1111/cei.13605.
40. Campanero-Rhodes, M. A., Palma, A. S., Menéndez, M., and Solís, D. (2020) Microarray strategies for exploring bacterial surface glycans and their interactions with glycan-binding proteins, Front. Microbiol., 10, 2909, doi: 10.3389/fmicb.2019.02909.
41. Khasbiullina, N. R., Shilova, N. V., Navakouski, M. J., Nokel, A. Y., Blixt, O., et al. (2019) The repertoire of human antiglycan antibodies and its dynamics in the first year of life, Biochemistry (Moscow), 84, 608-616, doi: 10.1134/S0006297919060038.
42. Yamada, H., Kiyohara, H., and Matsumoto, T. (2003) In Advances in Pectin and Pectinase Research (Voragen, F., Schols, H., Visser, R., eds) Springer Netherlands, Dordrecht, pp. 481-490.
43. Paulsen, B. S., and Barsett, H. (2005) In Polysaccharides I (Heinze, T., eds) Springer Berlin, Heidelberg, pp. 69-101.
44. Kiyohara, H., Matsumoto, T., Nagai, T., Kim, S.-J., and Yamada, H. (2006) The presence of natural human antibodies reactive against pharmacologically active pectic polysaccharides from herbal medicines, Phytomedicine, 13, 494-500, doi: 10.1016/j.phymed.2005.09.004.
45. Washio, K., Nakamura, M., Sato, N., Hori, M., Matsubara, K., et al. (2022) Anaphylaxis in a pectin- and cashew nut-allergic child caused by a citrus bath, Allergol. Int., 71, 155-157, doi: 10.1016/j.alit.2021.07.006.
46. Capucilli, P., Kennedy, K., Kazatsky, A. M., Cianferoni, A., and Spergel, J. M. (2019) Fruit for thought: anaphylaxis to fruit pectin in foods, J. Allergy Clin. Immunol. Pract., 7, 719-720, doi: 10.1016/j.jaip.2018.11.047.