Glykobiologie – Die „Dunkle Materie“ der Biowissenschaften

Wie Proteine und Nukleinsäuren sind Zucker und Lipide essentielle Makromoleküle, die biologische Strukturen bilden und physiologische Funktionen vervollständigen. Im Vergleich zu Proteinen und Nukleinsäuren sind die Strukturen von Zuckern und Lipiden jedoch schwer zu analysieren und gehören zur „Dunkelmaterie“ in Zellen. Die Glykobiologie gilt in der Biowissenschaftsbranche als große Herausforderung (Abbildung 1). Zucker ist lebensnotwendig: Zuckermoleküle, dargestellt durch Glucose, sind eine der Hauptenergiequellen für den Zellstoffwechsel. Zellwände in Pflanzen bestehen aus Zellulose, und die Glykosylierung ist auch eine der wichtigen Formen posttranslationaler Modifikationen (PTM), die die funktionelle Vielfalt von Proteinen erheblich erweitern können. Glykosylierte Proteine sind an vielen Lebensprozessen beteiligt, wie z. B. Signalisierung, Immunantwort und Zelldifferenzierung. Die stereochemische Komplexität von Glykanmolekülen behindert jedoch die systematische Untersuchung von Glykanmolekülen, und der Mangel an Informationen über die Glykanstruktur schränkt das Verständnis der Funktion biomolekularer Gruppen stark ein.

Am 28. März 2024 veröffentlichte die Forschungsgruppe von Ning Yan/Chuangye Yan/Junmin Pan den Titel „Strukturgeleitete Entdeckung von Protein- und Glykankomponenten in natürlichen Faserzotten“ online in der Zeitschrift Cell in native mastigonemes, in der die Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur von Mastigonem, das aus den Zilien von Chlamydomonas rhineae isoliert wurde, mit einer Auflösung von 3,0 A beschrieben wurde. Die Zotten sind eine schlanke Struktur, die sich von der Zilienmembran nach außen erstreckt. Es wurde festgestellt, dass der Hauptkörper der Zotten eine superhelikale Faserstruktur bildete und jede vollständige Helix aus vier Paaren antiparalleler Mastigonem-ähnlicher Proteine 1 (Mst1) bestand.

In dieser Studie verwendete das Forschungsteam Methoden der Biophysik, Zellbiologie und Bioinformatik, um das molekulare Prinzip der Glykanmoleküle zu erklären, die am Aufbau biomakromolekularer Architekturen beteiligt sind. Pflanzen und Algen verfügen bekanntermaßen über eine einzigartige Form der Hypo-O-Glykosylierung, bei der das Glykanmodul hauptsächlich aus Arabinose und einer kleinen Menge Galaktose besteht. Diese hypho-abhängige Form der Glykosylierung ist die Grundlage für die normalen Lebensaktivitäten von Pflanzen und Algen.