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Glycoengineering

Analiza e ingenia la glicosilación de proteínas: escanea sequones de N-glicosilación (N-X-S/T), predice puntos calientes de O-glicosilación y da acceso a herramientas curadas (NetOGlyc, GlycoShield) para anticuerpos y vacunas.

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npx -y skills add K-Dense-AI/scientific-agent-skills --skill glycoengineering --agent claude-code

Se instala solo en este repositorio.

Este skill makes network requests.

Qué hace

  • Escanea secuencias de proteína en busca de sequones de N-glicosilación (N-X-S/T) con posición y contexto
  • Predice heurísticamente puntos calientes de O-glicosilación por densidad local de Ser/Thr, como línea base rápida
  • Da funciones para eliminar o introducir sitios de N-glicosilación mediante mutaciones puntuales
  • Reúne herramientas externas curadas (NetOGlyc, NetNGlyc, GlycoShield-MD, GlycoWorkbench, GlyConnect, UniCarbKB) y estrategias de anticuerpos

Úsalo cuando

  • Estás optimizando la glicosilación de Fc de un anticuerpo (ADCC, CDC o inmunogenicidad)
  • Necesitas identificar sitios de glicosilación que afectan vida media, estabilidad o inmunogenicidad de una proteína terapéutica
  • Vas a diseñar un escudo de glicanos para un antígeno de vacuna o comparar patrones de glicano entre un biosimilar y su referencia

No lo uses cuando

    Qué lo activa

    Di cualquiera de estas frases y el agente debería cargar este skill.

    • Busca los sitios de N-glicosilación en esta secuencia de anticuerpo
    • Elimina el sitio de glicosilación en la posición 297
    • Predice los puntos calientes de O-glicosilación de esta proteína
    • ¿Qué mutación reduce la inmunogenicidad de este Fc?

    SKILL.md

    En inglés

    Glycoengineering

    Overview

    Glycosylation is the most common and complex post-translational modification (PTM) of proteins, affecting over 50% of all human proteins. Glycans regulate protein folding, stability, immune recognition, receptor interactions, and pharmacokinetics of therapeutic proteins. Glycoengineering involves rational modification of glycosylation patterns for improved therapeutic efficacy, stability, or immune evasion.

    Two major glycosylation types:

    • N-glycosylation: Attached to asparagine (N) in the sequon N-X-[S/T] where X ≠ Proline; occurs in the ER/Golgi
    • O-glycosylation: Attached to serine (S) or threonine (T); no strict consensus motif; primarily GalNAc initiation

    When to Use This Skill

    Use this skill when:

    • Antibody engineering: Optimize Fc glycosylation for enhanced ADCC, CDC, or reduced immunogenicity
    • Therapeutic protein design: Identify glycosylation sites that affect half-life, stability, or immunogenicity
    • Vaccine antigen design: Engineer glycan shields to focus immune responses on conserved epitopes
    • Biosimilar characterization: Compare glycan patterns between reference and biosimilar
    • Drug target analysis: Does glycosylation affect target engagement for a receptor?
    • Protein stability: N-glycans often stabilize proteins; identify sites for stabilizing mutations

    N-Glycosylation Sequon Analysis

    Scanning for N-Glycosylation Sites

    N-glycosylation occurs at the sequon N-X-[S/T] where X ≠ Proline.

    import re
    from typing import List, Tuple
    
    def find_n_glycosylation_sequons(sequence: str) -> List[dict]:
        """
        Scan a protein sequence for canonical N-linked glycosylation sequons.
        Motif: N-X-[S/T], where X ≠ Proline.
    
        Args:
            sequence: Single-letter amino acid sequence
    
        Returns:
            List of dicts with position (1-based), motif, and context
        """
        seq = sequence.upper()
        results = []
        i = 0
        while i <= len(seq) - 3:
            triplet = seq[i:i+3]
            if triplet[0] == 'N' and triplet[1] != 'P' and triplet[2] in {'S', 'T'}:
                context = seq[max(0, i-3):i+6]  # ±3 residue context
                results.append({
                    'position': i + 1,   # 1-based
                    'motif': triplet,
                    'context': context,
                    'sequon_type': 'NXS' if triplet[2] == 'S' else 'NXT'
                })
                i += 3
            else:
                i += 1
        return results
    
    def summarize_glycosylation_sites(sequence: str, protein_name: str = "") -> str:
        """Generate a research log summary of N-glycosylation sites."""
        sequons = find_n_glycosylation_sequons(sequence)
    
        lines = [f"# N-Glycosylation Sequon Analysis: {protein_name or 'Protein'}"]
        lines.append(f"Sequence length: {len(sequence)}")
        lines.append(f"Total N-glycosylation sequons: {len(sequons)}")
    
        if sequons:
            lines.append(f"\nN-X-S sites: {sum(1 for s in sequons if s['sequon_type'] == 'NXS')}")
            lines.append(f"N-X-T sites: {sum(1 for s in sequons if s['sequon_type'] == 'NXT')}")
            lines.append(f"\nSite details:")
            for s in sequons:
                lines.append(f"  Position {s['position']}: {s['motif']} (context: ...{s['context']}...)")
        else:
            lines.append("No canonical N-glycosylation sequons detected.")
    
        return "\n".join(lines)
    
    # Example: IgG1 Fc region
    fc_sequence = "APELLGGPSVFLFPPKPKDTLMISRTPEVTCVVVDVSHEDPEVKFNWYVDGVEVHNAKTKPREEQYNSTYRVVSVLTVLHQDWLNGKEYKCKVSNKALPAPIEKTISKAKGQPREPQVYTLPPSREEMTKNQVSLTCLVKGFYPSDIAVEWESNGQPENNYKTTPPVLDSDGSFFLYSKLTVDKSRWQQGNVFSCSVMHEALHNHYTQKSLSLSPGK"
    print(summarize_glycosylation_sites(fc_sequence, "IgG1 Fc"))
    

    Mutating N-Glycosylation Sites

    def eliminate_glycosite(sequence: str, position: int, replacement: str = "Q") -> str:
        """
        Eliminate an N-glycosylation site by substituting Asn → Gln (conservative).
    
        Args:
            sequence: Protein sequence
            position: 1-based position of the Asn to mutate
            replacement: Amino acid to substitute (default Q = Gln; similar size, not glycosylated)
    
        Returns:
            Mutated sequence
        """
        seq = list(sequence.upper())
        idx = position - 1
        assert seq[idx] == 'N', f"Position {position} is '{seq[idx]}', not 'N'"
        seq[idx] = replacement.upper()
        return ''.join(seq)
    
    def add_glycosite(sequence: str, position: int, flanking_context: str = "S") -> str:
        """
        Introduce an N-glycosylation site by mutating a residue to Asn,
        and ensuring X ≠ Pro and +2 = S/T.
    
        Args:
            position: 1-based position to introduce Asn
            flanking_context: 'S' or 'T' at position+2 (if modification needed)
        """
        seq = list(sequence.upper())
        idx = position - 1
    
        # Mutate to Asn
        seq[idx] = 'N'
    
        # Ensure X+1 != Pro (mutate to Ala if needed)
        if idx + 1 < len(seq) and seq[idx + 1] == 'P':
            seq[idx + 1] = 'A'
    
        # Ensure X+2 = S or T
        if idx + 2 < len(seq) and seq[idx + 2] not in ('S', 'T'):
            seq[idx + 2] = flanking_context
    
        return ''.join(seq)
    

    O-Glycosylation Analysis

    Heuristic O-Glycosylation Hotspot Prediction

    def predict_o_glycosylation_hotspots(
        sequence: str,
        window: int = 7,
        min_st_fraction: float = 0.4,
        disallow_proline_next: bool = True
    ) -> List[dict]:
        """
        Heuristic O-glycosylation hotspot scoring based on local S/T density.
        Not a substitute for NetOGlyc; use as fast baseline.
    
        Rules:
        - O-GalNAc glycosylation clusters on Ser/Thr-rich segments
        - Flag Ser/Thr residues in windows enriched for S/T
        - Avoid S/T immediately followed by Pro (TP/SP motifs inhibit GalNAc-T)
    
        Args:
            window: Odd window size for local S/T density
            min_st_fraction: Minimum fraction of S/T in window to flag site
        """
        if window % 2 == 0:
            window = 7
        seq = sequence.upper()
        half = window // 2
        candidates = []
    
        for i, aa in enumerate(seq):
            if aa not in ('S', 'T'):
                continue
            if disallow_proline_next and i + 1 < len(seq) and seq[i+1] == 'P':
                continue
    
            start = max(0, i - half)
            end = min(len(seq), i + half + 1)
            segment = seq[start:end]
            st_count = sum(1 for c in segment if c in ('S', 'T'))
            frac = st_count / len(segment)
    
            if frac >= min_st_fraction:
                candidates.append({
                    'position': i + 1,
                    'residue': aa,
                    'st_fraction': round(frac, 3),
                    'window': f"{start+1}-{end}",
                    'segment': segment
                })
    
        return candidates
    

    External Glycoengineering Tools

    1. NetOGlyc 4.0 (O-glycosylation prediction)

    Web service for high-accuracy O-GalNAc site prediction:

    import requests
    
    def submit_netoglycv4(fasta_sequence: str) -> str:
        """
        Submit sequence to NetOGlyc 4.0 web service.
        Returns the job URL for result retrieval.
    
        Note: This uses the DTU Health Tech web service. Results take ~1-5 min.
        """
        url = "https://services.healthtech.dtu.dk/cgi-bin/webface2.cgi"
        # NetOGlyc submission (parameters may vary with web service version)
        # Recommend using the web interface directly for most use cases
        print("Submit sequence at: https://services.healthtech.dtu.dk/services/NetOGlyc-4.0/")
        return url
    
    # Also: NetNGlyc for N-glycosylation prediction
    # URL: https://services.healthtech.dtu.dk/services/NetNGlyc-1.0/
    

    2. GlycoShield-MD (Glycan Shielding Analysis)

    GlycoShield-MD analyzes how glycans shield protein surfaces during MD simulations:

    # Installation
    uv pip install glycoshield
    
    # Basic usage: analyze glycan shielding from glycosylated protein MD trajectory
    glycoshield \
        --topology glycoprotein.pdb \
        --trajectory glycoprotein.xtc \
        --glycan_resnames BGLCNA FUC \
        --output shielding_analysis/
    

    3. GlycoWorkbench (Glycan Structure Drawing/Analysis)

    4. GlyConnect (Glycan-Protein Database)

    • URL: https://glyconnect.expasy.org/
    • Use: Find experimentally verified glycoproteins and glycosylation sites
    • Query: By protein (UniProt ID), glycan structure, or tissue
    import requests
    
    def query_glyconnect(uniprot_id: str) -> dict:
        """Query GlyConnect for glycosylation data for a protein."""
        url = f"https://glyconnect.expasy.org/api/proteins/uniprot/{uniprot_id}"
        response = requests.get(url, headers={"Accept": "application/json"})
        if response.status_code == 200:
            return response.json()
        return {}
    
    # Example: query EGFR glycosylation
    egfr_glyco = query_glyconnect("P00533")
    

    5. UniCarbKB (Glycan Structure Database)

    • URL: https://unicarbkb.org/
    • Use: Browse glycan structures, search by mass or composition
    • Format: GlycoCT or IUPAC notation

    Key Glycoengineering Strategies

    For Therapeutic Antibodies

    Goal Strategy Notes
    Enhance ADCC Defucosylation at Fc Asn297 Afucosylated IgG1 has ~50× better FcγRIIIa binding
    Reduce immunogenicity Remove non-human glycans Eliminate α-Gal, NGNA epitopes
    Improve PK half-life Sialylation Sialylated glycans extend half-life
    Reduce inflammation Hypersialylation IVIG anti-inflammatory mechanism
    Create glycan shield Add N-glycosites to surface Masks vulnerable epitopes (vaccine design)

    Common Mutations Used

    Mutation Effect
    N297A/Q (IgG1) Removes Fc glycosylation (aglycosyl)
    N297D (IgG1) Removes Fc glycosylation
    S298A/E333A/K334A Increases FcγRIIIa binding
    F243L (IgG1) Increases defucosylation
    T299A Removes Fc glycosylation

    Glycan Notation

    IUPAC Condensed Notation (Monosaccharide abbreviations)

    Symbol Full Name Type
    Glc Glucose Hexose
    GlcNAc N-Acetylglucosamine HexNAc
    Man Mannose Hexose
    Gal Galactose Hexose
    Fuc Fucose Deoxyhexose
    Neu5Ac N-Acetylneuraminic acid (Sialic acid) Sialic acid
    GalNAc N-Acetylgalactosamine HexNAc

    Complex N-Glycan Structure

    Typical complex biantennary N-glycan:
    Neu5Ac-Gal-GlcNAc-Man\
                           Man-GlcNAc-GlcNAc-[Asn]
    Neu5Ac-Gal-GlcNAc-Man/
    (±Core Fuc at innermost GlcNAc)
    

    Best Practices

    • Start with NetNGlyc/NetOGlyc for computational prediction before experimental validation
    • Verify with mass spectrometry: Glycoproteomics (Byonic, Mascot) for site-specific glycan profiling
    • Consider site context: Not all predicted sequons are actually glycosylated (accessibility, cell type, protein conformation)
    • For antibodies: Fc N297 glycan is critical — always characterize this site first
    • Use GlyConnect to check if your protein of interest has experimentally verified glycosylation data

    Additional Resources

    Reproducido de K-Dense-AI/scientific-agent-skills bajo licencia Unknown. Leer esta página en markdown.

    Archivos

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    K-Dense-AI
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