Reading a glycocode - mechanism and function of galectin-glycan interactions

Abstract

There is an intensive interest in characterising the structure and function of galectins, which is not surprising given their many important cellular functions and strong implications in human disease. Understanding the mechanisms involved in galectin functions will help to find selective and novel strategies for disease treatment and diagnosis. A key to this lies in their carbohydrate binding specificity and the multivalent effects taking place on a cell surface in their presence. The aim of this thesis was to deepen our understanding of galectin recognition and correlate it to biological function.

In paper I we altered the fine specificity of galectin-3 using site directed mutagenesis, and evaluated the effect of this in two biological systems: the ability of extracellular galectin-3 to activate neutrophil leucocytes and intracellular galectin-3 to direct intracellular targeting. A clear correlation was found between fine specificity, as measured with glycan array and fluorescence anisotropy, and biological activity. The most striking effect was the total loss of affinity for the galectin-3 preferred ligand LacNAc when substituting Arg186 to Ser or Ile; these mutants were incompetent in binding and activating neutrophils, and did not enter intracellular vesicles. Galectin-1 does not have the same multifaceted binding specificity as galectin-3. However, its ability to cross-link cell surface receptors has been shown to be of great importance for biological function. In paper II, we therefore analysed the role of galectin-1 dimerisation in high affinity ligand binding using a mutant with strongly reduced ability to form dimers. Surprisingly, high affinity binding of small synthetic divalent ligands as well as multivalent ligands, such as asialofetuin and serum glycoproteins, did not depend much on the dimeric state of galectin-1, but was instead mainly due to added weak interactions within the same carbohydrate recognition domain. In paper III, we studied the modulating effect of the synthetic anti-angiogenic peptide anginex that has been shown to interact with galectin-1, and found that it greatly enhanced the affinity of galectin-1 for various glycoproteins. This raises the question if there is a natural counterpart to anginex in vivo.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Våra celler är täckta av kolhydrater (socker) som är kopplade till proteiner och lipider på cellens yta. Olika celler presenterar olika socker, och en och samma cell kan dessutom ändra sitt sockeruttryck beroende på hur den mår och vad den vill utföra, till exempel dela sig eller dö, en effekt man ofta ser i cancer. På så sätt fungerar sockerstrukturerna som en kod som cellen använder för att kommunicera med sin omgivning. Dessutom använder sig många bakterier och virus, till exempel influensaviruset, av cellytans socker för att ta sig in i celler och orsaka sjukdom.

Hos människan finns flera tusen olika sockerstrukturer, och för att koden som dessa skriver ska resultera i handling, måste den läsas av. Denna uppgift sköts bland annat av sockerbindande proteiner (lektiner), varav galektinerna är en intressant familj. Galektinfamiljen har 15 medlemmar (galektin-1 ¬till -15) som finns mer eller mindre utspridda i kroppen. Genom att läsa den sockerkod som en cell presenterar deltar galektiner i många av cellens grundläggande funktioner så som tillväxt, död och vidhäftning. De kan ha olika funktion i olika celler, och funktionen är ofta helt beroende av vilka socker som cellen presenterar. Galektiner har dessutom visat sig ha en stark koppling till inflammation och cancer, och det finns därför ett väldigt stort intresse för att klarlägga deras struktur och funktion. Denna avhandling fokuserar på just detta, nämligen hur galektiners struktur och sockeravläsande specificitet påverkar deras biologiska funktion.

Galektin-3 är ett av de mest välstuderade galektinerna, och har visat sig binda förvånansvärt många olika sockerstrukturer. Vi ville studera hur denna breda bindningsspecificitet är kopplad till proteinets biologiska funktion (arbete 1). Genom att mutera proteinet (ändra dess struktur) kunde vi göra så att galektin-3 band bättre eller sämre till vissa sockerstrukturer, samtidigt som det behöll bindningen till andra. Vi kunde till och med helt ta bort bindningen till LacNAc, den struktur som galektin-3 binder helst och som är väldigt vanligt förekommande på cellytor. En välstuderad effekt av galektin-3 är dess förmåga att aktivera neutrofiler, vilka fungerar som kroppens försvarsceller vid till exempel en bakterieinfektion. För att undersöka hur den ändrade bindningsspecificiteten hos mutanterna påverkade galektins-3s biologiska funktion använde vi därför förmågan att aktivera neutrofiler som ett modellsystem. Vissa mutanter hade helt tappat denna förmåga, medan andra hade en ökad förmåga att göra samma sak. Med hjälp av mutanterna kunde vi således öka vår förståelse för vilka aspekter av galektin-3s breda bindningspecificitet som var viktiga för denna funktion. Vi jämförde också mutanternas lokalisation i cancerceller, och kunde även här visa att bindningsspecificiteten var viktig.

Galektiner binder många socker med relativt låg bindningsstyrka (affinitet). Naturen har löst detta genom att sätta på flera sockermolekyler på en och samma ligand (bindningspartner), vilket ökar den totala bindningsstyrkan. Detta kräver dock att även det bindande proteinet har mer än en bindningsdomän. Galektin-1 har förmågan att bilda en så kallad dimer, vilket innebär att den sätter ihop två bindningsdomäner och därmed kan binda två ligander samtidigt. Denna egenskap har visat sig viktig för många av dess biologiska funktioner. För att studera detta i detalj använde vi oss av en mutant som inte bildar sådana dimerer och undersökte hur detta påverkade bindningen till olika ligander innehållande flera sockermolekyler som galektinet kan binda, till exempel proteiner som finns i blod (arbete 2). Vi fann att den dimera formen av galektin-1 inte krävdes för att åstadkomma stark bindning. Förmågan att bilda dimerer är troligtvis snarare till för att binda ihop olika ligander på cellytan till nätverk och på så sätt koncentrera specifika ligander i områden som kan fungera som en plattform för att skicka signaler in i cellen.

Tumörceller tillväxer ohämmat och kräver ständig tillgång till näringsämnen. De har därför skaffat sig förmågan att skapa nya blodkärl i sin omgivning. Anginex är en liten peptid som har visat sig hindra denna nybildning av blodkärl genom att samspela med galektin-1. I arbete 3, studerade vi hur detta samspel går till på molekylär nivå. Eftersom galektin-1 ökar blodkärlsbildningen trodde vi att anginex skulle hindra galektin-1s bindning till socker, men till vår stora förvåning visade det sig vara precis tvärtom. Vi fann att tillsammans med anginex band galektin-1 flera tusen gånger bättre till vissa ligander. Så hög bindningsstyrka som vi fann här med anginex, har aldrig tidigare rapporterats för en monovalent interaktion (när en bindningdomän binder en ligand) mellan ett galektin och en ligand. Att en konstgjord peptid kan ha så dramatiska effekter på sockerbindningen väcker frågan om det finns en naturlig motsvarighet.

Galektiner är inblandade i många allvarliga sjukdomstillstånd så som cancer och autoimmuna sjukdomar d.v.s. när immunförsvaret angriper kroppens friska vävnad. Intresset för att förstå hur galektiner fungerar är därför väldigt stort. I denna avhandling presenterar vi data som ökar vår kunskap om hur strukturen hos proteinet är kopplad till dess biologiska funktion, vilket i sin tur ökar vår förståelse för deras roll i cancer och inflammation. Kunskap som denna kan vara avgörande för utvecklingen av nya läkemedel mot dessa sjukdomar.

• author: Salomonsson, Emma
• supervisor: Hakon Leffler; Urban Gullberg; Ulf Nilsson
• opponent: Clausen, Henrik, Copenhagen Center for Glycomics, Department of Cellular and Molecular Medicine, University of Copenhagen, Denmark
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area; Immunology in the medical area
• keywords: galectin, specificity, affinity, multivalency, fluorescence anisotropy, glycan array, serum glycoproteins, anginex
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:30
• pages: 150 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC Neurocentrum, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2011-04-15 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-78-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 22bd04e9-9201-4069-96c5-180d9d96f693 (old id 1857459)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:52:11
• date last changed: 2023-04-18 20:49:16