Abstract The human plasma glycoproteome holds enormous potential to identify personalized biomarkers to diagnose and understand disease. Recent advances in mass spectrometry and software development are opening novel avenues to mine the glycoproteome for protein- and site-specific glycosylation changes. Here, we describe a novel plasma N-glycoproteomics method for disease diagnosis and evaluated its clinical applicability by performing comparative glycoproteomics in blood plasma of 40 controls and a cohort of 74 patients with 13 different genetic diseases that directly impact the protein N-glycosylation pathway. The plasma glycoproteome yielded high-specificity biomarker signatures for each of the individual genetic defects. Bioinformatic analyses revealed site-specific glycosylation differences that could be explained by underlying glycobiology and in specific diseases by protein-intrinsic factors. Our work illustrates the strong potential of plasma glycoproteomics to significantly increase specificity of glycoprotein biomarkers with direct insights in site-specific glycosylation changes to better understand the mechanisms underlying human disease.

Abstract Synthetic sugar analogs are widely applied in metabolic oligosaccharide engineering (MOE) and as novel drugs to interfere with glycoconjugate biosynthesis. However, mechanistic insights on their exact metabolism in the cell and over time are mostly lacking. We developed sensitive ion-pair UHPLC-QqQ mass spectrometry methodology for analysis of sugar metabolites in organisms and in model cells and identified novel low abundant nucleotide sugars in human cells, such as ADP-glucose and UDP-arabinose, and CMP-sialic acid (CMP-NeuNAc) in Drosophila. Dynamic tracing of propargyloxycarbonyl (Poc) labeled analogs, commonly used for MOE, revealed that ManNPoc is metabolized to both CMP-NeuNPoc and UDP-GlcNPoc. Finally, combined treatment of B16-F10 melanoma cells with antitumor compound 3F ax -NeuNAc and 13 C-labeled GlcNAc revealed that endogenous CMP-NeuNAc levels started to decrease before a subsequent decrease of ManNAc 6-phosphate was observed. This implicates 3F ax -NeuNAc first acts as a substrate for cytosolic CMP-sialic acid synthetase and subsequently its product CMP-3F ax -NeuNAc functions as a feed-back inhibitor for UDP-GlcNAc 2-epimerase/N-acetylmannosamine kinase. Thus, dynamic analysis of sugar metabolites provides key insights into the time-dependent metabolism of synthetic sugars, which is important for the rational design of analogs with optimized effects.