Cell surface oligosaccharides can be engineered to display unusual functional groups for the selective chemical remodeling of cell surfaces. An unnatural derivative of N-acetyl-mannosamine, which has a ketone group, was converted to the corresponding sialic acid and incorporated into cell surface oligosaccharides metabolically, resulting in the cell surface display of ketone groups. The ketone group on the cell surface can then be covalently ligated under physiological conditions with molecules carrying a complementary reactive functional group such as the hydrazide. Cell surface reactions of this kind should prove useful in the introduction of new recognition epitopes, such as peptides, oligosaccharides, or small organic molecules, onto cell surfaces and in the subsequent modulation of cell-cell or cell-small molecule binding events. The versatility of this technology was demonstrated by an example of selective drug delivery. Cells were decorated with biotin through selective conjugation to ketone groups, and selectively killed in the presence of a ricin A chain-avidin conjugate.

Ferroptosis is a non-apoptotic form of regulated cell death caused by the failure of the glutathione-dependent lipid-peroxide-scavenging network. FINO2 is an endoperoxide-containing 1,2-dioxolane that can initiate ferroptosis selectively in engineered cancer cells. We investigated the mechanism and structural features necessary for ferroptosis initiation by FINO2. We found that FINO2 requires both an endoperoxide moiety and a nearby hydroxyl head group to initiate ferroptosis. In contrast to previously described ferroptosis inducers, FINO2 does not inhibit system xc– or directly target the reducing enzyme GPX4, as do erastin and RSL3, respectively, nor does it deplete GPX4 protein, as does FIN56. Instead, FINO2 both indirectly inhibits GPX4 enzymatic function and directly oxidizes iron, ultimately causing widespread lipid peroxidation. These findings suggest that endoperoxides such as FINO2 can initiate a multipronged mechanism of ferroptosis. FINO2 is a small molecule that requires the endoperoxide moiety and hydroxyl group to promote ferroptosis through indirect inhibition of GPX4 enzymatic function and direct oxidation of iron, resulting in increased lipid peroxidation.

To metastasize, a tumor cell must acquire abilities such as the capacity to colonize new tissue and evade immune surveillance. Recent evidence suggests that microRNAs can promote the evolution of malignant behaviors by regulating multiple targets. We performed a microRNA analysis of human melanoma, a highly invasive cancer, and found that miR-30b/30d upregulation correlates with stage, metastatic potential, shorter time to recurrence, and reduced overall survival. Ectopic expression of miR-30b/30d promoted the metastatic behavior of melanoma cells by directly targeting the GalNAc transferase GALNT7, resulted in increased synthesis of the immunosuppressive cytokine IL-10, and reduced immune cell activation and recruitment. These data support a key role of miR-30b/30d and GalNAc transferases in metastasis, by simultaneously promoting cellular invasion and immunosuppression.

ABSTRACT Glycans are critical to every facet of biology and medicine, from viral infections to embryogenesis. Tools to study glycans are rapidly evolving, however the majority of our knowledge is deeply dependent on binding by glycan binding proteins (e.g., lectins). The specificities of lectins, which are often naturally isolated proteins, have not been well- defined, making it difficult to leverage their full potential for glycan analysis. Herein, we use glycan microarray analysis of 116 commercially available lectins, including different preparations of the same lectin, to extract the specific glycan features required for lectin binding. Data was obtained using the Consortium for Functional Glycomics microarray (CFG v5.0) containing 611 glycans. We use a combination of machine learning algorithms to define lectin specificity, mapping inputs (glycan sequences) to outputs (lectin-glycan binding) for a large-scale evaluation of lectin-glycan binding behaviours. Our motif analysis was performed by integrating 68 manually defined glycan features with systematic probing of computational rules for significant binding motifs using mono- and disaccharides- and linkages. Using a combination of machine learning and manual annotation of the data, we created a detailed interpretation of glycan-binding specificity for 57 unique lectins, categorized by their major binding motifs: mannose, complex-type N -glycan, O -glycan, fucose, sialic acid and sulfate, GlcNAc and chitin, Gal and LacNAc, and GalNAc. Our work provides fresh insights into the complex binding features of commercially available lectins in current use, providing a critical guide to these important reagents.

Abstract Glycosylation is a hallmark of cancer biology, and altered glycosylation influences multiple facets of melanoma growth and progression. To identify glycosyltransferases, glycans, and glycoproteins essential for melanoma maintenance, we conducted an in vivo growth screen with a pooled shRNA library of glycosyltransferases, lectin microarray profiling of benign nevi and melanoma patient samples, and mass spectrometry-based glycoproteomics. We found that α-2,3 sialyltransferases ST3GAL1 and ST3GAL2 and corresponding α-2,3-linked sialosides are upregulated in melanoma compared to nevi and are essential for melanoma growth in vivo and in vitro . Glycoproteomics revealed that glycoprotein targets of ST3GAL1 and ST3GAL2 are enriched in transmembrane proteins involved in growth signaling, including the amino acid transporter Solute Carrier Family 3 Member 2 (SLC3A2/CD98hc). CD98hc suppression mimicked the effect of ST3GAL1 and ST3GAL2 silencing, inhibiting melanoma cell proliferation. We found that both CD98hc protein stability and its pro-survival effect in melanoma are dependent upon α-2,3 sialylation mediated by ST3GAL1 and ST3GAL2. In summary, our studies reveal that α-2,3-sialosides functionally contribute to melanoma maintenance, supporting ST3GAL1 and ST3GAL2 as novel therapeutic targets in these tumors.

Abstract The extended persistence of filarial nematodes within a host suggests immunomodulatory mechanisms that allow the parasites to resist or evade the host immune response. There is increasing evidence for immunomodulatory glycans expressed by a diversity of parasitic worms. In this study, we integrate multiple layers of the host-parasite interface to investigate the glycome of a model filarial parasite, Brugia malayi . We report a significant overrepresentation of terminal GalNAc moieties in adult female worms coupled with an overall upregulation in O-glycosylation, T-antigen expression, and a bias for galactose containing glycans. Adult males preferentially displayed a bias for terminal GlcNAc containing glycans, and fucosylated epitopes. Subsequent proteomic analysis confirmed sex-biases in protein glycosylation and highlighted the sex-specific glycosylation of well characterized immunomodulators expressed and secreted by B. malayi . We identify sex-specific effectors at that interface and suggest approaches to selectively interfere with the parasitic life cycle and potentially control transmission.

Abstract Sepsis is an extreme inflammatory response to infection (bacterial, viral, fungal) that occurs in the bloodstream and causes damage throughout the body. Currently, there are few diagnostic biomarkers of sepsis and new effective treatments have not been developed. There is a clear need to study the molecular underpinnings of this disease. Glycosylation is known to play a role in immunity and inflammation, but the role of glycans in sepsis is not well defined. Herein, we profiled the serum glycomes of experimental mouse sepsis models to identify changes induced by 4 different clinical bacterial pathogens (Gram-positive: Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus , Gram-negative: Escherichia coli and Salmonella Typhimurium) using our lectin microarray technology. We observed global shifts in the blood sera glycome that were conserved across all four species, regardless of whether they were Gram positive or negative. Bisecting GlcNAc was decreased upon sepsis and a strong increase in core 1/3 O -glycans was observed. Lectin blot analysis revealed a high molecular weight protein induced in sepsis by all four bacteria as the major cause of the core 1/3 O -glycan shift. While the identity of this protein remains to be elucidated, its presence indicates a common feature of bacterial sepsis associated with this glycomic signature.

Abstract Cellular protein expression is coordinated post-transcriptionally by an intricate regulatory network. The current presumption is that miRNA work by repression of functionally related targets within a system. In recent work, upregulation of protein expression via direct interactions of mRNA with miRNA has been found in dividing cells, providing an additional mechanism of regulation. Herein, we demonstrate coordinated upregulation of functionally-coupled proteins by miRNA. We focused on CD98hc, the heavy chain of the amino acid transporter LAT1, and α-2,3-sialyltransferases ST3GAL1 and ST3GAL2, which are critical for CD98hc stability in melanoma. Profiling miRNA regulation using our high-throughput miRFluR assay, we identified miRNA that upregulated expression of both CD98hc and either ST3GAL1 or ST3GAL2. These co-upregulating miRNAs were enriched in melanoma datasets associated with transformation and progression. Our findings add co-upregulation by miRNA into miRNA regulatory networks and adds a new bidirectional twist to the impact miRNA have on protein regulation and glycosylation.

Abstract Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) that establish and maintain the blood system in adult vertebrates arise from the transdifferentiation of hemogenic endothelial cells (hemECs) during embryogenesis. This endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) is tightly regulated, but the mechanisms are poorly understood. Here, we show that microRNA (miR)-223-mediated regulation of N-glycan biosynthesis in endothelial cells (ECs) regulates EHT. Single cell RNA-sequencing revealed that miR-223 is enriched in hemECs and in oligopotent nascent HSPCs. miR-223 restricts the EHT of lymphoid/myeloid lineages by suppressing the expression of mannosyltransferase alg2 and sialyltransferase st3gal2 , two enzymes involved in N-linked protein glycosylation. High-throughput glycomics of ECs lacking miR-223 showed a decrease of high mannose versus sialylated complex/hybrid sugars on N-glycoproteins involved in EHT such as the metalloprotease Adam10. Endothelial-specific expression of an N-glycan Adam10 mutant or of the N-glycoenzymes phenocopied the aberrant HSPC production of miR-223 mutants. Thus, the N-glycome plays a previously unappreciated role as an intrinsic regulator of EHT, with specific mannose and sialic acid modifications serving as key endothelial determinants of their hematopoietic fate. One Sentence Summary The N-glycan “sugar code” governs the hematopoietic fate of endothelial cells and regulates blood stem cell production in vivo.

ABSTRACT Influenza defective interfering (DI) viruses have long been considered promising antiviral candidates because of their ability to interfere with replication-competent viruses and to induce antiviral immunity. However, the mechanisms underlying DI-mediated antiviral immunity have not been extensively explored. Here, we demonstrated interferon (IFN) independent protection conferred by influenza DI virus against homologous virus infection in mice deficient in type I and III IFN signaling. By integrating transcriptional and post-transcriptional regulatory data we identified unique host signatures in response to DI co-infection. DI-treated mice exhibited reduced viral transcription, less intense inflammatory and innate immune responses, and primed multiciliated cell differentiation in their lungs at an early stage of infection, even in the absence of type I or III IFNs. Overall, our study provides mechanistic insight into the protection mediated by DIs, implying a unifying theme involving inflammation and multiciliogenesis in maintaining respiratory homeostasis, and reveals their IFN-independent antiviral activity.