EN / DA
Sygdom og behandling

Atlas over livets tredje sprog kan være med til at designe fremtidens medicin

Der var en tid, hvor forskere troede på paradigmet ”ét gen – ét protein – én funktion”. Det sande billede er både mere komplekst – og mere elegant. På samme måde som forskere i dag ved, at ét gen kan kode for flere proteinvarianter, kan sukkerkæder, der pryder proteiners overflade, skabe endnu mere variation. Forskere er kun ved at begynde at forstå betydningen af dette livets tredje sprog – glykosylering. Et nyt studie afslører, at de naturligt forekommende sukkerkæder regulerer peptidhormoner og dermed potentielt kroppens balance. Ved at genskabe ændringerne i laboratoriet vil man kunne fintune fremtidens medicin.

Peptidhormonet insulin har gennem et århundrede reddet millioner af menneskeliv. De senere år har insulin fået selskab af en række andre biologisk aktive peptider, så gruppen i dag repræsenterer én af de største og mest lovende klasser af lægemiddelkandidater mod neurologiske og metaboliske forstyrrelser. Peptidernes terapeutiske potentiale skyldes deres enorme betydning for kroppens regulering af fysiologiske processer. Udfordringen er, at peptiderne ofte er ustabile og derfor nedbrydes hurtigt. Ny forskning peger på en afgørende faktor for deres funktion og stabilitet.

”De seneste års studier har peget på, at nogle peptidhormoner i kroppen har små sukkergrupper koblet til deres overflade – glycosylering. Vi besluttede os derfor for at undersøge hvor mange, og da omfanget blev klart for os, gik vi i gang med at lave et atlas til at hjælpe fremtidig forskning i at undersøge peptidernes funktion og potentielt vejlede udvikling af ny medicin. Én af de glykosylerede peptidhormoner, vi fandt i dette studie, var GLP-1, der bruges i behandling af mennesker med diabetes og fedme. Vores studie i en dyremodel viser, at de små sukkermolekyler bliver i cirkulation 10 gange længere, så disse små sukkerkæder har en stor effekt,” fortæller lektor Katrine T. Schjoldager fra Copenhagen Center for Glycomics på Københavns Universitet.

Overraskende mange ændringer

Mens lange kæder med mere end 50 aminosyrer kaldes for proteiner, så kaldes de kortere kæder for peptider. De omfatter en stor klasse af biologisk aktive molekyler som peptidhormoner og neuropeptider, der regulerer fysiologiske processer som blodglukose, appetit, angst, betændelse og blodtryk. Nu viser forskning dog, at peptidernes aktivitet og stabilitet kan påvirkes af små sukkerkæder på overfladen.

”Ved glykosyleringsprocessen sætter cellen små sukkerantenner på specifikke aminosyrer i proteiner, og det har vist sig at spille en stor rolle i at regulere proteiners funktion, heriblandt peptidhormoner. Vi ønskede at forstå, hvor udbredt O-glykosylering var blandt peptidhormoner, og derfor kastede vi os over at systematisk gennemsøge proteiner fra organer fra grise og rotter for disse sukkerantenner,” forklarer Thomas Daugbjerg Madsen, der er ph.d.-studerende ved Copenhagen Center for Glycomics, Københavns Universitet og en af hovedforfatterne til en artikel om den nye forskning.

Det var en temmelig omfattende opgave, Thomas Daugbjerg Madsen og hans kollegaer kastede sig ud i. Ikke nok med at peptidhormoner skulle ekstraheres fra dyrenes forskellige organer. Efterfølgende skulle de små peptider analyseres via massespektrometri – en metode, hvor proteinfragmenter kan isoleres efter størrelse og ladning. På den måde kunne forskerne skelne, om peptiderne havde sukkermodifikationer, og hvor på peptidet de findes.

”Vi blev overraskede over, at vi fandt sukkerantenner på over en tredjedel af alle kendte peptidhormoner, og fordi alle peptidhormoner ikke er udtrykt i det undersøgte biologiske materiale, regner vi med, at der kan findes markant flere,” siger Thomas Daugbjerg Madsen.

Et særdeles godt udgangspunkt

Fordi forskerne fandt sukkermodifikationerne hos både mennesker, grise og rotter i næsten identiske proteinsekvenser, tyder det på, at den naturlige selektion har bevaret modifikationen, og at den er funktionelt betydningsfuld.

”At modificere peptidhormoner, såsom GLP-1, PYY og secretin, øgede stabiliteten betragteligt og beskyttede peptiderne fra degradering forårsaget af proteaserne, og samtidig reduceredes deres receptoraktivitet en smule, som tyder på, at kroppen kan bruge glykosylering som en reguleringsmekanisme. Med andre ord kan kroppen bruge sukkerkæderne til at skrue op og ned for stabiliteten og effekten af hormonerne,” forklarer Katrine T. Schjoldager.

Den selvsamme reguleringsmekanisme fandt forskergruppen sidste år, da de undersøgte et andet peptidhormon, atrialt natriuretisk peptid (ANP), som udskilles fra muskelceller i blodkredsløbet, hvor det blandt andet får blodkar til at udvide sig. O-glykanerne fik også her peptidhormonet til at blive mere stabilt og lidt mindre potent. Forskerne håber nu at kunne overføre effekten til lægemidler, så de bliver mere stabile.

”Med dette atlas i hånden, der anviser både de fundne glykosyleringer og dem, vi anser for at være sandsynlige, har vi ikke bare fået en langt bedre forståelse for betydningen af de glykosyleringer i kroppen. Vi har også fået et særdeles godt udgangspunkt for at øge stabiliteten og effekten af eksisterende og fremtidige peptidbaserede lægemidler, så man kan komme nærmere på den naturlige fysiologiske effekt,” siger Katrine T. Schjoldager.

An atlas of O-linked glycosylation on peptide hormones reveals diverse biological roles” er udgivet i Nature Communications. ”Discovery of O-glycans on atrial natriuretic peptide (ANP) that affect both its proteolytic degradation and potency at its cognate receptor” er udgivet i Journal of Biological Chemistry. Katrine T. Schjoldager modtog i 2017 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Novel proteoforms of peptide hormones provide exciting options for improving drug design”.

Katrine Schjoldager
Associate professor
I am a co-PI at the Copenhagen Center for Glycomics where my major focus is to explore the biological role of protein glycosylation in health and disease. In the mammalian cell, protein glycosylation is orchestrated by more than 200 enzyme glycosyltransferases, decorating proteins with different sugar chains expanding the size of the proteome. We explore the function of these glycosyltransferases and their glycan products by precise gene editing strategies where we knockout individual transferases in cells and animal models and use the resulting models to explore and dissect the biology of protein glycosylation.
Thomas Daugbjerg Madsen
PhD student
O-glycans in Protein and Peptide Stability and Function Traditionally, O-glycans have been found and associated with large mucins containing P/T/S rich domains with high density of O-glycans, where they serve important functions for the structure and stability of mucins required for lubrication and protective effects on lining mucosa and in body fluids. However, recent proteome-wide discovery strategies for O-glycosylation demonstrate that O-glycans are abundantly found on all types of proteins (>80% of all proteins trafficking the secretory pathway are O-glycosylated, Steentoft et al., 2013), and in particular found in more isolated sites often in close proximity to other important PTMs such as PC processing sites, phosphorylation sites (not published), mannosylation sites, ectodomain shedding sites, and most recently activation of G-coupled protein receptors (GPCRs), where they may serve important (co-)regulatory roles in fine-tuning protein functions (Schjoldager et al.,2010, 2011, 2012, Goth et al., 2015, 2012). Our breakthrough in O-glycoproteomics has opened for wide discovery of O-glycoproteins and is now driving a plethora of exciting novel hypotheses of the role of O-glycosylation for diverse types of protein including GPCRs and LDLR related proteins.