$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Glikozylacja białek, proces przyłączania węglowodanów do cząsteczek białka, jest jedną z najczęstszych modyfikacji potranslacyjnych (PTM) w przyrodzie1,2. We wszystkich dziedzinach życia rozwinął się szereg złożonych mechanizmów dedykowanych generowaniu glikoprotein, które wpływają na niezliczone funkcje komórkowe1,3,4,5. Podczas gdy glikozylacja białek zachodzi na wielu aminokwasach6,7, zdarzenia glikozylacji sprzężonej z N i O, są dwiema dominującymi formami obserwowanymi w przyrodzie. Glikozylacja sprzężona z N polega na przyłączeniu glikanów do atomu azotu reszt asparaginy (Asn), podczas gdy w glikozylacji sprzężonej z O glikany są przyłączane do atomu tlenu reszt seryny (Ser), treoniny (Thr) lub tyrozyny (Tyr)7. Pomimo podobieństw w resztach docelowych przez systemy glikozylacji, różnice w glikanach przyłączonych do białek powodują, że glikozylacja jest najbardziej zróżnicowaną chemicznie klasą PTM występującą w przyrodzie.
Chociaż systemy glikozylacji eukariotycznej posiadają różnorodność glikanów, systemy te są zazwyczaj ograniczone pod względem liczby wykorzystywanych unikalnych węglowodanów. Wynikająca z tego różnorodność wynika z tego, jak te węglowodany są ułożone w glikany8,9,10,11,12. W przeciwieństwie do tego, gatunki bakteryjne i archeonowe posiadają praktycznie nieograniczoną różnorodność glikanów ze względu na sam wachlarz unikalnych cukrów generowanych w tych systemach2,10,13,14,15,16,17. Te różnice w różnorodności glikanów obserwowane w różnych dziedzinach życia stanowią poważne wyzwanie analityczne dla charakterystyki i identyfikacji zdarzeń glikozylacji. W przypadku glikozylacji eukariotycznej zdolność do przewidywania składu glikanów ułatwiła rosnące zainteresowanie glikobiologią; Jednak to samo nie dotyczy glikozylacji bakteryjnej, która nadal jest w dużej mierze ograniczona do badań przez wyspecjalizowane laboratoria. Wraz ze wzrostem dostępności oprzyrządowania do spektrometrii mas (MS) w naukach biologicznych, podejścia oparte na stwardnieniu rozsianym są obecnie podstawową metodą analizy glikoproteomicznej.
MS stał się kwintesencją narzędzia do charakterystyki glikozylacji, z obecnie powszechnie stosowanymi metodami odgórnymi i oddolnymi do charakteryzowania glikoprotein6. Podczas gdy proteomika odgórna jest wykorzystywana do oceny globalnych wzorców glikozylacji określonych białek18,19, podejścia oddolne są stosowane, aby umożliwić specyficzną dla glikanów charakterystykę glikopeptydów, nawet z mieszanin złożonych6,20,21,22,23. Do analizy glikopeptydów generowanie informacyjnych informacji o fragmentacji jest niezbędne do scharakteryzowania zdarzeń glikozylacji24,25. Szereg podejść do fragmentacji jest obecnie rutynowo dostępnych w instrumentach, w tym dysocjacja wywołana zderzeniem oparta na rezonansowej pułapce jonowej (IT-CID), dysocjacja wywołana zderzeniem typu wiązki (CID) i dysocjacja transferu elektronów (ETD). Każde podejście ma różne mocne i słabe strony analizy glikopeptydu25,26, ze znaczącym postępem w ciągu ostatniej dekady w stosowaniu tych podejść fragmentacji do analizy glikozylacji6,20. Jednak w przypadku analizy glikozylacji bakteryjnej krytycznym ograniczeniem nie była zdolność do fragmentacji glikopeptydów, ale raczej niemożność przewidzenia potencjalnego składu glikanów w próbkach. W tych systemach nieznany charakter różnorodnych glikanów bakteryjnych ogranicza identyfikację glikopeptydów, nawet przy użyciu narzędzi wyszukiwania skoncentrowanych na glikozylacji, które są obecnie powszechne do analizy glikopeptydów eukariotycznych, takich jak O-Pair27, GlycopeptideGraphMS28 i GlycReSoft29. Aby przezwyciężyć ten problem, potrzebna jest alternatywna metoda wyszukiwania, z wykorzystaniem otwartych narzędzi wyszukiwania, które stają się potężnym podejściem do badania glikozylacji bakteryjnej30.
Otwarte wyszukiwanie, znane również jako wyszukiwanie ślepe lub wieloznaczne, pozwala na identyfikację peptydów z nieznanymi lub nieoczekiwanymi PTM-ami21,30,31,32. Otwarte wyszukiwania wykorzystują różne techniki obliczeniowe, w tym wyselekcjonowane wyszukiwanie modyfikacji, wieloetapowe przeszukiwanie baz danych lub wyszukiwanie o szerokiej tolerancji masowej33,34,35,36,37. Chociaż wyszukiwanie otwarte ma ogromny potencjał, jego zastosowanie było zazwyczaj utrudnione przez znaczne wydłużenie czasu analizy i utratę czułości wykrywania niezmodyfikowanych peptydów w porównaniu z wyszukiwaniami ograniczonymi31,32. Spadek wykrywalności niezmodyfikowanych dopasowań peptydowo-spektralnych (PSM) jest wynikiem zwiększonego odsetka fałszywie dodatnich PSM związanych z tymi technikami, co wymaga zwiększonego rygorystycznego filtrowania w celu utrzymania pożądanych wskaźników fałszywych wykryć (FDR)33,34,35,36,37. Ostatnio dostępnych jest kilka narzędzi, które znacznie poprawiają dostępność otwartego wyszukiwania, w tym Byonic31,38, Open-pFind39, ANN-SoLo40 i MSFragger21,41. Narzędzia te umożliwiają solidną identyfikację zdarzeń glikozylacji poprzez znaczne skrócenie czasu analizy i wdrożenie podejść do obsługi heterogenicznych kompozycji glikanów.
Ten artykuł przedstawia uproszczoną metodę identyfikacji bakteryjnych glikopeptydów za pomocą otwartego wyszukiwania, przy użyciu Gram-ujemnego patogenu szpitalnego, Acinetobacter baumannii, jako modelu. A. baumannii posiada konserwatywny system glikozylacji sprzężony z O, odpowiedzialny za modyfikację wielu substratów białkowych, znany jako system glikozylacji białek PglL42,43,44. Podczas gdy podobne białka są przeznaczone do glikozylacji między szczepami, system glikozylacji PglL jest bardzo zmienny ze względu na biosyntezę glikanu używanego do glikozylacji białek pochodzącego z locus kapsułki (znanego jako locus K)44,45,46. W ten sposób do substratów białkowych dodawane są różne glikany (znane również jako jednostka K), pochodzące z pojedynczych lub ograniczonych spolimeryzowanych jednostek K30,44,46. W ramach tej pracy wykorzystano otwarte narzędzie wyszukiwania, MSfragger, w oprogramowaniu FragPipe, do identyfikacji glikanów w szczepach A. baumannii. Łącząc otwarte wyszukiwanie i ręczne selekcjonowanie, można podjąć "poszukiwania skoncentrowane na glikanach" w celu dalszej poprawy identyfikacji bakteryjnych glikopeptydów. To wieloetapowe podejście do identyfikacji umożliwia identyfikację glikopeptydów bez dużego doświadczenia w charakteryzowaniu nowych zdarzeń glikozylacji.