Abstract Glycoproteome profiling (glycoproteomics) is a powerful yet analytically challenging research tool. The complex tandem mass spectra generated from glycopeptide mixtures require sophisticated analysis pipelines for structural determination. Diverse software aiding the process have appeared, but their relative performance remains untested. Conducted through the HUPO Human Proteome Project – Human Glycoproteomics Initiative, this community study, comprising both developers and users of glycoproteomics software, evaluates the performance of informatics solutions for system-wide glycopeptide analysis. Mass spectrometry-based glycoproteomics datasets from human serum were shared with all teams. The relative team performance for N - and O -glycopeptide data analysis was comprehensively established and validated through orthogonal performance tests. Excitingly, several high-performance glycoproteomics informatics solutions were identified. While the study illustrated that significant informatics challenges remain, as indicated by a high discordance between annotated glycopeptides, lists of high-confidence (consensus) glycopeptides were compiled from the standardised team reports. Deep analysis of the performance data revealed key performance-associated search variables and led to recommendations for improved “high coverage” and “high accuracy” glycoproteomics search strategies. This study concludes that diverse software for comprehensive glycopeptide data analysis exist, points to several high-performance search strategies, and specifies key variables that may guide future software developments and assist informatics decision-making in glycoproteomics.

The human immunodeficiency virus (HIV) envelope protein (Env) mediates viral entry into host cells and is the primary target for the humoral immune response. Env is extensively glycosylated, and these glycans shield underlying epitopes from neutralizing antibodies. The glycosylation of Env is influenced by the type of host cell in which the virus is produced. Thus, HIV is distinctly glycosylated by CD4 + T cells, the major target cells, and macrophages. However, the specific differences in glycosylation between viruses produced in these cell types have not been explored at the molecular level. Moreover, it remains unclear whether the production of HIV in CD4 + T cells or macrophages affects the efficiency of viral spread and resistance to neutralization. To address these questions, we employed the simian immunodeficiency virus (SIV) model. Glycan analysis implied higher relative levels of oligomannose-type N -glycans in SIV from CD4 + T cells (T-SIV) compared to SIV from macrophages (M-SIV), and the complex-type N -glycans profiles seem to differ between the two viruses. Notably, M-SIV demonstrated greater infectivity than T-SIV, even when accounting for Env incorporation, suggesting that host cell-dependent factors influence infectivity. Further, M-SIV was more efficiently disseminated by HIV binding cellular lectins. We also evaluated the influence of cell type-dependent differences on SIV’s vulnerability to carbohydrate binding agents (CBAs) and neutralizing antibodies. T-SIV demonstrated greater susceptibility to mannose-specific CBAs, possibly due to its elevated expression of oligomannose-type N -glycans. In contrast, M-SIV exhibited higher susceptibility to neutralizing sera in comparison to T-SIV. These findings underscore the importance of host cell-dependent attributes of SIV, such as glycosylation, in shaping both infectivity and the potential effectiveness of intervention strategies.

The Gram-negative ESKAPE bacterium

Abstract The human immunodeficiency virus (HIV) envelope protein (Env) mediates viral entry into host cells and is the primary target for the humoral immune response. Env is extensively glycosylated, and these glycans shield underlying epitopes from neutralizing antibodies. The glycosylation of Env is influenced by the type of host cell in which the virus is produced. Thus, HIV is distinctly glycosylated by CD4 + T cells, the major target cells, and macrophages. However, the specific differences in glycosylation between viruses produced in these cell types have not been explored at the molecular level. Moreover, the impact of these differences on viral spread and neutralization sensitivity remains largely unknown. To address these questions, we employed the simian immunodeficiency virus (SIV) model. Glycan analysis revealed higher relative levels of oligomannose-type N -glycans in SIV from CD4 + T cells (T-SIV) compared to SIV from macrophages (M-SIV), and the complex-type N -glycans profiles differed between the two viruses. Notably, M-SIV demonstrated greater infectivity than T-SIV, even when accounting for Env incorporation, suggesting that host cell-dependent factors influence infectivity. Further, M-SIV was more efficiently disseminated by HIV binding cellular lectins. We also evaluated the influence of cell type-dependent differences on SIV’s vulnerability to carbohydrate binding agents (CBAs) and neutralizing antibodies. T-SIV demonstrated greater susceptibility to mannose-specific CBAs, possibly due to its elevated expression of oligomannose-type N -glycans. In contrast, M-SIV exhibited higher susceptibility to neutralizing sera in comparison to T-SIV. These findings underscore the importance of host cell-dependent attributes of SIV, such as glycosylation, in shaping both infectivity and the potential effectiveness of intervention strategies.

Abstract Patients suffering from Congenital Disorders of Glycosylation (CDG) carry mutations in components of the evolutionarily highly conserved protein-glycosylation-machinery. Employing targeted genome editing, we modeled alleles in medaka fish based on a mutation described in an ALG2-index patient. The multisystemic phenotypes in our alg2 model closely resembled the patient’s syndromes. Molecularly, the mutation results in a reduction of the abundance of N -glycans without altering the profile of glycan structures in fish as well as in patient fibroblasts. This hypo- N -glycosylation impacted on protein abundance in two directions. We discovered a putative compensatory upregulation of the basic glycosylation and glycoprotein processing machinery highlighting the regulatory topology of the network. Conversely, proteins of the retinal phototransduction machinery were massively downregulated in the alg2 model. Those relate to the specific loss of rod photoreceptors that fail to be maintained in the alg2 mutants, a condition known as retinitis pigmentosa. Transient supply of human or medaka alg2 mRNA efficiently rescued the phenotypic spectrum and restored viability demonstrating that our alg2 model delivers key traits for the potential treatment of the disorder.

Abstract Defects in protein O -mannosylation lead to severe congenital muscular dystrophies known as α-dystroglycanopathy. A hallmark of these diseases is the loss of the O -mannose-bound matriglycan on α-dystroglycan, which leads to a reduction in cell adhesion to the extracellular matrix. Mutations in protein O -mannose β1,2-N-acetylglucosaminyltransferase 1 (POMGNT1), which is crucial for the elongation of O -mannosyl glycans, are mainly associated with muscle-eye-brain (MEB) disease. In addition to defects in cell-extracellular matrix adhesion, aberrant cell-cell adhesion has occasionally been observed in response to defects in POMGNT1. However, direct molecular mechanisms are largely unknown. We used POMGNT1 knock-out HEK293T cells and fibroblasts from a MEB patient to gain a deeper insight into the molecular changes in POMGNT1 deficiency. A combination of biochemical and molecular biological techniques with proteomics, glycoproteomics and glycomics revealed that a lack of POMGNT1 activity strengthens cell-cell adhesion. We demonstrate that the altered intrinsic adhesion properties are due to an increased abundance of N-cadherin (N-Cdh). In addition, site-specific changes in the N -glycan structures in the extracellular domain of N-Cdh were detected, which positively impact on homotypic interactions. We found that in POMGNT1 deficient cells ERK1/2 and p38 signaling pathways are activated and transcriptional changes that are comparable to the epithelial-mesenchymal transition (EMT) are triggered, defining a possible molecular mechanism underlying the observed phenotype. Our study indicates that changes in cadherin-mediated cell-cell adhesion and other EMT-related processes may contribute to the complex clinical symptoms of MEB or α-dystroglycanopathy in general, and suggests a previously underestimated impact of changes in O -mannosylation on N -glycosylation.

Abstract The baculovirus-insect cell expression system is readily utilized to produce viral glycoproteins for research as well as for subunit vaccines and vaccine candidates, for instance against SARS-CoV-2 infections. However, the glycoforms of recombinant proteins derived from this expression system are inherently different from mammalian cell-derived glycoforms with mainly complex-type N -glycans attached, and the impact of these differences in protein glycosylation on the immunogenicity is severely underinvestigated. This applies also to the SARS-CoV-2 spike glycoprotein, which is the antigen target of all licensed vaccines and vaccine candidates including virus like particles and subunit vaccines that are variants of the spike protein. Here, we expressed the transmembrane-deleted human β-1,2 N-acetlyglucosamintransferases I and II (MGAT1∆TM and MGAT2∆TM) and the β-1,4-galactosyltransferase (GalT∆TM) in E. coli to in-vitro remodel the N -glycans of a recombinant SARS-CoV-2 spike glycoprotein derived from insect cells. In a cell-free sequential one-pot reaction, fucosylated and afucosylated paucimannose-type N -glycans were converted to complex-type galactosylated N -glycans. In the future, this in-vitro glycoengineering approach can be used to efficiently generate a wide range of N -glycans on antigens considered as vaccine candidates for animal trials and preclinical testing to better characterize the impact of N -glycosylation on immunity and to improve the efficacy of protein subunit vaccines.

Abstract N-glycosylation is a central component in the modification of secretory proteins. One characteristic of this process is a heterogeneous output. The heterogeneity is the result of both structural constraints of the glycoprotein as well as the composition of the cellular glycosylation machinery. Empirical data addressing correlations between glycosylation output and glycosylation machinery composition are seldom due to the low abundance of glycoenzymes. We assessed how differences in the glycoenzyme expression affected the N-glycosylation output at a cellular as well as at a protein-specific level. Our results showed that cellular N-glycome changes could be correlated with the variation of glycoenzyme expression, whereas at the protein level differential responses to glycoenzymes alterations were observed. We therefore identified a hierarchical structure in the N-glycosylation process: the enzyme levels in this complex pathway determine its capacity (reflected in the N-glycome), while protein-specific parameters determine the glycosite-specificity. What emerges is a highly variable and adaptable protein modification system that represents a hallmark of eukaryotic cells.

To understand implications of protein glycosylation for clinical diagnostic and biopharmaceuticals, innovative glycoproteomic technologies are required. Recently, significant advances were made, particularly toward structure-focused N-glycoproteomic analyses. The mass spectrometric analysis of intact N-glycopeptides using stepped collision fragmentation along with glycan oxonium ion profiling now enables to reliably discriminate between different N-glycan structures. Still, there are weaknesses that current N-glycoproteomic approaches must overcome: 1) handling of incorrect identifications, 2) identification of rare and modified N-glycans, and 3) insufficient glycoproteomic coverage, especially in complex samples. To address these shortcomings, we have developed an innovative N-glycoproteomic workflow that aims at providing comprehensive site-specific and structural N-glycoproteomic data on human blood plasma glycoproteins. The workflow features protein depletion plus various fractionation strategies and the use of high-resolution mass spectrometry with stepped collision fragmentation. Furthermore, by including a decision tree procedure established for data validation, we could significantly improve the description of the N-glycan micro-heterogeneity. Our data analysis workflow allows the reliable differentiation of ambiguous N-glycan structures like antenna- versus core-fucosylation plus the modified and rare N-glycans such as sulfated and glucuronidated ones. With this workflow, we were able to advance in the analysis of human blood plasma glycoproteins to concentrations as low as 10 pg/mL. A total of 1,929 N-glycopeptides and 942 N-glycosites derived from 805 human middle- to low-abundant glycoproteins were identified. Overall, the presented workflow holds great potential to improve our understanding of protein glycosylation and to foster the discovery of blood plasma biomarkers.

Abstract Sulfated N- glycans from human immunoglobulin A (IgA) were recently discovered via glycomic approaches. However, their site-specific description is still pending. Certain N- glycan structures at specific N- glycosylation sites in IgA are crucial for microbial neutralization and effector functions. For instance, sialylated N- glycans on the C-terminal tailpiece mediate anti-viral activity by interfering with sialic-acid-binding viruses. Sulfated N- glycan epitopes can be ligands for viral proteins and thus play a role in the immune response. In this study, we performed a site-specific screening for sulfated N- glycans in two commercially available human serum IgA samples employing an in-depth N- glycoproteomic approach, previously developed by us. We found evidence of complex-type and hybrid-type N- glycans containing sulfated N- acetylhexosamine (sulfated HexNAc) attached to the N- glycosylation sites in the tailpiece and the C H 2 domain of both IgA subclasses. A detailed comparison of the N- glycosylation profiles of human serum IgA samples from two suppliers showed such N- glycans with sulfated HexNAc consistently in higher abundance in the tailpiece region. Surprisingly, also complex-type N- glycan compositions bearing O- acetylated sialic acid were identified in the tailpiece. These findings have not been described before for a site-specific glycopeptide analysis. Overall, our work provides a methodology for performing a dedicated site-specific search for sulfated and O- acetylated N- glycans that can be easily transferred, e.g. to human IgA derived from mucosal tissues, milk, or saliva. Our future aim is to include sulfated N- glycans into longitudinal studies of IgA N- glycosylation and to investigate their role as a biomarker and a treatment option. Abstract Figure