Una scoperta casuale presso l’Università di Nagoya, in Giappone, ha dimostrato che un noto enzima cerebrale possiede una capacità nascosta: costruisce una catena di zuccheri su se stesso, viene secreto dalla cellula e si disattiva, per poi riattivarsi all’esterno della cellula una volta rimossa la catena. La scoperta, pubblicata sul Journal of Biological Chemistry , ribalta un’ipotesi vecchia di decenni sulla produzione dell’acido polisialico, una catena di zuccheri fondamentale per lo sviluppo e la funzione cerebrale, e mostra un nuovo modo in cui un enzima può regolare la propria attività.
Le catene di zucchero del cervello
Il cervello umano è ricoperto da catene di zuccheri, o glicani, strutture molecolari che rivestono le cellule e ne regolano la comunicazione. Uno dei più importanti è l’acido polisialico, una lunga catena presente principalmente nel cervello.
L’acido polisialico impedisce alle cellule cerebrali di aderire eccessivamente l’una all’altra e si lega ai fattori di crescita e alle neurotrofine per regolare la presentazione dei loro recettori. In questo modo, svolge un ruolo chiave nell’apprendimento, nella memoria e nello sviluppo neurale. È importante sottolineare che queste catene di zuccheri si modificano rapidamente in risposta all’attività cerebrale. Si ritiene che la capacità di ripristinarle velocemente sia essenziale per il normale funzionamento del cervello.
Fino ad ora, gli scienziati ritenevano che solo due enzimi fossero responsabili della sintesi dell’acido polisialico nel cervello: ST8Sia2 e ST8Sia4.
Una scoperta casuale
Il gene ST8Sia5 è stato scoperto nel 1996 ed era noto solo per la sua capacità di produrre molecole lipidiche cerebrali chiamate gangliosidi. La sua capacità di produrre acido polisialico era sconosciuta fino ad ora.
L’enzima esiste in tre forme, corta (S), media (M) e lunga (L), che differiscono solo per la lunghezza di una regione strutturale. Solo la forma lunga, ST8Sia5L, ha mostrato questa attività recentemente scoperta. A differenza delle forme corta e media, ST8Sia5L si localizza in un diverso compartimento intracellulare, il che potrebbe consentirle di subire l’autopolisialilazione. La funzione delle forme corta e media non è ancora nota.
L’Istituto per la ricerca sul glico-core dell’Università di Nagoya (iGCORE) aveva testato tutti e sei i membri della famiglia enzimatica ST8Sia.
“Abbiamo scoperto che un terzo enzima, ST8Sia5, produce anch’esso acido polisialico, ma solo su se stesso e solo nella sua forma più lunga, ST8Sia5L“, ha affermato il primo autore Fumiya Sakamoto.
Chihiro Sato, coautore e direttore di iGCORE, ha dichiarato: “Stavamo analizzando ogni enzima singolarmente e abbiamo scoperto questa attività per caso”.
Quattro scoperte che definiscono questo meccanismo:
- 1. L’enzima crea il proprio interruttore di spegnimento. A differenza della maggior parte dei meccanismi di regolazione enzimatica, in cui una molecola separata attiva o disattiva un enzima, ST8Sia5L si modifica autonomamente. Costruisce catene di acido polisialico direttamente sulla propria struttura, un processo chiamato autopolisialilazione. Non è necessario alcun regolatore esterno.
- 2. La catena di zuccheri funge da interruttore. L’acido polisialico non è generalmente noto come regolatore dell’attività enzimatica, ma in questo caso agisce come tale. Finché la catena è attaccata, la funzione dell’enzima di sintesi dei gangliosidi viene completamente soppressa. Questo rappresenta un nuovo ruolo per l’acido polisialico.
- 3. L’automodificazione è legata alla secrezione. Una volta rivestito di acido polisialico, l’enzima viene staccato dalla membrana cellulare dagli enzimi metalloproteasi e rilasciato nel fluido extracellulare. Il rivestimento zuccherino non si limita a silenziare l’enzima, ma è anche associato al suo rilascio dalla cellula.
- 4. L’enzima si riattiva all’esterno della cellula. I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che l’enzima secreto, raccolto dall’esterno della cellula, riacquista la sua attività di sintesi dei gangliosidi una volta rimosse le catene di acido polisialico. Ciò potrebbe accadere, ad esempio, quando gli enzimi sialidasi vengono rilasciati durante periodi di stress o infiammazione. La riattivazione non richiede che l’enzima rientri nella cellula.
Una scoperta sorprendente anche per altri enzimi.
La famiglia ST8Sia comprende enzimi che sintetizzano acido sialico, ma si differenziano per la lunghezza della catena che costruiscono. La maggior parte ne aggiunge solo due o tre unità. ST8Sia2 e ST8Sia4 erano gli unici noti per la capacità di sintetizzare lunghe catene di acido polisialico. Ora anche ST8Sia5L si è unita a questo gruppo, ma con una differenza fondamentale: sintetizza la catena lunga solo su se stessa, non su altre molecole.
Lo studio ha inoltre scoperto, per la prima volta, che ST8Sia2 e ST8Sia4 vengono secreti dalle cellule in una forma rivestita di acido polisialico. Il significato di ciò per questi enzimi non è ancora noto.
Implicazioni più ampie
Una delle implicazioni concettuali più significative dello studio riguarda i punti dell’organismo in cui può avvenire la modificazione degli zuccheri.
“Si è sempre ipotizzato che il processo di aggiunta di catene di zucchero alle molecole, chiamato glicosilazione, avvenga all’interno della cellula”, ha affermato Sato. “Questo studio fornisce la prova che la modificazione può avvenire anche all’esterno della cellula.”
Il team di ricerca ipotizza che, dopo il rilascio, l’enzima possa spostarsi in siti specifici sulla superficie cellulare e riparare rapidamente le strutture gangliosidiche danneggiate, senza la necessità di rientrare prima nella cellula. Il percorso convenzionale per la riparazione dei gangliosidi richiede che la molecola ritorni all’interno della cellula per essere modificata. Questo meccanismo di “recupero in loco” , se confermato, rappresenterebbe un’alternativa molto più rapida. L’ipotesi è attualmente oggetto di studio.
ST8Sia5L potrebbe anche svolgere un ruolo nella regolazione della microglia, le cellule immunitarie del cervello. I ricercatori ipotizzano che il rivestimento di acido polisialico sull’enzima secreto possa interagire con molecole recettoriali inibitorie chiamate Siglec presenti sulla microglia, contribuendo a tenere sotto controllo l’attivazione immunitaria in condizioni normali.
Durante periodi di infiammazione o stress, gli enzimi sialidasi potrebbero rimuovere questo rivestimento, consentendo alle risposte immunitarie di procedere e liberando al contempo l’enzima, che può così riprendere la sua attività di sintesi dei gangliosidi sulla superficie cellulare.
Astratto
L’acido polisialico (polySia) è un polimero lineare dell’acido sialico, che solitamente modifica i N- glicani sulla molecola di adesione cellulare neuronale (NCAM), presente soprattutto nel cervello, ed è coinvolto nel suo sviluppo. Il polySia è anche associato a diverse patologie, tra cui disturbi mentali e tumori. Si ritiene che ST8Sia2 e ST8Sia4 siano le uniche polisialiltransferasi in grado di sintetizzare il polySia sulla NCAM (polisialilazione della NCAM). Questi enzimi sono anche autopolisialilati. In questo studio, abbiamo scoperto per la prima volta che ST8Sia5L, una sialiltransferasi ganglioside-specifica, possiede l’attività di sintetizzare l’acido polisialico sulla ST8Sia5 stessa, ma non presenta l’attività di polisialilazione della NCAM. In particolare, le analisi in silico e biochimiche hanno rivelato che ST8Sia5L contiene un nuovo motivo di intrappolamento dell’acido polisialico (PSTM) essenziale per l’allungamento del poliSia, invece del dominio polisialiltransferasico convenzionale (PSTD) presente in ST8Sia2 e ST8Sia4. Abbiamo anche scoperto che ST8Sia5L autopolisialilato viene secreto dalle cellule. Per identificare i siti di autopolisialilazione coinvolti nella secrezione, abbiamo eseguito Gli esperimenti di interruzione del sito di N -glicosilazione hanno rivelato che N92 e N277, tra i cinque siti di N -glicosilazione, sono importanti per questo fenomeno. Inoltre, gli esperimenti con inibitori hanno mostrato che alcune metalloproteasi, ma non le vie esosomiali, sono coinvolte nella secrezione. In particolare, l’enzima autopolisialilato secreto non ha mostrato attività di ganglioside-sialilazione; tuttavia, l’attività è stata ripristinata quando il poliSia è stato rimosso mediante trattamento con sialidasi. Nel complesso, dimostriamo che l’autopolisialilazione di ST8Sia5L regola sia la sua secrezione che l’attività sialiltransferasica convenzionale.
Fumiya Sakamoto et al, A novel autopolysialylation activity of the ganglioside sialyltransferase ST8Sia5 regulates its secretion and enzyme activity, Journal of Biological Chemistry (2026). DOI: 10.1016/j.jbc.2026.113106
“Anomalie dell’acido polisialico sono state associate anche alla schizofrenia, ma il meccanismo alla base di questo legame non è ancora chiaro”, ha affermato Ken Kitajima, coautore e professore presso l’iGCORE. “L’enzima polisialilato secreto è un potenziale candidato per ulteriori indagini in questo contesto.”
Per testare queste ipotesi in un sistema vivente, il team sta generando topi in cui il gene ST8Sia5 è stato disattivato. I ricercatori intendono inoltre studiare la funzione sconosciuta di ST8Sia5S e ST8Sia5M, che si localizzano entrambi in un compartimento cellulare differente.
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