Naphthoxylosides – Probing the β4GalT7 active site

Abstract

Proteoglycans (PGs) is a class of highly anionic macromolecules that consist of one or more linear polysaccharide chains (glycosaminoglycans, GAGs) covalently attached to a core protein. The biological functions of PGs are mainly due to the interactions of GAG chains with various protein ligands and regulatory factors, such as cytokines and growth factors. PGs and GAGs are critical for a diverse set of biological processes, such as cell growth, cell attachment, cell-cell interactions, and cell differentiation. PG and GAG also play important roles in various stages of cancer.

The biosynthesis of GAG chains is initiated by xylosylation of a serine residue in the core protein. The xylosylated protein is then stepwise galactosylated by two galactosyl transferases, and glucuronated to form a linker tetrasaccharide, which later on is elongated to form a GAG chain. However, the biosynthesis can also be initiated by exogenously added xylosides with hydrophobic aglycones, such as naphthoxylosides, which can act as acceptors in the first galactosylation step (i.e. for xylosylprotein β-1,4-galactosyltransferase, polypeptide 7 (β4GalT7)). In order to determine the structural requirements of β4GalT7, and the importance for GAG synthesis, we have synthesized a number of naphthoxyloside analogs. We have further set up an assay for monitoring the galactosylation of naphthoxyloside analogs by β4GalT7.

We conclude that the acceptor binding site of β4GalT7 is a shallow pocket, which encloses the sugar moiety, and all of the xylose hydroxyl groups are suggested to take part in hydrogen bonds necessary for efficient galactosylation. Hence, we propose that xylose is the optimal acceptor sugar for β4GalT7. However, we found that some of the naphthoxyloside analogs with modifications in the sugar residue inhibited galactosylation by β4GalT7. Furthermore, the aglycone part of acceptor substrates of β4GalT7 is found to extend out to the surface of the enzyme, which makes the enzyme more tolerant to modifications of the aglycone than of the sugar residue.

Some of the naphthoxyloside analogs have also been investigated for their ability to prime GAG chains in cells, and we found that it was possible to transfer the results from the β4GalT7 experiments to cell studies. Thus, the β4GalT7 assay will be an important tool in future studies of GAG biosynthesis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Våra kroppar är uppbyggda av celler. Dessa celler har olika funktioner beroende på var i kroppen de finns. Varje cell tar upp näring, omvandlar den till energi, och energin används för att cellen ska kunna fortleva och utöva specialiserade funktioner samt eventuellt reproducera sig.

Kolhydrater är viktiga beståndsdelar i celler. De flesta av oss förknippar kolhydrater med mat och energi. Livsmedelsverket rekommenderar att ungefär hälften av den energi vi får i oss med maten bör komma från kolhydrater, och under normala förhållanden är kolhydrater den viktigaste energikällan för celler. Kolhydraterna bryts ner till mindre beståndsdelar och cellerna utvinner energi. Om energin inte omedelbart behövs kan cellerna lagra den i form av glykogen. Kolhydrater har även många andra viktiga funktioner i och utanför celler. Bland annat utgör kolhydrater en viktig beståndsdel i DNA, arvsmassan, som finns inne i cellkärnan och innehåller information om hur kroppen ska byggas upp och fungera.

På utsidan av celler finns ett lager av kolhydrater som är bundna till proteiner eller lipider i cellmembranet. Utöver att skydda cellmembranet, är dessa kolhydrater viktiga för att celler ska kunna känna igen varandra. Virus kan även använda kolhydrater på cellytor för att känna igen celler som är lämpliga att invadera.

Runt omkring nästan alla celler finns ett nätverk av kolhydrater och proteiner som kallas för extracellulär matrix. Det ger vävnaden stadga och är viktigt för cellers mobilitet samt som signalsystem. En viktig beståndsdel i den extracellulära matrixen är proteoglykaner, vilka består av långa kolhydratkedjor som kallas glykosaminoglykaner (GAG), som är bundna till protein. Proteoglykanernas funktioner är till stor del baserade på att de långa GAG kedjorna kan binda till olika molekyler, t.ex. till tillväxtfaktorer och andra signalsubstanser, och skydda dem från nedbrytning tills de ska användas. Därmed är proteoglykaner och GAG viktiga för en rad cellulära processer, såsom tillväxt och celldifferentiering. Proteoglykaner och GAG har även visat sig påverka olika delar av utvecklingen av cancer, som är ett samlingsnamn för en rad olika sjukdomar som kännetecknas av okontrollerad celltillväxt, t.ex. genom spridning av cancerceller till andra organ.

Proteoglykanerna bildas inne i cellerna och exporteras sedan till cellytan eller till den extracellulära matrixen. GAG-kedjorna sitter kopplade till proteinet via kolhydraten xylos, även kallad träsocker. Det har tidigare visats att när xylos är kopplat till olika feta strukturer så kan dessa ta sig in i celler och fungera som en startpunkt för bildning av GAG-kedjor, som då bildas utan att vara bundet till protein, i det maskineri i celler som vanligtvis syntetiserar proteoglykaner.

I den här avhandlingen har vi arbetat med så kallade naftoxylosider, vilka består av xylos kopplat till feta naftalen-baserade strukturer. Dessa kan initiera bildning av GAG-kedjor i celler. Det har tidigare visats att en viss typ av naftoxylosid selektivt hämmar tillväxten av cancerceller, men exakt hur det sker är inte utrett. För att öka förståelsen kring naftoxylosid-initierad GAG-syntes har vi framställt ett antal naftoxylosid-analoger och undersökt hur strukturerna påverkar bildandet av GAG-kedjor i celler. Vi har även utvecklat en metod för att studera ett enzym (β4GalT7) som påskyndar kopplingen av galaktos till xylos i den tidiga delen av biosyntesen av GAG-kedjor. Vi fann att huruvida en viss naftoxylosid initierar bildning av GAG-kedjor i celler eller ej är beroende av om de passar som substrat i β4GalT7. För att passa som substrat i β4GalT7 kan väldigt få förändringar göras på xylos-delen av naftoxylosider, och ingen av de analoger vi testat var i närheten så bra substrat för β4GalT7 som den med oförändrad xylos. Vi fann dock att en del av analogerna kunde hindra enzymet från att galaktosylera andra molekyler och därmed fungera som inhibitorer. Vi har även undersökt ett antal analoger modifierade i naftalen-delen av naftoxylosider, och fann då att betydligt större variation accepterades av β4GalT7, jämfört med förändringar i xylos-delen.

Resultaten i den här avhandlingen bidrar primärt till förståelsen av hur proteoglykaner och GAG-kedjor bildas i celler. I förlängningen kan den ökade kunskapen bidra till utvecklingen av nya läkemedel mot cancer och andra sjukdomar relaterade till proteoglykaner och GAG-kedjor i kroppen.

• author: Siegbahn, Anna
• supervisor: Ulf Ellervik
• opponent: Sandström, Anja, Uppsala University
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Sciences
• pages: 203 pages
• defense location: K:B, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2014-12-18 09:30:00
• ISBN: 978-91-7422-379-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a4f996ed-bef2-4e87-9749-f29ce160c7b2 (old id 4812797)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:19:03
• date last changed: 2018-11-21 21:04:02