GlycoRNA consists of RNAs modified with secretory N-glycans that are presented on the cell surface. Although previous work supported a covalent linkage between RNA and glycans, the direct chemical nature of the RNA-glycan connection was not described. Here, we develop a sensitive and scalable protocol to detect and characterize native glycoRNAs. Leveraging RNA-optimized periodate oxidation and aldehyde ligation (rPAL) and sequential window acquisition of all theoretical mass spectra (SWATH-MS), we identified the modified RNA base 3-(3-amino-3-carboxypropyl)uridine (acp

Abstract Receptor-ligand interactions govern a wide array of biological pathways, facilitating a cell’s ability to interrogate and integrate information from the extracellular space. Here, using an unbiased genome-wide knockout screen, we identify heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) as a major component in the organizational mechanism of cell surface glycoRNA and cell surface RNA binding proteins (csRBPs). Cleavage of mature heparan sulfate chains, knockout of N- and 6- O -sulfotransferases, overexpression of endo-6- O -sulfatases, or the addition of exogenous heparan sulfate chains with high 2- O sulfation result in marked loss in glycoRNA-csRBP clustering in U2OS cells. Functionally, we provide evidence that signal transduction by HS-dependent growth factors such as VEGF-A 165 is regulated by cell surface RNAs, and in vitro VEGF-A 165 , selectively interacts with glycoRNAs. Our findings uncover a new molecular mechanism of controlling signal transduction of specific growth factors across the plasma membrane by the regulated assembly of glycoRNAs, csRBPs, and heparan sulfate clusters.

Abstract Chemical tools enable precise characterization of many biopolymers, including glycoconjugates. Metabolic chemical reporters enabled the discovery of glycoRNAs, however they have certain limitations due the requirement of having living cells to incorporate the modified sugar. Here we develop a periodate oxidation and aldehyde ligation method to detect and characterize native sialoglycoRNAs, termed rPAL. With optimized RNA biochemistry to enhance recovery and analysis of small RNAs, we show rPAL is at least an order of magnitude more sensitive than previous methods for detecting sialoglycoRNAs. These improvements allow rPAL to detect sialoglycoRNA from human clinical samples as demonstrated by defining the abundance and patterns of sialoglycoRNAs from sorted populations of peripheral blood mononuclear cells. The sensitivity, robustness, and flexibility of rPAL will allow greater access towards characterizing glycoRNA biology.

Abstract The composition and organization of the cell surface determine how cells interact with their environment. Traditionally, glycosylated transmembrane proteins were thought to be the major constituents of the external surface of the plasma membrane. Here, we provide evidence that a group of RNA binding proteins (RBPs) are present on the surface of living cells. These cell surface RBPs (csRBPs) precisely organize into well-defined nanoclusters that are enriched for multiple RBPs, glycoRNAs, and their clustering can be disrupted by extracellular RNase addition. These glycoRNA-csRBP clusters further serve as sites of cell surface interaction for the cell penetrating peptide TAT. Removal of RNA from the cell surface, or loss of RNA binding activity by TAT, causes defects in TAT cell internalization. Together, we provide evidence of an expanded view of the cell surface by positioning glycoRNA-csRBP clusters as a regulator of communication between cells and the extracellular environment.

We recently identified glycoRNA-a previously undescribed glycoconjugate-which consists of RNAs modified with secretory N-glycans and presented on the cell surface. While previous work supported a covalent linkage between RNA and glycans, the direct chemical nature of the RNA-glycan connection was not described. Here we develop a sensitive and scalable protocol to detect and characterize native glycoRNAs. Leveraging periodate oxidation and aldehyde ligation (rPAL) and Sequential Window Acquisition of all Theoretical Mass Spectra (SWATH-MS), we identified the modified RNA base 3-(3-amino-3-carboxypropyl)uridine (acp3U) as a site of attachment of N-glycans in glycoRNA. The sensitivity and robustness of rPAL provided the first evidence of a direct glycan-RNA linkage, and its flexibility will enable further characterization of glycoRNA biology.

Abstract There is an increasing appreciation for the role of cell surface glycans in modulating interactions with extracellular ligands and participating in intercellular communication. We recently reported the existence of sialoglycoRNAs, where mammalian small RNAs are covalently linked to N-glycans through the modified base acp 3 U and trafficked to the cell surface. However, little is currently known about the role for O-glycosylation, another major class of carbohydrate polymer modifications. Here, we use parallel genetic, enzymatic, and mass spectrometry approaches to demonstrate that O-linked glycan biosynthesis is responsible for the majority of sialoglycoRNA levels. By examining the O-glycans associated with RNA from cell lines and colon organoids we find known and previously unreported O-linked glycan structures. Further, we find that O-linked glycans released from small RNA from organoids derived from ulcerative colitis patients exhibit higher levels of sialylation than glycans from healthy organoids. Together, our work provides flexible tools to interrogate O-linked glycoRNAs (O-glycoRNA) and suggests that they may be modulated in human disease.