Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

Het oppervlak van elke menselijke cel is bedekt met een dikke, suikerachtige laag, een moleculaire mantel die zowel als schild als ID-kaart fungeert. Deze coating, bekend als de glycocalyx, bestaat uit lange ketens van suikermoleculen die aan eiwitten en vetten zijn bevestigd. Onder deze suikers speelt een specifieke familie genaamd sialinezuur een cruciale rol in hoe cellen communiceren met hun omgeving, met name met het immuunsysteem. In gezonde mensen produceert het lichaam één hoofdtype sialinezuur, maar het heeft het vermogen verloren om een tweede, iets andere versie te maken die voorkomt bij de meeste andere zoogdieren. Deze ontbrekende versie is chemisch onderscheidend door slechts één zuurstofatoom, maar dat kleine verschil verandert de manier waarop het immuunsysteem de cel herkent. Omdat het menselijk lichaam deze tweede suiker niet van nature kan aanmaken, is de aanwezigheid ervan op een cel meestal een signaal dat de cel deze uit het dieet heeft gegeten, of dat in het geval van sommige kankers, op de een of andere manier een eeuwenoud genetisch pad heeft gereactiveerd om deze te produceren. Het begrijpen van hoe deze suikers veranderen op kankercellen is essentieel, omdat ze als een vermomming kunnen dienen, waardoor tumoren zich kunnen verbergen voor de afweer van het lichaam.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van York zette zich scharpe om dit fenomeen te onderzoeken met behulp van prostaatkankercellen als model. Ze wilden zien wat er zou gebeuren als ze deze kankercellen zouden dwingen om de ontbrekende suiker te produceren, wat in feite een herprogrammering van hun oppervlaktechemie zou betekenen. De wetenschappers introduceerden een gen van ratten, dat van nature het enzym produceert dat nodig is om deze specifieke suiker te creëren, in menselijke prostaatkankercellen die dit normaal gesproken niet kunnen. Door dit te doen, creëerden ze een laboratoriummodel waarin de kankercellen deze vreemde suiker op hun buitenste oppervlak begonnen te tonen. De onderzoekers besteedden vervolgens maanden aan het observeren van deze gemodificeerde cellen, waarbij ze volgden hoe de suiker verscheen, aan wat voor soort moleculaire ketens deze zich bevestigde en hoe lang deze op het oppervlak bleef. Ze ontdekten dat de suiker niet alleen op de cellen bleef die hem maakten; het verscheen ook op naburige cellen die helemaal niet waren gemodificeerd. Deze ontdekking suggereert een mechanisme waarbij een paar aangepaste cellen deze nieuwe chemische handtekening aan hun buren kunnen verspreiden, waardoor potentieel de gehele omgeving van een tumor verandert zonder dat elke cel zijn eigen DNA hoeft te veranderen.

De studie begon met een zorgvuldige selectie van het genetische instrument. De onderzoekers vergeleken de DNA-sequenties van het enzym van verschillende dieren, waaronder ratten en zebravisjes, om de beste kandidaat voor hun experiment te vinden. Ze gebruikten computermodellering om de driedimensionale vorm van deze enzymen te voorspellen, waarmee werd bevestigd dat, ondanks kleine verschillen in hun genetische code, de rat- en zebravisversies bijna identieke structuren vormen met een centrale holte die ontworft is om de suikervoorloper vast te houden. Wanneer ze de ratversie van het gen in de prostaatkankercellen plaatsten, begonnen de cellen succesvol de ontbrekende suiker te produceren. Om er zeker van te zijn dat de gedetecteerde suiker afkomstig was van de eigen nieuwe machinerie van de cellen en niet van het dierlijke serum dat vaak wordt gebruikt om cellen in het lab te voeden, schakelden de onderzoekers over naar een dieet bestaande uit uitsluitend menselijk serum, dat deze specifieke suiker mist.

Zodra de cellen de suiker produceerden, moest het team verifiëren waar precies de suiker op het celoppervlak terechtkwam. Ze behandelden de cellen met een breed spectrum enzym dat werkt als een moleculaire schaar, waarmee de uiteinden van de suikerketens worden afgeknipt. Deze behandeling verwijderde het signaal, wat bewees dat de suiker inderdaad aan de uiterste buitenkant van de cel zat, blootgesteld aan de omgeving. De onderzoekers gebruikten vervolgens specifieke chemische remmers om de productie van twee verschillende soorten suikerketens te blokkeren: die aan eiwitten verbonden zijn op een specifieke manier genaamd N-glycanen, en die op een andere manier verbonden zijn genaamd O-glycanen. Toen ze de O-glycaanroute blokkeerden, daalde de hoeveelheid van de nieuwe suiker op het celoppervlak aanzienlijk. Het blokkeren van de N-glycaanroute had echter geen effect. Dit resultaat gaf aan dat de herprogrammeerde cellen de nieuwe suiker primair aan O-gelinkte ketens hechtten, die vaak voorkomen op mucines, de dikke, beschermende slijmachtige eiwitten die veel weefsels bekleden.

Om een gedetailleerder beeld te krijgen, braken de wetenschappers de cellen af en analyseerden de specifieke suiker-eiwitcombinaties met behulp van een zeer gevoelige massaspectrometer. Ze identificeerden duizenden eiwitten en brachten in kaart waar de suikers aan bevestigd waren. In de ongewijzigde cellen vonden ze alleen de standaard menselijke suiker. In de gemodificeerde cellen vonden ze de nieuwe suiker bevestigd aan verschillende eiwitten, voornamelijk aan de O-gelinkte ketens. De analyse mistte echter enkele van de meest zwaar gesuikerde eiwitten, de zogenaamde mucines, waarschijnlijk omdat de standaardmethode die werd gebruikt om de eiwitten af te breken niet voorzichtig genoeg was om met deze kleverige, complexe moleculen om te gaan. Om te bevestigen dat deze mucines inderdaad de belangrijkste dragers van de nieuwe suiker waren, gebruikten de onderzoekers een gespecialiseerd enzym dat specifiek gericht is op het doorknippen van mucines. Toen ze dit enzym toepasten, kelderde de hoeveelheid van de nieuwe suiker op het celoppervlak, wat bevestigde dat de suiker grotendeels verborgen zat op deze mucine-rijke structuren.

De meest verrassende bevinding kwam naar voren toen de onderzoekers de gemodificeerde cellen mengden met ongewijzigde cellen. Ze labelden de ongewijzigde cellen met een rode kleurstof en plaatsten ze in een schaal met de suikerproducerende cellen. Na een paar dagen controleerden ze de rode cellen en stelden vast dat ook zij de nieuwe suiker op hun oppervlak hadden verkregen. De suiker was op de een of andere manier van de gemodificeerde cellen naar de ongewijzigde cellen verplaatst. De onderzoekers stellen voor dat de gemodificeerde cellen de suiker-gecoat moleculen afstoten in de omringende vloeistof, mogelijk door de werking van natuurlijke enzymen die suikerketens inkorten. De naburige cellen absorberen deze moleculen vervolgens, recyclen de suiker en bevestigen deze aan hun eigen oppervlak. Dit creëert een "bystander-effect", waarbij de aanwezigheid van een paar gemodificeerde cellen de chemische identiteit van hun buren kan veranderen.

Deze ontdekking daagt het idee uit dat de oppervlaktechemie van een tumor uitsluitend wordt bepaald door de genetische opmaak van elke individuele cel. In plaats daarvan suggereert het dat de omgeving zelf de cellen binnen die omgeving kan hervormen. Als een kleine groep kankercellen begint met het produceren van deze vreemde suiker, kunnen ze dit kenmerk potentieel verspreiden naar de rest van de tumor, waardoor een uniform schild ontstaat dat de gehele massa helpt om de immuunrespons te ontwijken. De onderzoekers merkten op dat dit mechanisme kan verklaren waarom sommige tumoren hoge niveaus van deze suiker vertonen, zelfs als niet elke cel de genetische mutatie bezit om deze te produceren. Hoewel de studie in een laboratoriumsetting werd uitgevoerd en nog niet bewijst dat dit bij menselijke patiënten gebeurt, biedt het een duidelijk mechanisme voor hoe een dergelijke verspreiding zou kunnen plaatsvinden. Het werk benadrukt de dynamische aard van het kankerceloppervlak, en laat zien dat het geen statisch kenmerk is, maar een fluïde systeem dat in staat is om zowel invloed uit te oefenen op als beïnvloed te worden door zijn buren. Door te begrijpen hoe deze suikers bewegen en veranderen, kunnen wetenschappers uiteindelijk nieuwe manieren vinden om de beschermende schilden die tumoren bouwen om te overleven, te verstoren.