Characterisation of polysialic acid in human blood

Sialinsäuren sind alpha-Ketosäuren, die ein Grundgerüst aus neun Kohlenstoffatomen besitzen und eine Carboxylgruppe in C1-Position sowie eine Ketogruppe in C2-Position trägt. Von den natürlich vorkommenden über 50 Neuraminsäure-Derivaten werden nur wenige für die Biosynthese von Oligo- bzw. Polysialinsäuren (PolySia) benutzt. Dabei spielt in Säugern für den Aufbau einer alpha2,8-verknüpften Polysialinsäurekette, die durchaus mehr als 50 Einzelbausteine besitzen kann, die N-Acetylneuraminsäure die wichtigste Rolle. Durch den Grundaufbau ist dieser saure Zucker ein stark negativ geladenes Molekül, welches als posttranslationale Modifikation auf Proteinen vorkommen kann. Die häufigsten Forschungsergebnisse brachten PolySia mit der Regulation von Migrationsprozessen und Zell-Zell-Kontakten als Oberflächenbestandteil von Zellen des Nervensystems in Verbindung, eine Funktion die PolySia scheinbar auch in anderen Organsystemen während der Entwicklung übernimmt. Darüber hinaus konnten aber auch viele andere Funktionen von PolySia nachgewiesen werden, wie z.B. die Interaktion mit extrazellulären Histonen sowie die Inaktivierung derer zytotoxischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit konnte PolySia sowohl in Kälberserum als auch im Blutserum sowie Blutplasma von Menschen detektiert werden. Interessanterweise waren sowohl im Serum als auch im Plasma die PolySia-Ketten mit mehr als 30 Sialinsäureresten potenzielle Bindungspartner für extrazelluläre Histone. Tatsächlich zeigten die Versuche, dass PolySia und Histon H1 in Plasma miteinander interagieren. Zudem war PolySia im Plasma auch in Proteinlysaten von isolierten extrazellulären Vesikeln nachweisbar. Basierend darauf wurden die Auswirkungen von extrazellulären Vesikel auf die Zytotoxizität von Histonen überprüft. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein Abfall der Zytotoxizität von Histonen durch extrazelluläre Vesikel erreicht werden kann. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass PolySia in Verbindung mit Histon H 1 und extrazellulären Vesikeln im Blut vorliegt und im Blutsystem einen positiven Einfluss auf die Zytotoxizität von extrazellulären Histonen haben könnte. Dieses Zusammenspiel zwischen Histonen, NET, extrazellulären Vesikeln und PolySia könnte diverse physiologische Mechanismen beeinflussen. Daraus könnten sich Möglichkeiten zur Diagnostik und Therapie verschiedenster, mit NET assoziierter Veränderungen ergeben, die Teil weiterer Forschungsarbeiten sein werden.Sialic acids are alpha-keto acids with a 9 carbon backbone possessing a carboxyl group in C1 position and a ketone in the C2-position. Although the family of sialic acids consists of 50 different members in nature, only a few of them are used in the biosynthesis of oligo- and polysialic acid (polySia). In mammals, polySia consists of alpha2,8-linked N-acetylneuramic acid residues forming polymers which can reach chain lengths of more than 50 N-acetylneuramic acid residues. PolySia is a polyanionic molecule and can be present as a post translational modification of proteins. Most studies have described a primarily regulatory effect of polySia on the modulation of cell-cell-contacts and migration processes as a component of the cellular surface of neuronal cells, a function, which may also play a role during the development of organs other than the brain. Several additional functions of polySia have been described, such as the interaction of polySia and extracellular histones and the inactivation of the cytotoxic characteristics of histones. In the present doctoral thesis polySia was observed in fetal calf serum in addition to human serum and plasma. Interestingly, the polySia chains can contain more than 30 sialic acid residues in serum and plasma and are thus long enough to bind extracellular histones and inactivate their cytotoxicity. Subsequently, experiments were performed demonstrating that polySia interacts with histone H1 in plasma. PolySia was also detectable in protein lysates of isolated extracellular vesicles of human plasma. Based on these findings, the capability of extracellular vesicles to inhibit the cytotoxicity of extracellular histones was tested. Experiments demonstrated a cytoprotective effect of extracellular vesicles against the cytotoxicity of extracellular histones. In summary, this research has demonstrated that polySia is associated with histone H1 and extracellular vesicles in blood, which might represent a buffer system against extracellular histones in blood. The interplay between histones, neutrophil extracellular traps, extracellular vesicles and polySia may influence several physiological mechanisms. This paves the way for novel opportunities in diagnostics and therapeutics, targeting, for instance, NET associated pathologies