Kaj je človeški glicome? Kako so znanstveniki odklenili kodeks sladkorja

Ko pomislite na sladkor, verjetno pomislite na sladki, beli, kristalni sladkor, ki ga uporabljate za pripravo piškotkov ali sladkanje kave. Ali ste vedeli, da lahko v našem telesu preproste molekule sladkorja povežemo skupaj, da ustvarimo močne strukture, za katere je bilo nedavno ugotovljeno, da so povezane z zdravstvenimi težavami, vključno z rakom, staranjem in avtoimunskimi boleznimi.

Te dolge sladkorne verige, ki pokrivajo vsako od naših celic, se imenujejo glikani, in po podatkih Nacionalne akademije znanosti, ustvarjanje zemljevida njihove lokacije in strukture nas bo pripeljalo v novo obdobje moderne medicine. To je zato, ker človeški glycome - celotna zbirka sladkorjev v našem telesu - hrani še odkrite glikane, ki lahko pomagajo zdravnikom pri diagnosticiranju in zdravljenju njihovih bolnikov.

Zahvaljujoč svetovni pozornosti, ki jo je pridobila leta 2003, ko je bil zaključen projekt človeškega genoma, je večina ljudi slišala o DNK, genomiki in celo proteomiki - preučevanju beljakovin. Toda študija glikanov, znana tudi kot glikomika, je za približno 20 let zaostala za drugimi področji. Eden od razlogov za ta zamik je, da znanstveniki niso razvili orodij za hitro prepoznavanje glikanskih struktur in njihovih pritrdilnih mest na celicah ljudi. "Sladkorni plašč" je bil nekako skrivnosten.

Do sedaj, to je.

Medtem ko se večina laboratorijev osredotoča na celične ali molekularne raziskave, je naš laboratorij namenjen razvoju tehnologije za hitro karakteriziranje struktur glikana in njihovih pritrdilnih mest. Naš končni cilj je katalogizirati več sto tisoč sladkorjev in njihovih lokacij na različnih tipih celic, nato pa uporabiti te informacije za prilagoditev medicinskih terapij vsakemu posamezniku.

Ta videoposnetek vam bo morda všeč tudi Inverse:

Zakaj skrbimo za glikane?

V prihodnosti je verjetno, da bo analiza glikanov posameznika uporabljena za napovedovanje tveganja za razvoj bolezni, kot so revmatoidni artritis, rak ali celo alergije na hrano. Razlog za to je, da se lahko spremembe gliveza izrecno vežejo na določena bolezenska stanja. Tudi biološki procesi, kot je staranje, so povezani z vnetjem v našem glijemu. Še vedno je treba preizkusiti, ali lahko obračanje teh sprememb prepreči bolezni ali celo upočasni staranje - zanimiva možnost.

Skupaj z DNK, beljakovinami in maščobami so glikani ena od štirih glavnih makromolekul, ki so bistvene za življenje. Od teh štirih glikanov so končni razsodniki, kako se obnašajo naše celice.

DNA orkestrira, kako izgledamo, naša sposobnost razmišljanja in obnašanja ter celo določa bolezni, na katere smo najbolj dovzetni. V naši DNK so kratki segmenti, geni, ki pogosto vsebujejo navodila za sintezo beljakovin. Proteini so po drugi strani »delovni konji« celice, ki opravljajo številne funkcije, potrebne za življenje.

Vendar, kako se obnaša beljakovina, je pogosto odvisno od tega, kaj so glikani povezani z njim. Z drugimi besedami, te molekule sladkorja lahko močno vplivajo na to, kako naše beljakovine opravljajo svoje delo, in tudi, kako se bodo naše celice odzvale na dražljaje. Na primer, če spremenite nekaj glikanov na zunanji strani celice, lahko ta celica sproži migracijo na drugo mesto v našem telesu.

Glavna naloga glikanov je spreminjanje beljakovin in maščob, ki ležijo na površini naših celic. Skupaj ustvarijo debelo sladkorno prevleko okoli celice. Če smatramo, da je površina celice zemlja, potem bi glikani bili čudovito raznovrstno rastlinsko življenje in listje, ki narašča in prinašajo barvo in identiteto v celico. Pravzaprav, če bi lahko videli celico s prostim očesom, bi bila videti zelo mehka. Slikajte breskev z 10-krat večjo pašo.

Glikani označujejo naše lastne celice in jih identificirajo kot »jaz«

Fuzija okoli celice je glikanski premaz. Ker so glikani zunaj naših celic, so prva kontaktna točka za večino celičnih interakcij in tako vplivajo na to, kako naše celice komunicirajo med seboj. Glikane lahko razumete tudi kot edinstveno celično »črtno kodo«. Tako bo fuzija v ledvičnih celicah drugačna od brazgotine imunske celice. Vendar pa obstajajo tudi podobnosti. Dejstvo je, da imunske celice, ki pregledujejo naše telo, iščejo patogene, vedo, da ne napadajo naših lastnih "samo-celic" zaradi skupnih značilnosti v glikanski "črtni kodi", ki so skupne vsem celicam našega telesa.

Nasprotno imajo bakterije in paraziti, kot je malarija, različne „sladkorne premaze“, ki jih človeške celice ne vidijo. Kadar so bakterijski sladkorji označeni kot „tuji“, imunski sistem osebe usmeri bakterijo na uničenje. Vendar pa se lahko nekateri škodljivi bakterijski patogeni, kot je streptokok skupine B, ki pogosto povzročajo hude okužbe pri dojenčkih, izognejo imunskemu odkrivanju, tako da predstavijo človeške celice, tako da nosijo podobne glikane kot preobleko - kot volk, oblečen v ovčjo kožo.

Na žalost lahko nekateri patogeni uporabijo naše glikane, da jim pomagajo pri povzročanju bolezni. Smrtonosni virusi, kot sta virus HIV in ebola, so se razvili, da bi zagrabili specifične glikane, na katere se nato "zaklenejo", ko okužijo naše človeške celice. Terapije, ki bodisi blokirajo te viruse od interakcije z našimi glikani ali napadajo virusne glikane, so lahko nova pot za zdravljenje teh okužb.

Nove raziskave so tudi pokazale, da glikani igrajo pomembno vlogo pri razvoju avtoimunskih bolezni, kot so revmatoidni artritis in avtoimunski pankreatitis. To ni presenetljivo, saj glikani neposredno vplivajo na delovanje imunskih celic.

Običajno naše imunske celice delujejo kot "obrambni sistem" našega telesa in identificirajo in uničujejo tujce, kot so škodljive bakterije ali virusi. Toda, ko telo zmotno označi naše celice kot sovražnika in sproži notranji napad na sebe, se rodi avtoimunost. Zanimivo je, da so v takih primerih glikani, ki so prisotni na neprimerno samozaposlenih protitelesih, narekovali moč napada na telo. Ta nenormalni imunski odziv je lahko celo usmerjen proti glikanom. Na primer, imunski sistem lahko »self« glikane moti, kot da so »tuje« molekule. Naša raziskovalna ekipa je pred kratkim objavila članek, ki je predstavil teorijo glikana o avtoimunosti, ki pojasnjuje nekatere od teh razmerij.

Glikani v naši hrani lahko sprožijo imunske odzive

Veliko raziskav je povezovalo uživanje rdečega mesa z boleznimi, kot so ateroskleroza in sladkorna bolezen, vendar niso pokazale, zakaj in kako se to dogaja pred kratkim. Ena zanimiva študija kaže, da je bil krivec sladkor z okornim imenom, nečloveško sialično N-glikolilneaminsko kislino, ali Neu5Gc na kratko. Neu5Gc najdemo pri vseh sesalcih, razen pri ljudeh, ker so prvi ljudje, ki bi lahko Neu5Gc naredili, umrli zaradi starodavnega malarijskega parazita.

Čeprav zdaj nimamo zmožnosti za proizvodnjo Neu5Gc, imajo naša telesa še vedno možnost, da ga vključijo v glikane na naših celicah, če jih dobimo z uživanjem rdečega mesa. Ko postane del glikanske plasti naših celic, potem imajo naše celice "tujo" snov - Neu5Gc -, ki jih obdaja. To lahko sproži vnetje v celotnem telesu, ker naš imunski sistem prepozna Neu5Gc kot »tuji« in ga napade. Kronično vnetje, ki ga povzročajo ti notranji napadi, lahko vodi do srčnega infarkta, kapi in celo do raka.

Naša telesa sintetizirajo več deset tisoč edinstvenih glikanov, pogosto z razvejanimi strukturami, ki nastanejo iz preprostih gradnikov iz sladkorja. Beljakovine ali maščobe lahko spreminjamo tudi z ducati edinstvenih glikanov. Zaradi teh neštetih kombinacij je kartiranje glikanov težka naloga, ker potrebujemo praktičen in učinkovit način za analizo več sto tisoč vzorcev glikanov.

Naša raziskovalna skupina je razvila metode za hitro in zanesljivo spremljanje človeškega gliema. Z izkoriščanjem inženirskih napredkov in izboljšav pri obdelavi vzorcev lahko naša tehnika spremlja na tisoče glikanov naenkrat, kar nam omogoča, da označimo glikane v celicah zdravih kontrol in bolnike z različnimi boleznimi. Naš cilj je, da uporabimo te podatke za razvoj napovednih modelov, ki bodo zdravnikom pomagali pri diagnosticiranju in zdravljenju vseh človeških bolezni. Verjamemo, da bo prišel nov val medicinskih napredkov, ko bomo odklenili „kodeks sladkorja“.

Jenny Wang je bila glavni vodja tega članka.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovorih Emanuala Maverakisa, Carlita Lebrilla in Jenny Wang. Preberite izvirni članek tukaj.