Hvad er den menneskelige Glycome? Hvordan forskere låste op sukkerkoden

Når du tænker på sukker, tænker du sandsynligvis på det søde, hvide, krystallinske bordsukker, som du bruger til at lave cookies eller sød din kaffe. Men vidste du, at der i vores krop kan simple sukkermolekyler forbindes sammen for at skabe kraftige strukturer, der for nylig er blevet fundet forbundet med sundhedsmæssige problemer, herunder kræft, aldring og autoimmune sygdomme.

Disse lange sukkerkæder, der dækker hver af vores celler, kaldes glycaner, og ifølge National Sciences of Sciences skaber et kort over deres placering og struktur os til en ny æra af moderne medicin. Det skyldes, at den menneskelige glykom - hele samlingen af ​​sukkerarter i vores krop - huser endnu-til-opdagede glycaner med potentialet til at hjælpe læger med at diagnosticere og behandle deres patienter.

Takket være den verdensomspændende opmærksomhed, der blev opnået ved 2003-færdiggørelsen af ​​Human Genome Project, har de fleste mennesker hørt om DNA, genomics og endda proteomics - undersøgelsen af ​​proteiner. Men undersøgelsen af ​​glycaner, også kendt som glycomics, er omkring 20 år bag andre områder. En grund til denne forsinkelse er, at forskere ikke har udviklet værktøjerne til hurtigt at identificere glykanstrukturer og deres tilknytningssteder på folks celler. "Sugar coat" har været noget af et mysterium.

Indtil nu er det.

Mens de fleste laboratorier fokuserer på cellulær eller molekylær forskning, er vores laboratorium dedikeret til at udvikle teknologi til hurtigt at karakterisere glykanstrukturer og deres tilknytningssteder. Vores ultimative mål er at katalogisere hundredtusindvis af sukkerarter og deres placeringer på forskellige celletyper, og derefter bruge disse oplysninger til at skræddersy medicinske terapier til hver enkelt person.

Du kan også lide denne video fra Inverse:

Hvorfor bekymrer vi os om glycaner?

I fremtiden er det sandsynligt, at analyse af en persons glycaner vil blive brugt til at forudsige vores risiko for at udvikle sygdomme som rheumatoid arthritis, kræft eller endda fødevareallergi. Dette skyldes, at glykomændringer kan være specifikt bundet til bestemte sygdomstilstande. Også biologiske processer som ældning er forbundet med betændelse i vores glycome. Det er fortsat at blive testet, hvis reversering af disse ændringer kan hjælpe med at forebygge sygdom eller endda langsom aldring - en spændende mulighed.

Sammen med DNA, proteiner og fedtstoffer er glycaner et af de fire vigtige makromolekyler, der er essentielle for livet. Af disse fire er glycaner den endelige arbitrer for, hvordan vores celler opfører sig.

DNA orkestrerer, hvad vi ser ud, vores evne til at tænke og opføre os og bestemme selv de sygdomme, som vi er mest modtagelige for. Inden for vores DNA er korte segmenter, gener, der ofte indeholder instruktioner til, hvordan man syntetiserer proteiner. Proteiner er i sin tur de "arbejdsheste" i cellen, der udfører mange af de funktioner, der er nødvendige for livet.

Men hvordan et protein opfører sig, afhænger ofte af, hvad glycaner er knyttet til det. Med andre ord kan disse sukkermolekyler i høj grad påvirke, hvordan vores proteiner gør deres arbejde, og selv hvordan vores celler vil reagere på stimuli. Hvis du for eksempel ændrer et par glycaner på ydersiden af ​​en celle, kan det udløse den celle, der skal overføres til en anden placering i vores krop.

Det vigtigste arbejde med glycaner er at modificere proteiner og fedtstoffer, der sidder på overfladen af ​​vores celler. Sammen skaber de en tyk sukkerfrakke rundt om cellen. Hvis vi betragter overfladen af ​​cellen som jord, ville glycaner være det vidunderligt forskellige plante-liv og løv, der spire op og bringe farve og identitet til cellen. Faktisk, hvis du kunne se en celle med dit blotte øje, ville det se meget uklar ud. Billede en fersken med 10 gange mere fuzz.

Glycans Label Vores egne celler og identificere dem som "selv"

Den fuzz omkring en celle er dens glycan frakke. På ydersiden af ​​vores celler er glycaner det første kontaktpunkt for de fleste cellulære interaktioner og påvirker således, hvordan vores celler kommunikerer med hinanden. Du kan også tænke på glycanerne som en unik cellulær "stregkode". Således vil en nyrecelle fuzz se anderledes ud end en immuncelle fuzz. Men der er også ligheder. Faktisk kan de immunkeller, der undersøger vores krop, der søger patogener, ikke angribe vores egne "self" -celler på grund af fælles træk i glykan-stregkoden, som deles af alle celler i vores krop.

I modsætning hertil har bakterier og parasitter som malaria forskellige "sukkerfrakker", som ikke ses på humane celler. Når bakterielle sukker er mærket som "fremmed", er en persons immunsystem målrettet mod bakterien til destruktion. Nogle skadelige bakteriepatogener som gruppe B streptokokker, som normalt forårsager alvorlige infektioner hos spædbørn, kan dog undgå immundetektion ved at udfolde menneskelige celler ved at bære lignende glykaner som en forklædning - som ulven klædt i fåreskind.

Desværre kan nogle patogener også bruge vores glykaner til at hjælpe dem med at forårsage sygdom. Døde virus som HIV og Ebola har udviklet sig til at gribe fat på specifikke glycaner, som de så "låser" på, da de inficerer vores humane celler. Terapier, der enten blokerer for disse viruser mod at interagere med vores glykaner, eller som angriber virusspecifikke glycaner, kan være en ny vej til behandling af disse infektioner.

Ny forskning har også vist, at glycaner spiller en stor rolle i udviklingen af ​​autoimmune sygdomme som rheumatoid arthritis og autoimmun pancreatitis. Dette er ikke overraskende, da glycaner direkte påvirker immuncellernes funktion.

Normalt virker vores immunceller som vores krops "forsvarssystem" og identificerer og ødelægger udenlandske invaders som skadelige bakterier eller vira. Men når kroppen fejlagtigt mærker vores egne celler som fjenden og lancerer et indre angreb på sig selv, bliver autoimmunitet født. Interessant, i sådanne tilfælde er det glycanerne til stede på de misbehavende selvangrebende antistoffer, der vil diktere styrken af ​​angrebet på kroppen. Dette unormale immunrespons kan endog rettes mod glycaner. For eksempel kan immunforsvaret misforstå "self" glycaner som om de var "fremmede" molekyler. Vores forskningsteam har for nylig offentliggjort en artikel, der introducerede glykanteorien om autoimmunitet, hvilket forklarer nogle af disse forhold.

Glycaner i vores mad kan udløse immunresponser

Der har været mange undersøgelser, der forbinder forbrug af rødt kød med sygdomme som aterosklerose og diabetes, men de har ikke kunnet vise hvorfor eller hvordan dette sker indtil for nylig. En spændende undersøgelse tyder på, at synderen var et sukker med det ubehagelige navn, nonhuman sialic N-glycolylneuraminsyre eller Neu5Gc for kort. Neu5Gc findes i alle pattedyr undtagen mennesker, fordi de tidlige mennesker, der kunne få Neu5Gc, døde af en gammel malarial parasit.

Men selv om vi nu mangler evnen til at producere Neu5Gc, har vores kroppe stadig evnen til at indarbejde det i glycanerne på vores celler, hvis vi får det ved at spise rødt kød. Når det først bliver en del af vores celles glycancoat, har vores celler et "fremmed" stof - Neu5Gc - der omgiver dem. Dette kan udløse betændelse i hele kroppen, fordi vores immunsystem genkender Neu5Gc som "fremmed" og angriber det. Den kroniske betændelse forårsaget af disse indre angreb kan føre til hjerteanfald, slagtilfælde og endda kræft.

Vores kroppe syntetiserer titusinder af unikke glycaner, ofte med forgreningsstrukturer dannet af simple sukkerbygningsblokke. Proteiner eller fedtstoffer kan også modificeres med snesevis af unikke glycaner. Disse utallige kombinationer gør kortlægning af glykaner en vanskelig opgave, fordi vi har brug for en praktisk og effektiv måde at analysere hundredtusinder af glycan mønstre på.

Vores forskningsteam har nu udviklet metoder til hurtigt og robust at overvåge det menneskelige glycome. Ved at udnytte tekniske forbedringer og forbedringer i prøvebehandling kan vores teknik overvåge tusindvis af glycaner på én gang, hvilket gør os i stand til at karakterisere glykanerne i celler fra sunde kontroller og patienter med en række forskellige sygdomme. Vores mål er at bruge disse data til at udvikle prædiktive modeller for at hjælpe klinikere med at diagnosticere og behandle alle menneskers sygdomme. Vi tror på, at der kommer en ny bølge af medicinske fremskridt, da vi låser op for "sukkerkoden".

Jenny Wang var medforfatter for denne artikel.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla og Jenny Wang. Læs den oprindelige artikel her.