Name: metabolic glycoengineering of sialic acid using n-acyl-modified mannosamines
Uploaded: 2017-11-25T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Metabolic Glycoengineering of Sialic Acid Using N-acyl-modified Mannosamines at JoVE.com

Wij danken L. D. Nguyen voor proeflezen van het manuscript en voor de vruchtbare discussies. Bovendien, we danken J. Dernedde en H. G. Nguyen voor uw hulp bij het voorbereiden van de video-shoot. De meeste scènes van de video werden doodgeschoten in de laboratoria van R. Tauber. Wij danken ook het Max-Planck-Instituut voor de Kolloïden en grensvlakken en voor ons gratis toegang te geven tot hun massaspectrometrie faciliteit. RH werd gesteund door de DFG (ProMoAge).

1. bereiding van Buffers en reagentia
<ol><li>
Bereiding van 3 mM natrium methoxide oplossing
	<ol>
<li>Ontbinden 8.1 mg natrium methoxide in 50 mL methanol (3 mM) in een 100 mL glazen fles met een roer-bar. Bewaren bij kamertemperatuur (RT) voor meerdere weken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Voorbereiding van Tris-HCl buffer
	<ol>
<li>Combineren van 8.766 g NaCl, 157 mg Tris-HCl en 146 mg EDTA in een 100 mL glazen fles met een roer-bar en los op in 80 mL water.</li>
		<li>Natriumhydroxide-op...

Als het chemisch gesynthetiseerde derivaten van ManNAc, ManNProp en ManNBut worden geanalyseerd via massaspectrometrie, moet alleen de juiste massa piek voor beide specimens worden geïdentificeerd. Daarom kunnen de producten worden geacht te hebben een zuiverheid van meer dan 99%. Kleine hoeveelheden van Neu5Gc, die normaal gesproken niet wordt gevonden in menselijke cellen29, zijn in de fracties van de membraan van de lysed cellen aangetroffen. Dit gebeurt meest waarschijnlijk door een bergings-...

Sialic acid is een monosacharide die meestal op de niet-reducerende termini van glycoconjugates, zoals N- en O- glycanen of Glycolipiden gevonden kan worden. Onder alle monosacchariden heeft sialic zuur enkele unieke chemische kenmerken. Het heeft een 9 C-atoom ruggengraat, een carboxylic groep in de positie van de C-1, die gedeprotoneerde en daardoor negatief geladen onder fysiologische omstandigheden en een amino-functie in de C-5 positie. Hoewel meer dan 50 natuurlijk voorkomende varianten van sialic zuur op datum1 gekenmerkt, is de overheersende vorm van sialic zuur gevonden bij de mens N- acetylneuraminic zuur (Neu5Ac). Andere zoogdieren express ook hogere hoeveelheden N- glycolylneuraminic zuur (Neu5Gc)2,3.
Als gevolg van de blootgestelde positie in glycoconjugates, is sialic acid betrokken bij een overvloed van receptor-ligand interacties, bijvoorbeeld de binding hemagglutinine afhankelijk van het influenza-virus gastheer cellen4. Een epitoop sialic zuur met belangrijke biologische functies, vooral tijdens de embryogenese en in het zenuwstelsel, is polysialic zuur. Polysialic acid is een polymeer van maximaal 200 Alfa 2,8-linked sialic zuren. De grote eiwit drager van polysialic zuur is het neurale cel adhesie molecuul (NCAM). Polysialic zuur expressie moduleert de zelfklevende eigenschap van de NCAM in die polysialic zuur expressie de hechting vermindert en plasticiteit met het zenuwstelsel5verhoogt.
Wijzigingen in de expressie van (poly) sialic zuur zal uiteindelijk invloed op een veelheid van verschillende biologische interacties. Dit kan worden gebruikt om de afhankelijke processen van de bekende sialic zuur op een moleculair niveau, om nieuwe glycoconjugate interacties te ontdekken, of mogelijke therapeutische benaderingen te verkennen te bestuderen. Er zijn verschillende methoden beschikbaar waaraan de expressie van sialic zuur op het celoppervlak kan worden gedifferentieerd, bijvoorbeeld behandeling met sialic zuur specifieke glycosidases (sialidases), inhibitie van enzymen die betrokken zijn bij de biosynthese van sialic zuur6 ,7,8, neerhalend of wijzigen van de uitdrukking van het sleutelenzym van sialic zuur biosynthese9.
Een ander veelzijdige methode om het moduleren van sialic zuur expressie is MGE (ook bekend als metabole oligosaccharide engineering, MOE). Hierin, worden cellen, weefsels, of zelfs dieren behandeld met niet-natuurlijke derivaten van ManNAc die C2-amino wijzigingen dragen. Als voorloper moleculen voor sialic zuur, na cellulaire opname, deze ManNAc-analogen zijn unidirectionele verloederde aan niet-natuurlijke sialic zuren en kunnen worden uitgedrukt op sialylated glycoconjugates. Cellen behandeld met ManNAc derivaten uitvoering alifatische C2-wijzigingen, zoals ManNProp of ManNBut, nemen N- propionylneuraminic zuur (Neu5Prop) of N- butanoylneuraminic zuur (Neu5But) in hun glycoconjugates-10 , 11. met behulp van functionele groepen ingevoerd om de C2-positie van de ManNAc, de voorkomende niet-natuurlijke sialic zuren kan worden gekoppeld, bijvoorbeeld via de Staudinger-afbinding of de azide basen cycloadditie, met fluorescente kleurstoffen en daarom gevisualiseerd op de cel-oppervlakte12.
De uitdrukking van deze niet-natuurlijke sialic zuren intrigerende gevolgen heeft voor vele biologische processen, met inbegrip van pathogenen infecties, de hechting en de migratie van tumorcellen, algemene cel adhesie, evenals vascularisatie en differentiatie (voor revisie Zie: Wratil et al. 13). interessant, MGE met N-acyl bewerkt mannosamines kan ook worden gebruikt om zich te mengen met de expressie polysialic zuur. Polysialic zuur wordt gegenereerd door twee verschillende polysialyltransferases (ST8SiaII en ST8SiaIV). Is gebleken, dat polysialyltransferase ST8SiaII wordt geremd door onnatuurlijke sialic zuur precursoren, zoals ManNProp of ManNBut14,15. Bovendien is gebleken in menselijke neuroblastoma cellen dat ManNProp of ManNBut toepassing ook sialylation in totaal15 vermindert.
MGE met N-acyl gewijzigd mannosamines is een eenvoudige methode die met succes is uitgevoerd, niet alleen in het zoogdier- en cultuur van de cel van de bacteriën maar ook in hele dieren van verschillende soorten, zoals Caenorhabditis elegans16, toe te passen zebravis17, of muizen18,19,20,21. Vooral ManNAc derivaten alifatische wijzigingen, met inbegrip van ManNProp en ManNBut, rekening houdend met zijn verwaarloosbaar cytotoxisch zijn, zelfs in millimolar concentraties in de cel kweekmedium of bloed plasma. Bovendien, ze zijn relatief makkelijk te synthetiseren.
Hier, we leveren details over het gebruik van MGE met N-acetyl mannosamines bewerkt. Ten eerste, de chemische synthese van twee van de meest gebruikte ManNAc derivaten op dit gebied, ManNProp en ManNBut, wordt uitgelegd. Vervolgens laten we zien hoe MGE kan worden toegepast in een experiment in vivo . Als voorbeeld, de neuroblastoom cellijn Kelly werd gekozen om aan te tonen van verminderde expressie van het polysialic-epitoop door Western blot na behandeling met de ManNAc-derivaten. De niet-natuurlijke sialic zuren op het celoppervlak werden gekwantificeerd door HPLC en verder geanalyseerd via massaspectrometrie.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cells</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>92110411</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI medium</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>R8758</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>75 ml tissue culture flasks</td>
			<td>Greiner</td>
			<td>690175</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>48-well plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3548</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FCS</td>
			<td>PAA</td>
			<td>A15-102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pen/Strep</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15140-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsine</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15400-054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA</td>
			<td>Roth</td>
			<td>X986.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris</td>
			<td>Serva</td>
			<td>37190.03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SDS</td>
			<td>Roth</td>
			<td>2326.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SDS-PAGE equipment (tanks, glassware etc., machine</td>
			<td>VWR</td>
			<td>SDS Gel/Blot</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylamide</td>
			<td>Roth</td>
			<td>3019.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protein ladder</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>267620</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrocellulose</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>10600002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ponceau red</td>
			<td>Roth</td>
			<td>5938.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Milk powder</td>
			<td>Roth</td>
			<td>T145.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECL</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>WBLUF 0500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5 ml Centrifugal Filter Unit with 3 kDa membrane</td>
			<td>Merck-Millipore</td>
			<td>UFC500324</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 mL centrifuge tubes</td>
			<td>Sigma-Aldrich (Corning)</td>
			<td>CLS430791-500EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Mercaptoethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M6250-10ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>34965-1L</td>
			<td>HPLC gradient grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4,5-Methylenedioxy-1,2-phenylenediamine dihydrochloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D4784-50MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>48 well, flat bottom tissue culture plate</td>
			<td>Sigma-Aldrich (Corning)</td>
			<td>CLS3548-100EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL centrifuge tubes</td>
			<td>Sigma-Aldrich (Corning)</td>
			<td>CLS430829-500EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetonitrile</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>34967-1L</td>
			<td>HPLC gradient grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aprotinin from bovine lung</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A1153-10MG</td>
			<td>lyophilized powder, 3-8 TIU/mg solid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butyryl chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>109614-250G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C18 RP column</td>
			<td>Phenomenex</td>
			<td>00F-4435-E0</td>
			<td>110 &#197;, 3 &#181;m particle size, 4.6 x 150 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-Mannosamine hydrochloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M4670-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco`s Phosphate Buffered Salt Solution</td>
			<td>PAN Biotech</td>
			<td>P04-36500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylenediaminetetraacetic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>E9884-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>56302-50ML-GL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H1758-100ML</td>
			<td>36.5-38.0%, in water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leupeptin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>L2884-10MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Carl-Roth</td>
			<td>T169.2</td>
			<td>HPLC gradient grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Acetyl-D-mannosamine</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A8176-250MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Acetylneuraminic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A0812-25MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Glycolylneuraminic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G9793-10MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenylmethanesulfonyl fluoride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P7626-250MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propionyl chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P51559-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safe-Lock Tubes, 1.5 mL, amber (light protection)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>30120191</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safe-Lock Tubes, 1.5 mL, colorless</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>30120086</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium bisulfite solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>13438-1L-R-D</td>
			<td>40%, in water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>746398-500G-D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>795429-500G-D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>319511-500ML</td>
			<td>1.0 M, in water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium methoxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>164992-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trifluoroacetic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T6508-100ML-D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris hydrochloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T5941-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin 0.25 %/EDTA 0.02 % in PBS</td>
			<td>PAN Biotech</td>
			<td>P10-019100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water</td>
			<td>Carl-Roth</td>
			<td>T905.1</td>
			<td>HPLC gradient grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silica Gel 60</td>
			<td>Carl-Roth</td>
			<td>9779.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HPLC</td>
			<td>Shimadzu</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

metabolic glycoengineering of sialic acid using n-acyl-modified mannosamines

Sialic acid (Sia) is een zeer belangrijke constituent van glycoconjugates, zoals N- en O- glycanen of Glycolipiden. Als gevolg van zijn positie op de niet-reducerende termini van oligo - en polysacchariden, alsmede haar unieke chemische kenmerken, is sialic acid betrokken in een veelheid van verschillende receptor-ligand interacties. Door aanpassing van de expressie van sialic zuur op het celoppervlak, zal bijgevolg sialic acid-afhankelijke interacties worden beïnvloed. Dit kan nuttig zijn voor het onderzoeken van sialic zuur-afhankelijke interacties en heeft de potentie om bepaalde ziekten op een positieve manier beïnvloeden. Via metabolische glycoengineering (MGE), kan de uitdrukking van sialic zuur op het celoppervlak worden gedifferentieerd. Hierin, worden cellen, weefsels, of zelfs hele dieren behandeld met C2 gemodificeerde derivaten van N- acetylmannosamine (ManNAc). Deze amino suikers worden fungeren als sialic zuur voorloper moleculen gemetaboliseerd tot de overeenkomstige sialic acid-soorten en uitgedrukt op glycoconjugates. Toepassing van deze methode produceert intrigerende effecten op verschillende biologische processen. Bijvoorbeeld, het kan drastisch verminderen de expressie van polysialic zuur (polySia) in behandelde neuronale cellen en beïnvloedt daarmee neuronale groei en differentiatie. Hier, laten we de chemische synthese van twee van de meest voorkomende C2 gemodificeerde N- acylmannosamine-derivaten, N- propionylmannosamine (ManNProp) en N- butanoylmannosamine (ManNBut), en verder laten zien hoe deze niet-natuurlijke amino suikers kunnen worden toegepast in cel cultuur experimenten. De expressie van gemodificeerde sialic zuur soorten is gekwantificeerd door hoge prestatie vloeibare chromatografie (HPLC) en verder geanalyseerd via massaspectrometrie. De gevolgen voor de polysialic zure expressie zijn toegelicht via westelijke vlek met behulp van een commercieel verkrijgbare polysialic zuur antilichaam.

HPLC chromatogrammen van de fluorescentie die het label van de Neu5Ac en de Neu5Gc-normen zijn afgebeeld in Figuur 2. Met behulp van de hierin beschreven methode, GC DMB-label Neu5Gc meestal tussen 7-9 min elutie tijd en DMB-Neu5Ac tussen 10-12 min. Diverse kleinere toppen in het chromatogram staan meestal tussen 2-6 min. Deze pieken vertegenwoordigen spoorverontreiniging DMB en reactie tussenproducten25.
<p class="jove_content" fo...

Watch this Scientific Journal Video about Metabolic Glycoengineering of Sialic Acid Using N-acyl-modified Mannosamines at JoVE.com

Metabolic Glycoengineering of Sialic Acid Using N-acyl-modified Mannosamines

Sialic acid is een typische monosaccharide-eenheid gevonden in glycoconjugates. Het is betrokken bij een overvloed van moleculaire en cellulaire interacties. Hier presenteren we een methode als u wilt wijzigen van cel oppervlakte sialic zuur expressie metabole glycoengineering met N- acetylmannosamine derivaten.

Metabole Glycoengineering van Sialic zuur met N-acyl-gewijzigd Mannosamines

Sialic acid (Sia) is a highly important constituent of glycoconjugates, such as N- and O-glycans or glycolipids. Due to its position at the non-reducing ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Metabolic Glycoengineering of Sialic Acid Using N-acyl-modified Mannosamines

Micropatterned Surfaces to Study Hyaluronic Acid Interactions with Cancer Cells

Micropatterned Oppervlakken aan hyaluronzuur Interacties met kanker cellen te bestuderen

Cancer invasion and progression involves a motile cell phenotype, which is under complex regulation by growth factors/cytokines and extracellular matrix ...

FIBS-enabled Noninvasive Metabolic Profiling

FIBS-enabled Noninvasive metabole

In the era of computational biology, new high throughput experimental systems are necessary in order to populate and refine models so that they can be ...

Real Time Monitoring of Intracellular Bile Acid Dynamics Using a Genetically Encoded FRET-based Bile Acid Sensor

Real-time monitoring van de intracellulaire Bile Acid Dynamics Met behulp van een genetisch gecodeerde FRET-gebaseerde Bile Acid Sensor

F&#246;rster Resonance Energy Transfer (FRET) has become a powerful tool for monitoring protein folding, interaction and localization in single cells. ...

A Facile and Eco-friendly Route to Fabricate Poly(Lactic Acid) Scaffolds with Graded Pore Size

A Facile and Eco-friendly Route to Fabricate PolyLactic Acid Scaffolds with Graded Pore Size

Een Facile en Eco-vriendelijke Route naar Poly (melkzuur) Steigers met Graded Pore Size Fabriceer

Over the recent years, functionally graded scaffolds (FGS) gaineda crucial role for manufacturing of devices for tissue engineering. The importance of ...

Sustained Administration of &#946;-cell Mitogens to Intact Mouse Islets Ex Vivo Using Biodegradable Poly(lactic-co-glycolic acid) Microspheres

Sustained Administration of ÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Â²-cell Mitogens to Intact Mouse Islets Ex Vivo Using Biodegradable Polylactic-co-glycolic acid Microspheres

Aanhoudende toediening van β-cel mitogenen om Intact Mouse Islets<em&gt; Ex Vivo</em&gt; Bioafbreekbare poly (melkzuur-co-glycolzuur) Microspheres

The development of biomaterials has significantly increased the potential for targeted drug delivery to a variety of cell and tissue types, including the ...

Metabolic Support of Excised, Living Brain Tissues During Magnetic Resonance Microscopy Acquisition

Metabole steun van weggesneden, levende hersenen weefsels tijdens magnetische resonantie microscopie overname

This protocol describes the procedures necessary to support normal metabolic functions of acute brain slice preparations during the collection of magnetic ...

Preparation, Purification, and Use of Fatty Acid-containing Liposomes

Voorbereiding, zuivering, en het gebruik van vetzuur-bevattende liposomen

Liposomes containing single-chain amphiphiles, particularly fatty acids, exhibit distinct properties compared to those containing diacylphospholipids due ...

Hyaluronic-Acid Based Hydrogels for 3-Dimensional Culture of Patient-Derived Glioblastoma Cells

Hyaluronzuur gebaseerd Hydrogels voor 3-dimensionale cultuur van Glioblastoma patiënt-afgeleide cellen

Glioblastoma (GBM) is the most common, yet most lethal, central nervous system cancer. In recent years, many studies have focused on how the extracellular ...

A Tripeptide-Stabilized Nanoemulsion of Oleic Acid

Een Tripeptide-gestabiliseerde Nanoemulsion van oliezuur

We describe a method to produce a nanoemulsion composed of an oleic acids-Pt(II) core and a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) coating (KYF-Pt-NE). The ...

Measuring Global Cellular Matrix Metalloproteinase and Metabolic Activity in 3D Hydrogels

Meten mondiale cellulaire Matrix Metalloproteinase en metabole activiteit in 3D Hydrogels

Three-dimensional (3D) cell culture systems often more closely recapitulate in vivo cellular responses and functions than traditional two-dimensional (2D) ...