Exploring the interaction abilities of Galectin-3 using the sensitive force probe optical tweezers

Abstract

Glykaner har den unike evnen til å vise og lagre et høyt innhold av kompleks biologisk informasjon, noe som gjør dem essensielle for flere cellulære aktiviteter. Kompleksiteten forbundet med glykanstrukturer har likevel gitt store utfordringer med å avdekke deres egenskaper. Galektiner er glykanbindende proteiner (GBPs) som kjennetegnes ved sin spesifisitet til β-galaktosider. Disse molekylene leser og oversetter informasjonen uttrykt av glykaner til passende cellulære responser. Foreløpig har ikke glykan-GBP gjenkjennelsen som styrer spesifisiteten for den funksjonelle koblingen blitt fullstendig skissert. Dermed vil en forbedret forståelse av glykan-GBP interaksjoner være av interesse for å avsløre struktur-aktivitet forholdet mellom disse komplekse molekylene.

Denne oppgaven bygger videre og kompletterer arbeidet som ble initiert i masteroppgaven til Sylvi Oliva Kjær fra 2018. Målet med studien er å undersøke interaksjonsevnene til to forskjellige strukturelle former av Galektin-3 (villtype og homodimer) ved å bruke glykoproteinet asialofetuin (ASF) som ligand. Galektinene og glykoproteinet ble immobilisert på polystyrenkuler og de intermolekylære bindingskreftene ble kvantifisert ved brukt av optisk pinsett.

Resultatene fra denne studien bekrefter at interaksjoner oppstår mellom ASF og henholdsvis Gal-3 WT og Gal-3 homodimer. Ved å benytte seg av Bell-Evans modellen var det mulig å få innsikt i energilandskapet til begge systemene. Det ble funnet at bruddkreftene økte fra 6.2 pN til 17.6 pN for kraftlastrater mellom 38 pN/s og 406 pN/s for Gal-3 WT - ASF systemet, og økte fra 5.7 pN til 27.8 pN for kraftlasterater mellom 38 pN/s og 309 pN/s for Gal-3 homodimer – ASF systemet. I tillegg, basert på parameterne som karakteriserer energilandskapet, ble det identifisert at to energibarrier eksisterer for begge systemene. Sammenligningen av resultatene på de to Gal-3 systemene ved lave kraftlastrater, viste at Gal-3 homodimer oppnår høyere bruddkrefter, lengre levetid og kortere separasjonsavstand enn Gal-3 WT. Siden begge strukturene av Gal-3 har identiske bindingsseter, kan forskjellene antyde at Gal-3 WT blir funnet som monomer i løsning, mens Gal-3 homodimer binder seg til liganden gjennom begge de aktive bindingssetene.

Glycans have the remarkable ability to display and store a high content of complex biological information, making them essential for several cellular activities. However, the complexity associated with the glycan structures has posed significant challenges in order to uncover their properties. Galectins are glycan-binding proteins (GBPs) characterized by specificity to β-galactosides. These molecules read and translate the information expressed by glycans and convert it into appropriate cellular responses. Currently, the glycan-GBP recognition regulating the specificity for the functional pairing is not completely outlined. Hence, an improved understanding of the glycan-GBP interactions is of interest in order to reveal the structure-activity relationship of these complex molecules.

This master thesis builds on and complements the work that was initiated in the master thesis of Sylvi Oliva Kjær in 2018. The scope of the present study was to investigate the interaction abilities of two different structural forms of Galectin-3 (wild-type and homodimer) using the glycoprotein asialofetuin (ASF) as a ligand. The galectins and glycoprotein were immobilized on polystyrene beads and the inter-molecular binding forces were quantified by using optical tweezers.

The results from this study confirm that ASF interacts with both Gal-3 WT and Gal-3 homodimer. By utilizing the Bell-Evans model it was possible to gain insight into the energy landscape of the two systems. Rupture forces were found to increase from 6.2 pN to 17.6 pN at loading rates between 39 pN/s and 406 pN/s for the Gal-3 WT - ASF system, and increase from 5.7 pN to 27.8 pN at loading rates between 38 pN/s and 309 pN/s for the Gal-3 homodimer - ASF system. Additionally, based on the parameters characterizing the energy landscape, it was identified that two energy barriers exist along the unbinding pathway for both systems. The comparison of the Gal-3 systems at low loading rates reveals that the Gal-3 homodimer exhibits higher rupture forces, longer lifetime and shorter separation distance compared to the Gal-3 WT. Since both structures of Gal-3 have identical binding sites, the differences can imply that Gal-3 WT is found as a monomer in solution, whereas the Gal-3 homodimer binds to the ligand through both the active binding sites.