Abstract Glycans that are abundantly displayed on vertebrate cell surface and secreted molecules are often capped with terminal sialic acids (Sias). These diverse 9-carbon-backbone monosaccharides are involved in numerous intrinsic biological processes. They also interact with commensals and pathogens, while undergoing dynamic changes in time and space, often influenced by environmental conditions. However, most of this sialoglycan complexity and variation remains poorly characterized by conventional techniques, which often tend to destroy or overlook crucial aspects of Sia diversity and/or fail to elucidate native structures in biological systems i.e., in the intact sialome. To date, in situ detection and analysis of sialoglycans has largely relied on the use of plant lectins, sialidases or antibodies, whose preferences (with certain exceptions) are limited and/or uncertain. We took advantage of naturally-evolved microbial molecules (bacterial adhesins, toxin subunits and viral hemagglutinin-esterases) that recognize sialoglycans with defined specificity to delineate 9 classes of Sialoglycan Recognizing Probes (SGRPs: SGRP1–SGRP9) that can be used to explore mammalian sialome changes in a simple and systematic manner, using techniques common in most laboratories. SGRP candidates with specificity defined by sialoglycan microarray studies were engineered as tagged probes, each with a corresponding non-binding mutant probe as a simple and reliable negative control. The optimized panel of SGRPs can be used in methods commonly available in most bioscience labs, such as ELISA, Western Blot, flow cytometry and histochemistry. To demonstrate the utility of this approach, we provide examples of sialoglycome differences in tissues from C57BL/6 wild type mice and human-like Cmah −/− mice.

Abstract Cytotoxic A subunits of bacterial AB 5 toxins enter the cytosol following B subunit binding to host cell glycans. We report that A subunit phylogeny evolves independently of B subunits and suggest a future B subunit nomenclature based on species name. Phylogenetic analysis of B subunits that bind sialic acids (Sias) with homologous molecules in databases also show poor correlation with phylogeny. These data indicate ongoing lateral gene transfers between species, with mixing of A and B subunits. Some B subunits are not even associated with A subunits e.g., YpeB of Yersinia pestis , the etiologic agent of plague epidemics. Plague cannot be eradicated because of Y. pestis ’ adaptability to numerous hosts. YpeB shares 58% identity/79% similarity with the homo-pentameric B subunit of E. coli Subtilase cytotoxin, and 48% identity/68% similarity with the B subunit of S . Typhi typhoid toxin. We previously showed selective binding of B 5 pentamers to a sialoglycan microarray, with Sia preferences corresponding to hosts e.g., N -acetylneuraminic acid (Neu5Ac; prominent in humans) or N -glycolylneuraminic acid (Neu5Gc; prominent in ruminant mammals and rodents). Consistent with much broader host range of Y. pestis , YpeB binds all mammalian sialic acid types, except for 4-O-acetylated ones. Notably, YpeB alone causes dose-dependent cytotoxicity, abolished by a mutation (Y77F) eliminating Sia recognition, suggesting cell proliferation and death via lectin-like cross-linking of cell surface sialoglycoconjugates. These findings help explain the host range of Y. pestis and could be important for pathogenesis. Overall, our data indicate ongoing rapid evolution of both host Sias and pathogen toxin-binding properties.

Abstract Vertebrate sialic acids (Sias) display much diversity in modifications, linkages and underlying glycans. Slide microarrays allow high-throughput explorations of sialoglycan-protein interactions. A microarray presenting ∼150 structurally-defined sialyltrisaccharides with various Sias linkages and modifications still poses challenges in planning, data sorting, visualization and analysis. To address these issues, we devised a simple 9-digit code for sialyltrisaccharides with terminal Sias and underlying two monosaccharides assigned from the non-reducing end, with three digits assigning a monosaccharide, its modifications, and linkage. Calculations based on the encoding system reveals >113,000 likely linear sialyltrisaccharides in nature. Notably a biantennary N -glycan with two terminal sialyltrisaccharides could thus have >10 10 potential combinations and a triantennary N -glycan with three terminal sequences, >10 15 potential combinations. While all possibilities likely do not exist in nature, sialoglycans encode enormous diversity. While glycomic approaches are used to probe such diverse sialomes, naturally-occurring bacterial AB 5 toxin B subunits are simpler tools to track the dynamic sialome in biological systems. Sialoglycan microarray was utilized to compare sialoglycan-recognizing bacterial toxin B subunits. Unlike the poor correlation between B subunits and species phylogeny, there is stronger correlation with Sia-epitope preferences. Further supporting this pattern, we report a B subunit (YenB) from Yersinia enterocolitica (broad host range) recognizing almost all sialoglycans in the microarray, including 4- O -acetylated-Sias not recognized by a Y. pestis orthologue (YpeB). Differential Sia-binding patterns were also observed with phylogenetically-related B subunits from Escherichia coli (SubB), Salmonella Typhi (PltB), S . Typhimurium (ArtB), extra-intestinal E . coli ( Ec PltB), Vibrio cholera (CtxB), and cholera family homologue of E. coli (EcxB).