Influence of genetic and environmental factors on N-glycosylation of immunoglobulin G and total plasma proteins determined by twin study

disertacija

• Naslov (hrvatski): Utjecaj genskih i okolišnih čimbenika na N-glikozilaciju imunoglobulina G i ukupnih plazmatskih proteina određen studijom na blizancima
• Autor: Toma Keser
• Mentor: Gordan Lauc (mentor)
• Član povjerenstva: Olga Gornik (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Jerka Dumić (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Ingeborg Barišić (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Farmaceutsko-biokemijski fakultet; Zagreb
• Datum i država obrane: 2016-07-12, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: BIOMEDICINA I ZDRAVSTVO; Farmacija; Farmacija
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 615 - Farmakologija. Terapeutika. Toksikologija

Sažetak

Glycans constitute the most abundant and diverse form of the post-translational modifications. While genes
unequivocally determine the structure of each polypeptide, there is no genetic template for the glycan part.
Instead, hundreds of genes and their products interact in the very complex pathway of glycan biosynthesis
which is further complicated by environmental influences. Therefore, the aim of this thesis was to
determine the extent to which individual differences in immunoglobulin G and total plasma proteins
glycosylation patterns reflect genetic versus environmental influences. A twin study design was used and
study subjects were twins enrolled in the TwinsUK registry, a national register of adult twins. More than
4500 samples were analyzed by HILIC-UPLC (Hydrophilic Interaction Ultra Performance Liquid
Chromatography). A high contribution of the genetic component to N-glycome composition was found.
Variation in levels of 51 of the 76 IgG glycan traits studied was at least 50% heritable and only a small
proportion of N-glycan traits had a low genetic contribution. Heritability of plasma N-glycome was also
high, with half of the plasma glycan traits being at least 50% heritable. Further, epigenome-wide association
(EWA) analysis showed that methylation levels at some genes are also implicated in glycome composition,
both in those with high heritability and those with a lower genetic contribution. The study to investigate the
potential role of glycosylation in kidney function was also conducted. Fourteen IgG glycan traits were
associated with renal function in discovery population and remained significant after validation in an
independent subset of monozygotic twins discordant for renal disease, reflecting difference in
galactosylation, sialylation, and level of bisecting N-acetylglucosamine. Using the weighted correlation
network analysis (WGCNA) for IgG glycan traits, a correlation between low back pain (LBP) and glycan
modules was established. There was a weak positive correlation between pain phenotypes and "proantibody-
dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC)" WGCNA glycan modules (high bisecting Nacetylglucosamine
and low core fucose) and a weak negative correlation between pain phenotypes and
"anti-ADCC" module (high core fucose, no bisecting N-acetylglucosamine). This suggests that glycans are
promising candidates for biomarkers in many different diseases.

Sažetak (hrvatski)

Glikani predstavljaju najzastupljeniji i najraznolikiji oblik posttranslacijske modifikacije. Dok geni
nedvosmisleno određuju strukturu svakog polipeptida, za sintezu glikana ne postoji genski predložak.
Umjesto toga, stotine gena i njihovih produkata sudjeluju u vrlo kompleksnoj biosintezi glikana koju
okolišni utjecaji čine još složenijom. Stoga je cilj ovog doktorskog rada odrediti razmjer kojim genski i
okolišni čimbenici utječu na N-glikane imunoglobulina G (IgG) i ukupnih glikoproteina plazme. Da bi se
postigao navedeni cilj, upotrijebljena je studija na blizancima. Ispitanici su regrutirani TwinsUK registrom,
najvećim registrom blizanaca u Velikoj Britaniji. Više od 4500 uzoraka analizirano je HILIC-UPLC
metodom (kromatografijom vrlo visoke djelotvornosti temeljenoj na hidrofilnim interakcijama, eng.
Hydrophilic Interaction Ultra Performance Liquid Chromatography). Velika genska komponenta
(heritabilnost ≥ 50%) pokazana je za 51 od 76 glikanskih svojstava IgG-a. Nasuprot tome, samo je 12
glikanskih svojstava IgG-a pokazalo malu gensku komponentu. Heritabilnost plazmatskog N-glikoma
također se pokazala velikom. Polovica plazmatskih glikanskih svojstava bila je barem 50% heritabilna.
Epigenomska asocijacijska analiza pokazala je da razina metilacije na nekim genima također utječe na
sastav glikoma, i to na visokoheritabilne i niskoheritabilne glikane. Također je provedeno prvo istraživanje
potencijalne uloge IgG glikozilacije u funkciji bubrega. U prvoj je analizi pronađena značajna povezanost s
bubrežnom funkcijom za 14 glikanskih svojstava, a ostala je značajna i nakon validacije na neovisnoj
podskupini monozigotnih blizanaca diskordantnih za bubrežnu funkciju. Ta glikanska svojstva pripadaju
trima glavnim glikozilacijskim karakteristikama IgG-a: galaktozilaciji, sijalinizaciji i razini račvajućeg Nacetilglukozamina.
Koristeći se WGCNA (eng. weighted correlation network analysis) metodologijom,
provedena je mrežna analiza razina IgG glikana kod blizanaca, da bi se uspostavili klasteri koreliranih
glikana. Pronađene su povezanosti između tih klastera i fenotipova boli kod blizanaca s LBP-om. Opažena
je pozitivna korelacija između fenotipova boli i „pro-stanična citotoksičnost ovisna o protutijelima (eng.
antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)“ WGCNA glikanskog modula (visoka razina
račvajućeg N-acetilglukozamina i niska razina sržne fukoze) te negativna korelacija između fenotipova boli
i „anti-ADCC“ modula (visoka razina sržne fukoze, bez račvajućeg N-acetilglukozamina). Rezultati
pokazuju da su glikani obećavajući biomarkeri za mnoge bolesti.

• Ključne riječi: IgG glycome; total plasma glycome; N-glycosylation; glycan analysis; HILIC; twin study; heritability; chronic kidney disease; low back pain
• Ključne riječi (hrvatski): IgG glikom; ukupni plazmatski glikom; N-glikozilacija; analiza glikana; HILIC; studija na blizancima; kronična bubrežna bolest; bol u donjem dijelu leđa
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:163:247536
• Studijski program: Naziv: Farmaceutsko-biokemijske znanosti; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski doktorski; Akademski / stručni naziv: doktor znanosti (dr. sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2016-11-29 11:33:32