Kas ir cilvēka Glycome? Kā zinātnieki atbloķēja cukura kodeksu

Kad jūs domājat par cukuru, jūs droši vien domājat par saldo, balto, kristālisko galda cukuru, ko izmantojat, lai pagatavotu sīkfailus vai saldinātu savu kafiju. Bet vai jūs zinājāt, ka mūsu ķermenī vienkāršas cukura molekulas var būt savienotas, lai izveidotu spēcīgas struktūras, kas nesen tika konstatētas kā saistītas ar veselības problēmām, tostarp vēzi, novecošanu un autoimūnām slimībām.

Šīs garās cukura ķēdes, kas aptver katru no mūsu šūnām, sauc par glikāniem, un saskaņā ar Nacionālo Zinātņu akadēmiju, izveidojot savu atrašanās vietu un struktūru, tiks izveidots jauns mūsdienu medicīnas laikmets. Tas ir tāpēc, ka cilvēka glikoze - visa mūsu ķermeņa cukuru kolekcija - satur vēl atklātus glikānus ar potenciālu palīdzēt ārstiem diagnosticēt un ārstēt savus pacientus.

Pateicoties pasaules uzmanības lokam, ko ieguva 2003. gada Cilvēka genoma projekta pabeigšana, lielākā daļa cilvēku ir dzirdējuši par DNS, genomiku un pat proteomiku - proteīnu izpēti. Taču pētījums par glikāniem, kas pazīstams arī kā glikomika, ir apmēram 20 gadus aiz citu jomu. Viens no iemesliem ir tas, ka zinātnieki nav izstrādājuši rīkus, lai ātri identificētu glikānu struktūras un to piesaistes vietas cilvēku šūnās. “Cukura mētelis” ir bijis nedaudz noslēpums.

Līdz šim tas ir.

Lai gan lielākā daļa laboratoriju koncentrējas uz šūnu vai molekulārajiem pētījumiem, mūsu laboratorija ir veltīta tehnoloģiju izstrādei, lai ātri raksturotu glikānu struktūras un to piesaistes vietas. Mūsu galvenais mērķis ir katalizēt simtiem tūkstošu cukuru un to atrašanās vietas dažādos šūnu veidos un pēc tam izmantot šo informāciju, lai pielāgotos medicīniskajai terapijai katram indivīdam.

Jums var patikt šis videoklips no Apgrieztā:

Kāpēc mēs rūpējamies par glikāniem?

Nākotnē ir iespējams, ka indivīda glikānu analīze tiks izmantota, lai prognozētu mūsu risku saslimt ar tādām slimībām kā reimatoīdais artrīts, vēzis vai pat pārtikas alerģija. Tas ir tāpēc, ka glikozes izmaiņas var būt īpaši saistītas ar konkrētām slimības valstīm. Arī mūsu bioloģiskajā procesā esošie bioloģiskie procesi, piemēram, novecošanās, ir saistīti ar iekaisumu. Jāturpina pārbaudīt, vai šo izmaiņu maiņa var palīdzēt novērst slimības vai pat lēnu novecošanos.

Līdztekus DNS, olbaltumvielām un taukiem glikāni ir viena no četrām galvenajām dzīvībai būtiskām makromolekulām. No šiem četriem glikāniem ir galīgie risinājumi, kā mūsu šūnas darbojas.

DNS organizē to, ko mēs izskatām, spēju domāt un uzvesties un pat noteikt slimības, uz kurām mēs esam visvairāk jutīgi. Mūsu DNS ietvaros ir īsi segmenti, gēni, kas bieži satur instrukcijas par proteīnu sintēzi. Proteīni, savukārt, ir šūnas “zirgi”, kas veic daudzas dzīvībai nepieciešamās funkcijas.

Tomēr, kā proteīns uzvedas, bieži ir atkarīgs no tā, kādi glikāni tam pievienoti. Citiem vārdiem sakot, šīs cukura molekulas var ievērojami ietekmēt mūsu proteīnu darbu un pat to, kā mūsu šūnas reaģēs uz stimuliem. Piemēram, ja maināt dažus glikānus šūnas ārpusē, tas var izraisīt šo šūnu migrāciju uz citu vietu mūsu ķermenī.

Glikānu galvenais uzdevums ir modificēt proteīnus un taukus, kas atrodas uz mūsu šūnu virsmas. Viņi kopā veido šūnu biezu cukura apvalku. Ja mēs uzskatām, ka šūnas virsma ir augsne, tad glikāni būtu brīnišķīgi daudzveidīgā augu dzīve un zaļumi, kas uzkrājas, un kas šūnai piešķir krāsu un identitāti. Patiesībā, ja jūs varētu redzēt šūnu ar neapbruņotu aci, tas izskatās ļoti izplūdis. Attēlojiet persiku ar 10 reižu vairāk fuzz.

Glicāni Marķējiet mūsu pašu šūnas un identificējiet tos kā „sevis”

Šūna ap šūnu ir tā glikāna mētelis. Tā kā glikāni atrodas ārpus mūsu šūnām, tie ir pirmais kontaktpunkts vairumam šūnu mijiedarbības un tādējādi ietekmē to, kā mūsu šūnas savstarpēji sazinās. Jūs varat arī domāt par glikāniem kā unikālu šūnu "svītrkodu". Tādējādi nieru šūnu fuzz izskatīsies atšķirīgs no imūnsistēmas šūpuļdziesmas. Bet ir arī līdzības. Faktiski imūnās šūnas, kas apskata mūsu ķermeni, meklējot patogēnus, zina, ka tās neuzbrūk mūsu pašu “paša” šūnām, jo ​​ir kopīgas iezīmes glikāna „svītrkodā”, kas ir kopīgas visām mūsu ķermeņa šūnām.

Pretstatā tam, baktērijām un parazītiem, piemēram, malārijai, ir dažādi “cukura pārklājumi”, kas nav redzami cilvēka šūnās. Ja baktēriju cukuri ir marķēti kā “sveši”, cilvēka imūnsistēma ir vērsta uz baktēriju iznīcināšanai. Tomēr daži kaitīgi baktēriju patogēni, piemēram, B grupas streptokoki, kas parasti izraisa smagas infekcijas zīdaiņiem, var izvairīties no imūnās noteikšanas, ieročinot cilvēka šūnas, pārnēsājot līdzīgus glikānus kā slēpt - kā vilks, kas tērpies aitā.

Diemžēl daži patogēni var arī izmantot mūsu glikānus, lai palīdzētu viņiem izraisīt slimības. Nāvīgie vīrusi, piemēram, HIV un Ebola, ir attīstījušies, lai sagrābtu konkrētus glikānus, kurus viņi pēc tam “bloķē”, jo tie inficē mūsu cilvēka šūnas. Terapijas, kas vai nu bloķē šos vīrusus no mijiedarbības ar mūsu glikāniem, vai kas uzbrūk vīrusu specifiskiem glikāniem, var būt jauns veids, kā ārstēt šīs infekcijas.

Jauni pētījumi arī parādīja, ka glikāniem ir liela nozīme autoimūnu slimību, piemēram, reimatoīdā artrīta un autoimūnās pankreatīta attīstībā. Tas nav pārsteidzoši, jo glikāni tieši ietekmē imūnsistēmu darbību.

Parasti mūsu imūnās šūnas darbojas kā mūsu ķermeņa aizsardzības sistēma un identificē un iznīcina ārvalstu iebrucējus, piemēram, kaitīgas baktērijas vai vīrusus. Bet, kad ķermenis kļūdaini iezīmē mūsu pašu šūnas kā ienaidnieku un uzsāk iekšēju uzbrukumu pašam, tiek radīta autoimunitāte. Interesanti, ka šādos gadījumos glikāni atrodas nepareizi uzbrūkošajās antivielās, kas diktē uzbrukuma spēku ķermenim. Šī patoloģiskā imūnreakcija var būt pat vērsta pret glikāniem. Piemēram, imūnsistēma var kļūdīties „sevis” glikānos, it kā tie būtu „svešas” molekulas. Mūsu pētniecības komanda nesen publicēja rakstu, kurā tika iepazīstināta ar glikāna teoriju par autoimunitāti, kas izskaidro dažas no šīm attiecībām.

Glikāni mūsu pārtikā var izraisīt imūnās atbildes reakciju

Ir veikti daudzi pētījumi, kuros sarkanās gaļas patēriņš ir sasaistīts ar tādām slimībām kā ateroskleroze un diabēts, taču tās nav varējušas pierādīt, kāpēc vai kā tas notiek nesen. Viens intriģējošs pētījums liecina, ka vaininieks bija cukurs ar nevēlamu nosaukumu, nehumānisku sialisko N-glikolilneuramīnskābi vai Neu5Gc īsu laiku. Neu5Gc ir atrodams visos zīdītājos, izņemot cilvēkus, jo agrīnie cilvēki, kas varētu padarīt Neu5Gc nomira no seniem malārijas parazītiem.

Tomēr, lai gan mums tagad trūkst spēju ražot Neu5Gc, mūsu ķermeņiem joprojām ir spēja to iekļaut mūsu šūnu glikānos, ja mēs to iegūstam, ēdot sarkano gaļu. Pēc tam, kad tā kļūst par daļu no mūsu šūnu glikāna pārklājuma, mūsu šūnām ir “sveša” viela - Neu5Gc - ap tiem. Tas var izraisīt iekaisumu visā organismā, jo mūsu imūnsistēma atzīst Neu5Gc kā “svešu” un uzbrūk tai. Hronisks iekaisums, ko izraisa šie iekšējie uzbrukumi, var izraisīt sirdslēkmi, insultu un pat vēzi.

Mūsu ķermeņi sintēzē desmitiem tūkstošu unikālu glikānu, bieži vien ar sazarotu struktūru, kas veidojas no vienkāršiem cukura celtniecības blokiem. Olbaltumvielas vai taukus var mainīt arī desmitiem unikālu glikānu. Šīs neskaitāmas kombinācijas padara glikānu kartēšanu sarežģītu, jo mums ir nepieciešams praktisks un efektīvs veids, kā analizēt simtiem tūkstošu glikāna modeļu.

Mūsu pētniecības komanda tagad ir izstrādājusi metodes, lai ātri un stabili uzraudzītu cilvēka glikozi. Iegūstot labumu no inženiertehniskajiem sasniegumiem un uzlabojumiem paraugu apstrādē, mūsu tehnika var pārraudzīt tūkstošiem glikānu uzreiz, kas ļauj mums raksturot glikānus šūnās no veselīgām kontrolēm un pacientiem ar dažādām slimībām. Mūsu mērķis ir izmantot šos datus, lai izstrādātu prognozēšanas modeļus, lai palīdzētu ārstiem diagnosticēt un ārstēt visas cilvēku slimības. Mēs uzskatām, ka, iegūstot „cukura kodu”, ieradīsies jauns medicīnas sasniegumu vilnis.

Jenny Wang bija šī panta līdzautors.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla un Jenny Wang sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.