Czym jest ludzki glycome? Jak naukowcy odblokowali kod cukru

Kiedy myślisz o cukrze, prawdopodobnie myślisz o słodkim, białym, krystalicznym cukrze stołowym, którego używasz do robienia ciastek lub słodzenia kawy. Ale czy wiesz, że w naszym ciele proste cząsteczki cukru mogą być ze sobą połączone, aby stworzyć potężne struktury, które ostatnio okazały się być powiązane z problemami zdrowotnymi, w tym rakiem, starzeniem się i chorobami autoimmunologicznymi.

Te długie łańcuchy cukrowe, które pokrywają każdą z naszych komórek, nazywane są glikanami, a według National Academy of Sciences stworzenie mapy ich położenia i struktury wprowadzi nas w nową erę nowoczesnej medycyny. Dzieje się tak dlatego, że ludzki glikom - cała kolekcja cukrów w naszym organizmie - mieści glikany, które jeszcze nie zostały odkryte, co może pomóc lekarzom w diagnozowaniu i leczeniu ich pacjentów.

Dzięki ogólnoświatowej uwadze uzyskanej w 2003 r. Po zakończeniu projektu ludzkiego genomu, większość ludzi słyszała o DNA, genomice, a nawet proteomice - badaniu białek. Ale badanie glikanów, znane również jako glikomika, jest o około 20 lat dłuższe niż w innych dziedzinach. Jednym z powodów tego opóźnienia jest to, że naukowcy nie opracowali narzędzi do szybkiej identyfikacji struktur glikanów i ich miejsc przyłączenia w komórkach ludzkich. „Płaszcz cukrowy” był nieco tajemniczy.

Do tej pory tak jest.

Podczas gdy większość laboratoriów koncentruje się na badaniach komórkowych lub molekularnych, nasze laboratorium zajmuje się opracowywaniem technologii umożliwiającej szybkie charakteryzowanie struktur glikanów i ich miejsc przyłączania. Naszym nadrzędnym celem jest skatalogowanie setek tysięcy cukrów i ich lokalizacji na różnych typach komórek, a następnie wykorzystanie tych informacji do dostosowania terapii medycznych do każdej osoby.

Możesz także polubić ten film z Odwrotność:

Dlaczego dbamy o Glycans?

W przyszłości prawdopodobne jest, że analiza glikanów danej osoby zostanie wykorzystana do przewidywania naszego ryzyka rozwoju chorób, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów, rak, a nawet alergie pokarmowe. Dzieje się tak dlatego, że zmiany glikomowe mogą być ściśle związane z poszczególnymi stanami chorobowymi. Ponadto procesy biologiczne, takie jak starzenie się, są związane z zapaleniem naszego glikomu. Pozostaje do sprawdzenia, czy odwrócenie tych zmian może pomóc w zapobieganiu chorobom, a nawet powolnemu starzeniu się - intrygująca możliwość.

Wraz z DNA, białkami i tłuszczami, glikany są jedną z czterech głównych makrocząsteczek niezbędnych do życia. Z tych czterech glikanów są ostatecznymi arbitrami zachowania naszych komórek.

DNA koordynuje to, jak wyglądamy, naszą zdolność do myślenia i zachowania, a nawet określa choroby, na które jesteśmy najbardziej podatni. W naszym DNA znajdują się krótkie segmenty, geny, które często zawierają instrukcje dotyczące syntezy białek. Z kolei białka to „konie robocze” komórki, pełniące wiele funkcji niezbędnych do życia.

Jednak, jak białko zachowuje się często, zależy od tego, jakie glikany są do niego przyłączone. Innymi słowy, te cząsteczki cukru mogą znacząco wpłynąć na to, jak nasze białka wykonują swoją pracę, a nawet jak nasze komórki będą reagować na bodźce. Na przykład, jeśli zmienisz kilka glikanów na zewnątrz komórki, może to spowodować migrację tej komórki do innej lokalizacji w naszym ciele.

Głównym zadaniem glikanów jest modyfikacja białek i tłuszczów, które znajdują się na powierzchni naszych komórek. Razem tworzą grubą warstwę cukru wokół komórki. Jeśli uznamy powierzchnię komórki za glebę, to glikany będą cudownie zróżnicowanym życiem roślinnym i listowia, które wyrastają i nadają komórce kolor i tożsamość. W rzeczywistości, gdybyś był w stanie zobaczyć komórkę gołym okiem, wyglądałoby to na bardzo rozmyte. Wyobraź sobie brzoskwinie z 10 razy więcej fuzz.

Glycans oznacza nasze własne komórki i rozpoznaje je jako „siebie”

Fuzz wokół komórki to płaszcz glikanu. Będąc na zewnątrz naszych komórek, glikany są pierwszym punktem kontaktu dla większości interakcji komórkowych, a zatem wpływają na sposób, w jaki nasze komórki komunikują się ze sobą. Można również myśleć o glikanach jako o unikalnym komórkowym „kodzie kreskowym”. Tak więc fuzz komórek nerkowych będzie wyglądał inaczej niż fuzz komórek odpornościowych. Ale są też podobieństwa. W rzeczywistości komórki odpornościowe, które badają nasze ciało w poszukiwaniu patogenów, wiedzą, że nie atakują naszych własnych komórek „ja” z powodu wspólnych cech „kodu kreskowego” glikanu, które są wspólne dla wszystkich komórek naszego ciała.

W przeciwieństwie do tego, bakterie i pasożyty, takie jak malaria, mają różne „płaszcze cukrowe”, których nie widać na ludzkich komórkach. Gdy cukry bakteryjne są oznaczone jako „obce”, układ odpornościowy danej osoby kieruje bakterię na zniszczenie. Jednak niektóre szkodliwe patogeny bakteryjne, takie jak paciorkowce grupy B, które często powodują ciężkie zakażenia u dzieci, mogą zapobiec wykryciu odporności poprzez podszywanie się pod komórki ludzkie, przenosząc podobne glikany jako przebranie - jak wilk ubrany w owczą skórę.

Niestety, niektóre patogeny są również w stanie wykorzystać nasze glikany, aby pomóc im wywołać chorobę. Śmiertelne wirusy, takie jak HIV i Ebola, ewoluowały, aby chwycić specyficzne glikany, które następnie „blokują”, infekując nasze ludzkie komórki. Terapie, które blokują te wirusy przed oddziaływaniem z naszymi glikanami lub atakują glikany specyficzne dla wirusa, mogą być nową drogą leczenia tych infekcji.

Nowe badania wykazały również, że glikany odgrywają ogromną rolę w rozwoju chorób autoimmunologicznych, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów i autoimmunologiczne zapalenie trzustki. Nie jest to zaskakujące, ponieważ glikany bezpośrednio wpływają na funkcję komórek odpornościowych.

Zazwyczaj nasze komórki odpornościowe działają jako „system obronny” naszego organizmu i identyfikują i niszczą obcych najeźdźców, takich jak szkodliwe bakterie lub wirusy. Ale kiedy ciało błędnie oznacza nasze własne komórki jako wroga i uruchamia wewnętrzny atak na siebie, rodzi się autoimmunizacja. Co ciekawe, w takich przypadkach to glikany obecne na źle zachowujących się atakujących przeciwciałach będą dyktować siłę ataku na ciało. Ta nieprawidłowa odpowiedź immunologiczna może być skierowana przeciwko glikanom. Na przykład układ odpornościowy może pomylić „własne” glikany tak, jakby były „obcymi” cząsteczkami. Nasz zespół badawczy opublikował niedawno artykuł, który wprowadził teorię autoimmunizacji glikanu, która wyjaśnia niektóre z tych relacji.

Glikany w naszej żywności mogą wywoływać reakcje immunologiczne

Przeprowadzono wiele badań łączących spożycie czerwonego mięsa z chorobami takimi jak miażdżyca i cukrzyca, ale nie były one w stanie wykazać, dlaczego lub jak to się dzieje do niedawna. Jedno z intrygujących badań sugeruje, że winowajcą był cukier o nieporęcznym imieniu, nieludzki sialowy kwas N-glikolylneuraminowy lub w skrócie Neu5Gc. Neu5Gc występuje u wszystkich ssaków, z wyjątkiem ludzi, ponieważ pierwsi ludzie, którzy mogli sprawić, że Neu5Gc zmarli od starożytnego pasożyta malarii.

Jednakże, chociaż obecnie brak nam zdolności do wytwarzania Neu5Gc, nasze ciała wciąż mają zdolność do włączenia go do glikanów w naszych komórkach, jeśli uzyskamy je poprzez jedzenie czerwonego mięsa. Gdy staje się częścią płaszcza glikanu naszych komórek, nasze komórki mają „obcą” substancję - Neu5Gc - otaczającą je. Może to wywołać stan zapalny w całym ciele, ponieważ nasz układ odpornościowy rozpoznaje Neu5Gc jako „obcy” i atakuje go. Przewlekłe zapalenie spowodowane tymi atakami wewnętrznymi może prowadzić do zawału serca, udaru, a nawet raka.

Nasze ciała syntetyzują dziesiątki tysięcy unikalnych glikanów, często z rozgałęzionymi strukturami utworzonymi z prostych cegiełek cukrowych. Białka lub tłuszcze mogą być również modyfikowane przez dziesiątki unikalnych glikanów. Te niezliczone kombinacje sprawiają, że mapowanie glikanów jest trudnym zadaniem, ponieważ potrzebujemy praktycznego i wydajnego sposobu analizowania setek tysięcy wzorców glikanów.

Nasz zespół badawczy opracował metody szybkiego i solidnego monitorowania glikomu ludzkiego. Wykorzystując postęp inżynieryjny i ulepszając przetwarzanie próbek, nasza technika może monitorować tysiące glikanów jednocześnie, co pozwala nam scharakteryzować glikany w komórkach od zdrowych osób kontrolnych i pacjentów z różnymi chorobami. Naszym celem jest wykorzystanie tych danych do opracowania modeli predykcyjnych, które pomogą klinicystom zdiagnozować i leczyć wszystkie ludzkie choroby. Wierzymy, że pojawi się nowa fala postępów medycznych, gdy odblokujemy „kod cukru”.

Jenny Wang była współautorem tego artykułu.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla i Jenny Wang. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.