Glycans modify lipids and proteins to mediate inter- and intramolecular interactions across all domains of life. RNA is not thought to be a major target of glycosylation. Here, we challenge this view with evidence that mammals use RNA as a third scaffold for glycosylation. Using a battery of chemical and biochemical approaches, we found that conserved small noncoding RNAs bear sialylated glycans. These “glycoRNAs” were present in multiple cell types and mammalian species, in cultured cells, and in vivo. GlycoRNA assembly depends on canonical N-glycan biosynthetic machinery and results in structures enriched in sialic acid and fucose. Analysis of living cells revealed that the majority of glycoRNAs were present on the cell surface and can interact with anti-dsRNA antibodies and members of the Siglec receptor family. Collectively, these findings suggest the existence of a direct interface between RNA biology and glycobiology, and an expanded role for RNA in extracellular biology.

Currently approved immune checkpoint inhibitor therapies targeting the PD-1 and CTLA-4 receptor pathways are powerful treatment options for certain cancers; however, most patients across cancer types still fail to respond. Consequently, there is interest in discovering and blocking alternative pathways that mediate immune suppression. One such mechanism is an upregulation of sialoglycans in malignancy, which has been recently shown to inhibit immune cell activation through multiple mechanisms and therefore represents a targetable glycoimmune checkpoint. Since these glycans are not canonically druggable, we designed an αHER2 antibody-sialidase conjugate that potently and selectively strips diverse sialoglycans from breast cancer cells. In syngeneic breast cancer models, desialylation enhanced immune cell infiltration and activation and prolonged the survival of mice, an effect that was dependent on expression of the Siglec-E checkpoint receptor found on tumor-infiltrating myeloid cells. Thus, antibody-sialidase conjugates represent a promising modality for glycoimmune checkpoint therapy.

Abstract Mucin domains are densely O-glycosylated modular protein domains found in a wide variety of cell surface and secreted proteins. Mucin-domain glycoproteins are key players in a host of human diseases, especially cancer, but the scope of the mucinome remains poorly defined. Recently, we characterized a bacterial mucinase, StcE, and demonstrated that an inactive point mutant retains binding selectivity for mucins. In this work, we leveraged inactive StcE to selectively enrich and identify mucins from complex samples like cell lysate and crude ovarian cancer patient ascites fluid. Our enrichment strategy was further aided by an algorithm to assign confidence to mucin-domain glycoprotein identifications. This mucinomics platform facilitated detection of hundreds of glycopeptides from mucin domains and highly overlapping populations of mucin-domain glycoproteins from ovarian cancer patients. Ultimately, we demonstrate our mucinomics approach can reveal key molecular signatures of cancer from in vitro and ex vivo sources.

Abstract Glycosylation is one of the most common post-translational modifications and generates an enormous amount of proteomic diversity; changes in glycosylation are associated with nearly all disease states. Intact glycoproteomics seeks to determine the site-localization and composition of glycans along a protein backbone via mass spectrometry. Following data acquisition, raw files are analyzed using search algorithms to define peptide sequence, glycan composition, and site localization. Glycoproteomics is rapidly expanding, creating the pressing need to establish bioinformatic community standards. Recently, several new search algorithms were released, many of which vary in terms of search strategy, localization system, score cutoffs, and glycan databases, thus warranting a comprehensive comparison of these new programs along with existing programs. Here, we analyzed three common samples: an enriched cell lysate, a mixture of 6 glycoproteins, and a mucin-domain glycoprotein. All raw files were searched with comparable parameters among software and the results were extensively manually validated to compare accuracy and completion of the output. Our results highlight the continued need for manual validation of glycopeptide spectral matches, especially for O-glycopeptides. Despite this, O-Pair outperformed all other programs in correct identification of O-glycopeptides and its localization system proved to be useful. On the other hand, Byonic and pGlyco performed best for N-glycoproteomics; the former was best for proteome-wide searches, but the latter identified more N-glycosites in less complex samples. Overall, we summarize the strengths, weaknesses, and potential improvements for these search algorithms. TOC Figure

Abstract Protein glycosylation events that happen early in the secretory pathway are often dysregulated during tumorigenesis. These events can be probed, in principle, by monosaccharides with bioorthogonal tags that would ideally be specific for distinct glycan subtypes. However, metabolic interconversion into other monosaccharides drastically reduces such specificity in the living cell. Here, we use a structure-based design process to develop the monosaccharide probe GalNAzMe that is specific for cancer-relevant Ser/Thr- N -acetylgalactosamine (O-GalNAc) glycosylation. By virtue of a branched N-acylamide side chain, GalNAzMe is not interconverted by epimerization to the corresponding N-acetylglucosamine analog like conventional GalNAc-based probes. GalNAzMe enters O-GalNAc glycosylation but does not enter other major cell surface glycan types including Asn (N)-linked glycans. We equip cells with the capacity to biosynthesize the nucleotide-sugar donor UDP-GalNAzMe from a caged precursor. Tagged with a bioorthogonal azide group, GalNAzMe serves as an O-glycan specific reporter in superresolution microscopy, chemical glycoproteomics, a genome-wide CRISPR knock-out (KO) screen, and imaging of intestinal organoids. GalNAzMe is a precision tool that allows a detailed view into the biology of a major type of cancer-relevant protein glycosylation. Significance statement A large portion of all secreted and cell surface proteins in humans are modified by Ser/Thr(O)-linked glycosylation with N -acetylgalactosamine (GalNAc). While of fundamental importance in health and disease, O-GalNAc glycosylation is technically challenging to study because of a lack of specific tools to be used in biological assays. Here, we design an O-GalNAc specific reporter molecule termed GalNAzMe to selectively label O-GalNAc glycoproteins in living human cells. GalNAzMe is compatible with a range of experiments in quantitative biology to broaden our understanding of glycosylation. We further demonstrate that labeling is genetically programmable by expression of a mutant glycosyltransferase, allowing application even to experiments with low inherent sensitivity.

Abstract Studying posttranslational modifications classically relies on experimental strategies that oversimplify the complex biosynthetic machineries of living cells. Protein glycosylation contributes to essential biological processes, but correlating glycan structure, underlying protein and disease-relevant biosynthetic regulation is currently elusive. Here, we engineer living cells to tag glycans with editable chemical functionalities while providing information on biosynthesis, physiological context and glycan fine structure. We introduce a non-natural substrate biosynthetic pathway and use engineered glycosyltransferases to incorporate chemically tagged sugars into the cell surface glycome of the living cell. We apply the strategy to a particularly redundant yet disease-relevant human glycosyltransferase family, the polypeptide N -acetylgalactosaminyl transferases. This approach bestows a gain-of-function modification on cells where the products of individual glycosyltransferases can be selectively characterized or manipulated at will.

ABSTRACT Altered glycosylation is an undisputed corollary of cancer development. Understanding these alterations is paramount but hampered by limitations underlying cellular model systems. For instance, the intricate interactions between tumour and host cannot be adequately recapitulated in monoculture of tumour-derived cell lines. More complex co-culture models usually rely on sorting procedures for proteome analyses and rarely capture the details of protein glycosylation. Here, we report a strategy termed Bio-Orthogonal Cell line-specific Tagging of Glycoproteins (BOCTAG). Cells are equipped by transfection with an artificial biosynthetic pathway that transforms bioorthogonally tagged sugars into the corresponding nucleotide-sugars. Only transfected cells incorporate bioorthogonal tags into glycoproteins in the presence of non-transfected cells. We employ BOCTAG as an imaging technique and to annotate cell-specific glycosylation sites in mass spectrometry-glycoproteomics. We demonstrate application in co-culture and mouse models, allowing for profiling of the glycoproteome as an important modulator of cellular function.

Abstract Background Platelet glycoprotein (GP) Ibα is the major ligand-binding subunit of the GPIb-IX-V complex that binds von Willebrand Factor (VWF). GPIbα is heavily glycosylated, and its glycans have been proposed to play key roles in platelet clearance, VWF binding, and as target antigens in immune thrombocytopenia syndromes. Despite its importance in platelet biology, the glycosylation profile of GPIbα is not well characterized. Objectives The aim of this study was to comprehensively analyze GPIbα amino acid sites of glycosylation (glycosites) and glycan structures. Methods GPIbα ectodomain that was recombinantly expressed or that was purified from human platelets was analyzed by Western blot, mass spectrometry (MS) glycomics, and MS glycoproteomics to define glycosites and the structures of the attached glycans. Results We identified a diverse repertoire of N- and O-glycans, including sialoglycans, Tn antigen, T antigen, and ABH blood group antigens. In the analysis of the recombinant protein, we identified 62 unique O-glycosites. In the analysis of the endogenous protein purified from platelets, we identified at least 48 unique O-glycosites and 1 N-glycosite. The GPIbα mucin domain is densely O-glycosylated. Glycosites are also located within the macroglycopeptide domain and mechanosensory domain (MSD). Conclusions This comprehensive analysis of GPIbα glycosylation lays the foundation for further studies to determine the functional and structural roles of GPIbα glycans. Essentials - Glycosylation of glycoprotein Ibα (GPIbα) is important for platelet function. - We report a comprehensive and site-specific analysis of human GPIbα glycosylation. - GPIbα carries sialoglycans, Tn antigen, T antigen, and ABO blood group (ABH) antigens. - We experimentally determined 48 O-glycosites and 1 N-glycosite by mass spectrometry.

Mucin-domain glycoproteins are densely O-glycosylated and play critical roles in a host of healthy and disease-driven biological functions. Previously, we developed a mucin-selective enrichment strategy by employing a catalytically inactive mucinase (StcE) conjugated to solid support. While this method was effective, it suffered from low throughput and high sample requirements. Further, the elution step required boiling in SDS, thus necessitating an in-gel digest with trypsin. Here, we optimized our previous enrichment method to include elution conditions amenable to mucinase digestion and downstream analysis with mass spectrometry. This increased throughput and lowered sample input while maintaining mucin selectivity and enhancing glycopeptide signal. We then benchmarked this technique against different O-glycan binding moieties for their ability to enrich mucins from various cell lines and human serum. Overall, the new method outperformed our previous procedure and all other enrichment techniques tested. This allowed for effective isolation of more mucin-domain glycoproteins, resulting in a high number of O-glycopeptides, thus enhancing our ability to analyze the mucinome.

Abstract High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) separates glycopeptides in the gas phase prior to mass spectrometry (MS) analysis, thus offering the potential to analyze glycopeptides without prior enrichment. Several studies have demonstrated the ability of FAIMS to enhance glycopeptide detection but have primarily focused on N-glycosylation. Here, we evaluated FAIMS for O-glycoprotein and mucin-domain glycoprotein analysis using samples of varying complexity. We demonstrated that FAIMS was useful in increasingly complex samples, as it allowed for the identification of more glycosylated species. However, during our analyses, we observed a phenomenon called “in FAIMS fragmentation” (IFF) akin to in source fragmentation but occurring during FAIMS separation. FAIMS experiments showed a 2-5-fold increase in spectral matches from IFF compared to control experiments. These results were also replicated in previously published data, indicating that this is likely a systemic occurrence when using FAIMS. Our study highlights that although there are potential benefits to using FAIMS separation, caution must be exercised in data analysis because of prevalent IFF, which may limit its applicability in the broader field of O-glycoproteomics. Graphical abstract