Les glycanes sont essentiels à pratiquement tous les processus biologiques du corps. Ces structures complexes, composées de molécules de sucre imbriquées, ornent les surfaces des cellules d'une profusion floue. Les glycanes sont une partie cruciale de l'identité d'une cellule, l'aidant à communiquer avec les autres cellules et avec l'environnement extérieur. Les glycanes sont également connus pour jouer un rôle vital dans le cancer, maladie auto-immune et d'innombrables autres afflictions.

Malgré leur omniprésence et leur importance, les glycanes restent parmi les acteurs biologiques les plus énigmatiques.

Maintenant, des chercheurs du Biodesign Institute de l'Arizona State University se joignent à un groupe de recherche international pour sonder les mystères les plus profonds de la structure et de la fonction des glycanes. Pour faire ça, ils ont assemblé une bibliothèque des enzymes nécessaires pour créer, modifier et dégrader les glycanes. En utilisant cette bibliothèque, le groupe a pu exprimer ces enzymes dans deux types d'hôtes cellulaires :les mammifères et les insectes.

"Il est clair que ces structures de sucre élaborées jouent un rôle essentiel dans la santé et la maladie, " dit Joshua LaBaer, directeur du Biodesign Institute et du Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics.

Il poursuit en disant que la science a encore très peu de compréhension de l'activité des glycanes, car contrairement à d'autres processus en biologie, ils ne sont pas assemblés sur la base d'un gabarit. Au lieu, ils sont produits par une interaction complexe d'une grande famille d'enzymes qui ajoutent et retirent des sucres spécifiques en fonction de l'endroit où se trouvent les différents membres de la famille et d'autres facteurs. "Pour la première fois, nous avons construit et assemblé des copies clonées de toutes les enzymes de cette famille, créer une boîte à outils inestimable que les chercheurs pourront utiliser pour construire et tester ces structures, " dit Labaer.

Résultats de la nouvelle étude, qui paraissent dans le numéro actuel de la revue Nature Chimie Biologie , avoir un impact potentiellement large dans des domaines allant des nouveaux diagnostics et thérapies pour la maladie, à d'autres avancées en matière de santé, science des matériaux et énergie.

La vie est douce

"L'étude des structures glycanes dans les systèmes cellulaires animaux a toujours été un grand défi, surtout en termes de technologie, " dit Kelley Moremen de l'Université de Géorgie, auteur principal de la nouvelle étude. « Afin de comprendre comment ces molécules sont fabriquées et régulées en termes de fonction à la surface cellulaire, il est important de comprendre la machinerie enzymatique qui les fabrique, les modifie et les décompose."

L'une des quatre grandes classes de macromolécules constituant les systèmes vivants, (avec les acides nucléiques, protéines et lipides), les glycanes sont essentiels à la structure et au fonctionnement des cellules. Ils jouent un rôle essentiel dans la signalisation cellulaire, immunité, et l'inflammation.

Par exemple, les glycanes à la surface des cellules sont essentiels à la reconnaissance moléculaire, guider les globules blancs à travers le corps vers les sites d'infection, permettant au système immunitaire de réagir là où il le faut. Cette dynamique est clairement visible au cours des premiers stades de l'infection grippale, où la particule du virus de la grippe se fixe à une cellule hôte humaine en reconnaissant et en se liant aux glycanes de la surface cellulaire.

Le système immunitaire répond à de telles menaces en apprenant à reconnaître l'enrobage de sucre glycane des virus, bactéries et autres envahisseurs, mettre en place des mécanismes de défense à la fois innés et adaptatifs.

Diverses formes de sucre sont essentielles à la vie. Glucose, l'un des plus importants, est un métabolite primaire fournissant de l'énergie au cerveau. Il illustre également la nature à double tranchant des sucres complexes, car sa dérégulation est un facteur de risque central pour le développement de maladies cardiovasculaires. Diabète, par exemple, résulte d'un mauvais contrôle de la glycémie par des mécanismes métaboliques normaux. Des concentrations élevées de glucose peuvent causer de graves dommages aux organes, tandis que de faibles concentrations peuvent entraîner une perte de conscience et une mort subite en raison d'une énergie insuffisante.

Autre part, les parois des cellules végétales sont principalement composées de glycanes et représentent la principale source de séquestration biologique du carbone de la planète, ou biomasse. Ils représentent une source durable largement inexploitée d'énergie non fossile.

Jusqu'à présent cependant, les glycanes n'ont pas bénéficié du même niveau d'attention scientifique que les acides nucléiques ou les protéines et une grande partie de leur gamme subtile de fonctions reste entourée de mystère. La raison en est que l'assortiment vertigineux de structures glycanes a, jusque récemment, été notoirement difficile à étudier.

Des gènes aux protéines

Une grande partie de la machinerie de la vie est bien comprise, du moins dans ses grandes lignes. Différents arrangements des 4 acides nucléiques dans l'ADN forment des gènes qui sont d'abord transcrits en ARN, puis traduit en protéines, selon un régime strict.

Les glycanes sont différents. Ils ne sont pas produits à partir de modèles comme l'ARN et les protéines, mais plutôt, sont assemblés à la volée selon les besoins en fonction de facteurs complexes de l'environnement dont le métabolisme cellulaire, type de cellule, stade de développement, disponibilité des nutriments et de nombreux autres indices. Des cellules spécialisées comme le nerf, les cellules de la peau ou des muscles ont leur propre complément unique de glycanes et les cellules malades présentent généralement des anomalies caractéristiques dans les glycanes qui les ornent. Pour produire cette richesse de diversité glycane, un grand nombre d'enzymes spécialisées sont mises en service.

Les glycanes se fixent généralement à des emplacements spécifiques sur les protéines, moduler leur activité biologique par reconnaissance moléculaire ou affecter leur temps de circulation dans le sang. La glycosylation - l'ajout de molécules de glycane - est l'un des mécanismes de régulation les plus importants affectant les protéines après qu'elles aient déjà été traduites à partir de l'ARN. De telles modifications post-traductionnelles autorisent un nombre assez modeste de gènes humains - seulement 25, 000 ou plus—pour générer l'étonnante complexité et diversité observées chez l'homme et à travers les populations humaines.

Cette nouvelle compréhension des protéines en tant qu'entités hautement dynamiques a révolutionné la biologie moderne, bien qu'il ait considérablement aggravé les complexités auxquelles les chercheurs sont confrontés. Le modèle ordonné de 1 gène générant 1 séquence d'ARN produisant une seule protéine de structure et de fonction connues a cédé la place à un monde de modifications subtiles et dynamiques des protéines, ayant des implications profondes pour la santé humaine et la maladie. L'étude des gycans formés de façon aberrante, par exemple, est désormais une nouvelle voie majeure de recherche sur le cancer.

Concevoir avec du sucre

Mais comment sont fabriqués les glycanes ? Le processus commence lorsque les sucres simples contenus dans les aliments, appelés monosaccharides, sont consommés. Ces monosaccharides se déplacent vers deux compartiments subcellulaires clés connus sous le nom de complexe de Golgi et de réticulum endoplasmique. Ces organites liés à la membrane agissent comme des usines pour l'assemblage par étapes de blocs de construction monosaccharidiques en complexes, structures glycanes ramifiées.

Les glycanes sont ensuite attachés à des protéines ou des lipides et délivrés à la membrane plasmique, revêtement des surfaces cellulaires avec ces molécules de sucre. Il a été estimé que 70 pour cent des protéines de surface cellulaire sont glycosylées et les chercheurs tentent toujours d'établir la fonction de toutes ces glycosylations.

Les applications de ces recherches peuvent inclure des techniques à base de glycane pour la détection précoce du cancer et d'autres maladies, et le développement de futurs vaccins et produits pharmaceutiques contre les maladies infectieuses basés sur une meilleure compréhension des interactions hôte-pathogène et de la réponse immunitaire. La création de nouveaux produits ou carburants composés de matières premières glucidiques peut également résulter des progrès de la glycobiologie.

Accès à la bibliothèque

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont réussi à produire la gamme complète d'enzymes de formation et de modification de glycanes responsables de la production de plus de 7 000 structures de glycanes de vertébrés. Pour y parvenir, l'étude a tenté de simplifier le processus, produire des versions d'enzymes dépouillées capables d'une expression efficace dans les cellules hôtes.

"Avec l'aide de Jason (Steele) et Josh (LaBaer), nous avons créé une stratégie de conception pour capturer ces régions de codage et les mettre dans un vecteur de maintien, " dit Moremen. " Alors, nous avons pu les insérer dans des cellules d'insectes ou de mammifères et tester leur capacité à s'exprimer dans ces systèmes. »

C'est une avancée importante. Les efforts précédents pour produire et exprimer des glycoenzymes dans des cellules bactériennes plus simples comme E. coli avaient en grande partie échoué. Pour gérer l'exploit dans des cellules eucaryotes plus complexes, comme celles des insectes et des mammifères, une modification considérable des gènes codant pour l'enzyme était nécessaire avant leur insertion dans des vecteurs spécialisés appelés cassettes. Ces cassettes codant pour les glycoenzymes ont ensuite été insérées dans des cellules d'insectes et de mammifères, où ils se sont exprimés.

Le groupe a produit une liste complète de 339 glycoenzymes responsables de la formation, modification et dégradation des glycanes, les ciblant pour l'expression des protéines. Bien que les résultats aient été concluants, expression de haut niveau de glycoenzymes dans les cellules d'insectes et de mammifères, les auteurs notent des différences distinctes dans les niveaux d'expression spécifiques dans chacun des deux systèmes modèles.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, materials science, and engineering.