Glycosylering: de suikermoleculen die bepalen hoe eiwitten werken
Elk eiwit dat een cel maakt, verlaat de "fabriek" niet naakt. Veel eiwitten krijgen onderweg een laag suikermoleculen opgeplakt, vertakte ketens die aan het oppervlak van het eiwit hangen zoals slingers aan een lantaarnpaal. Dat proces heet glycosylering, en het bepaalt onder meer hoe lang een eiwit meegaat, waar het in het lichaam terechtkomt en of het immuunsysteem het herkent als "eigen" of als indringer.
Een handige analogie: stel een eiwit voor als een pakket dat een postcentrum verlaat. De inhoud van het pakket (de aminozuurketen) bepaalt wat het doet, maar het label, het verpakkingsmateriaal en de stickers erop bepalen hoe het pakket wordt behandeld: welke route het aflegt, of het bederft onderweg, en of de ontvanger het accepteert. Glycosylering is dat label. Voor een nieuwssite over toekomsttechnologie is dit onderwerp relevant omdat het een sleutelrol speelt in de ontwikkeling van medicijnen, vaccins en kankerdiagnostiek, en omdat het een van de lastigst te controleren stappen is in de biotechnologie van morgen.
Wat is het precies?
Glycosylering is een zogeheten post-translationele modificatie: een chemische aanpassing die aan een eiwit wordt toegevoegd nadat het al is aangemaakt op basis van de genetische code. Dit gebeurt in twee celonderdelen die na elkaar worden doorlopen: eerst het endoplasmatisch reticulum, een netwerk van membranen waar eiwitten worden gevouwen, en daarna het Golgi-apparaat, een soort sorteer- en afwerkingscentrum van de cel.
Er bestaan twee hoofdvormen. Bij N-gebonden glycosylering wordt de suikerketen vastgemaakt aan het stikstofatoom van het aminozuur asparagine. Bij O-gebonden glycosylering gebeurt dat aan het zuurstofatoom van serine of threonine. In beide gevallen bouwen gespecialiseerde enzymen, glycosyltransferases genoemd, stap voor stap een boomvormige structuur op uit bouwstenen zoals mannose, fucose, galactose, N-acetylglucosamine en siaalzuur. Andere enzymen, glycosidases, knippen er later weer stukjes af, waardoor de uiteindelijke vorm per eiwitmolecuul kan verschillen.
Dat laatste is een belangrijk verschil met bijvoorbeeld DNA-replicatie of de aanmaak van de aminozuurketen zelf. Die processen volgen een vast sjabloon: elk kopie is (op fouten na) identiek. Glycosylering kent geen sjabloon. Twee moleculen van hetzelfde eiwit kunnen net iets andere suikerbomen krijgen, afhankelijk van welke enzymen op dat moment beschikbaar zijn. Dit verschijnsel heet micro-heterogeniteit: een populatie van "hetzelfde" eiwit bestaat in werkelijkheid uit een mengsel van net iets verschillende varianten, glycovormen genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers en de farmaceutische industrie willen om verschillende redenen grip krijgen op glycosylering. Ten eerste bepaalt het patroon van suikers vaak of een medicijn goed werkt. Bij therapeutische antilichamen, zoals die worden gebruikt tegen kanker en auto-immuunziekten, beïnvloedt de precieze suikerstructuur hoe sterk het antilichaam het immuunsysteem activeert. Door die structuur doelbewust aan te passen (glyco-engineering) kan een medicijn krachtiger of juist milder worden gemaakt.
Ten tweede speelt glycosylering een rol bij de veiligheid van biologische geneesmiddelen: een verkeerd suikerpatroon kan de afbraaksnelheid in het lichaam veranderen of een ongewenste immuunreactie uitlokken. Regelgevers eisen daarom dat fabrikanten het glycosyleringsprofiel van hun product nauwkeurig karakteriseren en constant houden van batch tot batch.
Ten derde is glycosylering een diagnostisch spoor. Bij kanker en andere ziekten verandert het suikerpatroon op celoppervlakken vaak op een herkenbare manier, wat kan dienen als biomarker. En bij zeldzame aangeboren afwijkingen, de zogeheten congenitale glycosyleringsstoornissen (CDG), is het glycosyleringsproces zelf defect, wat ernstige ontwikkelingsproblemen veroorzaakt. Beter begrip van het proces moet op termijn tot gerichtere diagnostiek en behandeling leiden.
Voorbeelden uit de praktijk
GlycoFi, een spin-off van Dartmouth College, ontwikkelde begin jaren 2000 gistcellen (Pichia pastoris) die via genetische aanpassing mensachtige suikerpatronen konden aanbrengen op eiwitten, iets wat gist van nature niet doet. Het bedrijf werd in 2006 overgenomen door farmaceut Merck, die de technologie inzette voor eigen biologische geneesmiddelen.
Obinutuzumab (merknaam Gazyva/Gazyvaro), een antikankerantilichaam van Roche, is bewust glyco-engineered: door het suiker fucose grotendeels weg te laten (afucosylering) activeert het antilichaam het immuunsysteem sterker. Het middel kreeg in 2013 goedkeuring van de Amerikaanse FDA voor de behandeling van chronische lymfatische leukemie.
Een vergelijkbare aanpak, de Potelligent-technologie van het Japanse Kyowa Kirin, gebruikt CHO-cellen (ovariumcellen van de Chinese hamster) waarin het gen FUT8 is uitgeschakeld, zodat er geen fucose meer wordt toegevoegd. Deze technologie zit onder meer in mogamulizumab (Poteligeo), dat in 2018 in de Verenigde Staten werd goedgekeurd voor een zeldzame vorm van huidlymfoom.
Tijdens de coronapandemie bestudeerden onderzoeksgroepen, onder meer rond glycobioloog Max Crispin, uitgebreid de suikerlaag op het spike-eiwit van SARS-CoV-2. Die laag, een "glycan shield" genoemd, verbergt delen van het virus voor antilichamen en had directe invloed op het ontwerp van vaccins en de interpretatie van hoe goed die vaccins zouden werken.
Tot slot vormt de karakterisering van glycosylering bij biosimilars (goedkopere kopieën van biologische medicijnen na patentverloop) een terugkerende praktijkcasus: omdat het exacte suikerpatroon afhangt van de gebruikte celkweek, moeten fabrikanten met geavanceerde massaspectrometrie aantonen dat hun kopie voldoende overeenkomt met het originele middel.
Hoe ver is de techniek?
Voor een beperkte toepassing, het gericht aanpassen van glycosylering bij antilichaamproductie in CHO-cellen of gist, is de techniek volwassen en wordt ze al ruim tien jaar routinematig ingezet in de industrie. Het uitschakelen of aanpassen van specifieke genen met CRISPR-gentechnieken om een gewenst suikerpatroon te krijgen, is inmiddels vrij standaard bij de ontwikkeling van nieuwe biologische geneesmiddelen.
Lastiger is het volledig controleren of voorspellen van glycosylering. Omdat het proces geen vast sjabloon volgt, blijft er altijd een mengsel van glycovormen ontstaan; onderzoekers kunnen de verhoudingen sturen, maar niet één uniform product garanderen. Ook het "aflezen" van glycanen is technisch veel bewerkelijker dan het aflezen van DNA: er bestaat geen eenvoudige sequencing-machine voor suikerketens, waardoor analyse afhankelijk blijft van dure en tijdrovende massaspectrometrie.
Computationele voorspelling van glycosylering, vergelijkbaar met wat AlphaFold deed voor eiwitvouwing, staat nog in de kinderschoenen: modellen die betrouwbaar voorspellen welk suikerpatroon een gegeven eiwit in een gegeven cel zal krijgen, bestaan nog niet op vergelijkbaar niveau. Voor congenitale glycosyleringsstoornissen is de diagnostiek de laatste jaren sterk verbeterd, maar gerichte behandelingen zijn nog schaars.
Wie werken eraan?
In de farmaceutische industrie zijn Roche/Genentech, Kyowa Kirin, Merck, Amgen, Pfizer en Sanofi actief betrokken bij glyco-engineering van biologische geneesmiddelen. Gespecialiseerde toeleveranciers zoals het Zweedse Genovis en het Duitse Glycotope ontwikkelen enzymen en platforms specifiek voor het aanpassen of analyseren van glycanen, terwijl bioproces-bedrijven als Lonza en Sartorius de productie-infrastructuur leveren.
Op onderzoeksgebied lopen het Copenhagen Center for Glycomics aan de Universiteit van Kopenhagen (Denemarken) en het Complex Carbohydrate Research Center aan de University of Georgia (Verenigde Staten) voorop in fundamenteel glycobiologisch onderzoek. In Dublin (Ierland) richt het National Institute for Bioprocessing Research and Training (NIBRT) zich specifiek op glycosyleringsanalyse voor de biofarmaceutische industrie. Ook China bouwt snel expertise op, gedreven door de groeiende binnenlandse biosimilar-industrie. Regelgevende instanties als het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) en de Amerikaanse FDA spelen een indirecte maar sturende rol, doordat hun eisen aan glycosyleringskarakterisering bepalen hoe zorgvuldig fabrikanten dit proces moeten bewaken.