Strukturelle Charakterisierung der Glykosphingolipide aus adulten Würmern von Schistosoma mansoni

Abstract

Durch eine gezielte Kombination verschiedener strukturanalytischer Ansätze sowie unter Einbeziehung immunologischer Methoden wurde im Rahmen dieser Arbeit ein sehr detaillierter Einblick in die strukturelle Vielfalt von Glykosphingolipiden (GSL) aus adulten Würmern von Schistosoma mansoni gewonnen. Basierend auf der massenspektrometrischen Analyse enzymatisch freigesetzter sowie derivatisierter Oligosaccharide konnten Vorschläge zur Struktur von insgesamt 11 verschiedenen Kohlenhydrat-Komponenten komplexer GSL-Spezies erarbeitet werden. Unter Berücksichtigung strukturspezifischer Fragmentierungspfade ermöglichte hierbei eine Abwägung registrierter Signalintensitäten neben der Identifizierung der vorherrschenden Strukturisomere gleichfalls Aussagen zur Präsenz isomerer Nebenkomponenten. In Übereinstimmung mit Literaturangaben und unter Einbeziehung des Bindungsverhaltens der Adultwurm-GSL gegenüber verschiedenen monoklonalen Antikörpern wurde so auf die Expression der Kohlenhydratepitope LacNAc, LeX, F-LDN, LDN-F, F-LDN-F, DF-LDN, LDN-DF, F-LDN-DF, DF-LDN-F und DF-LDN-DF geschlossen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse konnten präzise Vorschläge zu möglichen Biosynthesewegen von GSL aus adulten Würmern abgeleitet werden.Darüber hinaus erlaubte die Etablierung einer Methode zum enzymatischen Verdau nativer GSL mit Sphingolipid-Ceramid-N-Deacylase im Mikro-Maßstab anhand der nachfolgenden Analyse hierbei gebildeter Lyso-GSL und freigesetzter Fettsäuren detaillierte Aussagen zur Zusammensetzung der Ceramid-Komponenten dieser GSL. Mit dieser Strategie wurde unter ausschließlicher Verwendung massenspektrometrischer Routineverfahren erstmals gezeigt, dass in den Ceramid-Komponenten LeX-tragender GSL aus Cercarien überwiegend Kombinationen aus C18- bis C20-Sphinganinen und langkettigen Fettsäuren mit 24 bis 28 Kohlenstoffatomen vorherrschen. Im Gegensatz hierzu wiesen komplexe GSL aus adulten Würmern C18-Sphingosin als Hauptkomponente LeX-tragender GSL auf, so dass parallel auf die Präsenz kurzkettiger Fettsäuren mit 16 bzw. 18 Kohlenstoffatomen in den entsprechenden Ceramid-Anteilen geschlossen werden konnte. Diese stadienspezifischen Unterschiede lieferten strukturbasierte Erklärungsansätze für die in früheren Untersuchungen beobachteten divergierenden immunmodulatorischen Eigenschaften komplexer GSL aus Cercarien und adulten Würmern.Neben detaillierten Einblicken in die strukturelle Diversität der Kohlenhydrat- und Ceramid-Komponenten von GSL aus S. mansoni liefern die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Resultate somit den Ausgangspunkt für nachfolgende Untersuchungen zu funktionellen Eigenschaften dieser Substanzklasse.

Within this doctoral thesis a detailed insight into the structural heterogeneity of glycosphingolipids (GSLs) from adult Schistosoma mansoni could be obtained by systematic combination of different analytical approaches including mass spectrometry as well as immunological methods.Mass spectrometric analyses of enzymatically released and, in part, derivatized oligosaccharides allowed an in-depth structural characterisation of in total 11 different carbohydrate moieties of complex GSLs. Next to the detection of preponderant isomers, identification of minor ones was performed on the basis of the relative peak intensities of detected signals in overall consideration of the registered fragmentation pattern. In parallel, binding of complex GSLs by various monoclonal antibodies directed against distinct carbohydrate epitopes has been investigated. Based on this analytical strategy and in agreement with literature data available, expression of the following carbohydrate epitopes on complex GSLs of adult worms could be deduced: LacNAc, LeX, F-LDN, LDN-F, F-LDN-F, DF-LDN, LDN-DF, F-LDN-DF, DF-LDN-F and DF-LDN-DF. Moreover, detailed biosynthetic pathways of the carbohydrate moieties of complex GSLs from adult S. mansoni could be predicted.Furthermore, a microscale approach for enzymatic digestion of native GSLs with sphingolipid ceramide N-deacylase was developed. Application of this method allowed a precise characterisation of respective ceramide compositions by mass spectrometric analysis of resulting lyso-GSLs as well as released fatty acids. To this end, solely routine mass spectrometric techniques are required. Obtained results revealed that the ceramide units of cercarial LeX exhibiting GSLs are dominated by C18- to C20-sphinganines in combination with long-chained fatty acids of 24 to 28 carbon atoms. In contrast, respective GSLs of adult worms were based mainly on C18-sphingosine and short-chained fatty acids with 16 or 18 carbon atoms. Observed stage-specific differences of the ceramide moieties of LeX exhibiting GSLs may explain the published observation that only adult worm, but not cercarial GSLs are able to induce dendritic cell activation, skewing the T cell response towards a Th 1 profile.In addition to the gained insight into the structural diversity of both carbohydrate as well as ceramide moieties of GSLs from S. mansoni, the results of this doctoral thesis provide a structural basis for further studies on functional aspects of schistosomal GSLs.