Ano ang Glycome ng Tao? Paano Naka-unlock ang mga siyentipiko sa Sugar Code

Kapag iniisip mo ang asukal, marahil ay iniisip mo ang matamis, puti, kristal na asukal sa mesa na ginagamit mo upang gumawa ng mga cookies o pinatamis ang iyong kape. Ngunit alam mo na sa loob ng aming katawan, ang simpleng mga molecule ng asukal ay maaaring magkasama upang lumikha ng mga makapangyarihang mga istruktura na kamakailan ay natagpuan na nakaugnay sa mga problema sa kalusugan, kabilang ang kanser, aging, at mga sakit sa autoimmune.

Ang mga mahabang kadena ng asukal na sumasakop sa bawat isa sa aming mga selula ay tinatawag na mga glycans, at ayon sa National Academy of Sciences, ang paglikha ng isang mapa ng kanilang lokasyon at istraktura ay magdadala sa amin sa isang bagong panahon ng modernong gamot. Ito ay dahil ang tao glycome - ang buong koleksyon ng mga sugars sa loob ng aming katawan - mga bahay pa-upang-natuklasan glycans na may potensyal na aid sa mga manggagamot sa diagnosing at pagpapagamot ng kanilang mga pasyente.

Dahil sa pandaigdigang pansin na natamo ng 2003 pagkumpleto ng Human Genome Project, karamihan sa mga tao ay nakarinig tungkol sa DNA, genomics, at kahit proteomics - ang pag-aaral ng mga protina. Ngunit ang pag-aaral ng mga glycans, na kilala rin bilang glycomics, ay mga 20 taon sa likod ng ibang mga larangan. Ang isang dahilan para sa pagkaantala na ito ay hindi pa binuo ng mga siyentipiko ang mga tool upang mabilis na makilala ang mga istraktura ng glycan at ang kanilang mga attachment site sa mga selula ng mga tao. Ang "amerikana ng asukal" ay tila isang misteryo.

Hanggang ngayon, iyon ay.

Habang ang karamihan sa mga laboratoryo ay nakatuon sa cellular o molekular na pananaliksik, ang aming lab ay nakatuon sa pagbuo ng teknolohiya upang mabilis na makilala ang mga istraktura ng glycan at ang mga site ng kanilang mga attachment. Ang aming pangunahin na layunin ay upang i-catalog ang daan-daang libo ng mga sugars at ang kanilang mga lokasyon sa iba't ibang mga uri ng cell, at pagkatapos ay upang gamitin ang impormasyong ito upang maiangkop ang mga medikal na therapies sa bawat indibidwal.

Maaari mo ring gustuhin ang video na ito Kabaligtaran:

Bakit Namin Pinagmamalasakit ang mga Glycano?

Sa hinaharap, malamang na ang pag-aaral ng mga glycans ng isang indibidwal ay gagamitin upang mahulaan ang aming panganib para sa pagbuo ng mga sakit tulad ng rheumatoid arthritis, kanser, o kahit mga allergy sa pagkain. Ito ay dahil ang mga alterations ng glycome ay maaaring partikular na nakatali sa partikular na mga estado ng sakit. Gayundin, ang mga biological na proseso tulad ng pag-iipon ay nauugnay sa pamamaga sa aming glycome. Ito ay nananatiling masuri kung ang pag-reverse ng mga pagbabagong ito ay makatutulong upang maiwasan ang sakit, o maging mabagal na pag-iipon - isang nakakaintriga na posibilidad.

Kasama ng DNA, protina, at taba, ang mga glycano ay isa sa apat na pangunahing macromolecules na mahalaga sa buhay. Sa apat na ito, ang mga glycano ay ang pangwakas na arbiters kung paano kumilos ang ating mga cell.

Ang DNA ay nag-iisa kung ano ang hitsura natin, ang ating kakayahang mag-isip at kumilos, at kahit na tinutukoy ang mga sakit na kung saan tayo ay pinaka-madaling kapitan. Sa loob ng aming DNA ay maikli ang mga segment, mga gene, na kadalasang naglalaman ng mga tagubilin kung paano i-synthesize ang mga protina. Ang mga protina, sa turn, ay ang mga "workhorses" ng cell, na ginagawa ang maraming mga function na kinakailangan para sa buhay.

Gayunpaman, kung gaano kadalas ang isang protina ay nakasalalay sa kung ano ang naka-attach sa glycans. Sa madaling salita, ang mga molecule ng asukal na ito ay maaaring makakaimpluwensyang malaki kung paano ginagawa ng ating mga protina ang kanilang trabaho, at maging kung paano tutugon ang ating mga cell sa stimuli. Halimbawa, kung magbago ka ng ilang mga glycans sa labas ng isang cell, maaari itong ma-trigger ang cell na lumipat sa ibang lokasyon sa aming katawan.

Ang pangunahing trabaho ng mga glycano ay baguhin ang mga protina at taba na umupo sa ibabaw ng ating mga selula. Magkasama, gumawa sila ng makapal na amerikana sa paligid ng selula. Kung isinasaalang-alang natin ang ibabaw ng cell upang maging lupa, kung gayon ang mga glycano ay magiging kahanga-hangang magkakaibang buhay ng halaman at mga dahon na lumalaki at nagdadala ng kulay at pagkakakilanlan sa selula. Sa katunayan, kung nakikita mo ang isang cell gamit ang iyong mata, magiging malabo ito. Larawan ng isang melokoton na may 10 beses na mas kalat.

Ang Label ng Glycans ay Ang Ating Sariling Mga Cell at Kilalanin ang mga ito bilang "Sarili"

Ang kalokohan sa paligid ng isang cell ay ang glycan coat nito. Sa labas ng aming mga selula, ang mga glycano ang unang punto ng pakikipag-ugnay para sa karamihan ng mga pakikipag-ugnayan ng cellular at sa gayon ay nakakaimpluwensya kung paano nakikipag-usap ang aming mga cell sa isa't isa. Maaari mo ring isipin ang mga glycano bilang isang natatanging cellular "barcode." Kung gayon, ang fuzz ng isang selula ng bato ay magiging iba mula sa isang kalabuan ng immune cell. Ngunit mayroon ding mga pagkakatulad. Sa katunayan, ang mga immune cell na sumisiyasat sa ating katawan na naghahanap ng mga pathogens ay hindi alam ang pag-atake sa sarili nating selulang "sarili" dahil sa karaniwang mga tampok sa glycan "barcode" na ibinabahagi ng lahat ng mga selula ng ating katawan.

Sa kaibahan, ang bakterya at mga parasito tulad ng malarya ay may iba't ibang mga "coats ng asukal" na hindi nakikita sa mga selula ng tao. Kapag ang mga sugat sa bakterya ay na-tag bilang "banyaga," tinutukoy ng sistemang immune ng isang tao ang bacterium para sa pagkasira. Gayunpaman, ang ilang mga mapanganib na bacterial pathogens tulad ng grupo B streptococcus, na karaniwang nagiging sanhi ng malubhang mga impeksyon sa mga sanggol, ay maaaring maiwasan ang immune detection sa pamamagitan ng pagpapanggap sa mga selula ng tao sa pamamagitan ng pagdadala ng mga katulad na glycans bilang isang magkaila - tulad ng lobo na nakadamit sa sheepskin.

Sa kasamaang palad, ang ilang mga pathogens ay magagawang gamitin ang aming mga glycano upang tulungan silang maging sanhi ng sakit. Ang mga nakamamatay na mga virus na tulad ng HIV at Ebola ay umunlad upang makuha ang mga tiyak na glycans na kung saan sila ay "i-lock" papunta sa kanilang pagkakasakit sa ating mga selula ng tao. Ang mga therapies na alinman sa harangan ang mga virus na ito mula sa pakikipag-ugnay sa aming mga glycans, o ang glycans na may partikular na virus na atake, ay maaaring isang bagong paraan upang maprotektahan ang mga impeksyon.

Ipinakita rin ng bagong pananaliksik na ang mga glycano ay may malaking papel sa pagpapaunlad ng mga sakit na autoimmune tulad ng rheumatoid arthritis at autoimmune pancreatitis. Ito ay hindi kataka-taka dahil direktang nakakaimpluwensya ang mga glycano sa pag-andar ng mga immune cell.

Karaniwan, ang ating mga immune cell ay kumilos bilang "sistema ng pagtatanggol" ng ating katawan, at kilalanin at sirain ang mga dayuhang manlulupig tulad ng mga nakakapinsalang bakterya o mga virus. Ngunit kapag ang katawan ay nagkakamali sa ating sariling mga selula bilang kaaway at naglulunsad ng panloob na atake sa sarili nito, ang autoimmunity ay ipinanganak. Kapansin-pansin, sa ganitong mga sitwasyon, ang mga glycano na naroroon sa malaswang pag-atake na mga antibodies na magdikta sa lakas ng pag-atake sa katawan. Ang abnormal na tugon sa immune ay maaaring maging direktang laban sa mga glycano. Halimbawa, maaaring malimutan ng sistemang immune ang "sarili" na mga glycano na parang mga "banyagang" molekula. Ang aming koponan sa pananaliksik kamakailan ay naglathala ng isang artikulo na nagpakilala sa teoryang glycan ng autoimmunity, na nagpapaliwanag ng ilan sa mga relasyon na ito.

Ang mga Glycano sa Ating Pagkain ay Maaaring Mag-trigger ng mga Tugon ng Immune

Nagkaroon ng maraming pag-aaral na nag-uugnay sa pagkonsumo ng pulang karne na may mga karamdaman tulad ng atherosclerosis at diyabetis, ngunit hindi pa nila maipakita kung bakit o kung paano ito nangyayari kamakailan. Ang isang nakakaintriga na pag-aaral ay nagpapahiwatig na ang salarin ay isang asukal na may malubhang pangalan, non-sialic N-glycolylneuraminic acid, o Neu5Gc para sa maikli. Neu5Gc ay matatagpuan sa lahat ng mga mammals maliban sa mga tao, dahil ang mga unang tao na maaaring gumawa Neu5Gc namatay mula sa isang sinaunang malarya parasitoo.

Gayunpaman, bagaman wala na tayong kakayahang gumawa ng Neu5Gc, ang ating mga katawan ay may kakayahang isama ito sa mga glycano sa ating mga selula kung makuha natin ito sa pamamagitan ng pagkain ng pulang karne. Sa sandaling ito ay magiging bahagi ng aming mga glycan coat, ang aming mga selula ay magkakaroon ng "banyagang" substansiya - Neu5Gc - na nakapalibot sa kanila. Maaari itong mag-trigger ng pamamaga sa buong katawan dahil kinikilala ng aming immune system ang Neu5Gc bilang "banyagang" at inaatake ito. Ang matagal na pamamaga na dulot ng mga panloob na pag-atake ay maaaring humantong sa atake sa puso, stroke, at kahit na kanser.

Ang aming mga katawan ay nag-synthesize ng libu-libong mga natatanging glycans, kadalasang may mga branching structure na nabuo mula sa simpleng mga bloke ng gusali ng asukal. Ang mga protina o taba ay maaari ding baguhin ng mga dose-dosenang mga natatanging glycans. Ang mga hindi mabilang na kumbinasyon ay gumagawa ng paggawa ng mga glycano ng mahirap na gawain dahil kailangan namin ng isang praktikal at mahusay na paraan upang pag-aralan ang daan-daang libo ng mga pattern ng glycan.

Ang aming koponan sa pananaliksik ay ngayon ay bumuo ng mga pamamaraan upang mabilis at matatag na masubaybayan ang tao glycome. Sa pamamagitan ng pag-capitalize sa mga pagsulong sa engineering at mga pagpapabuti sa pagpoproseso ng sample, ang aming pamamaraan ay maaaring subaybayan ang libu-libong glycans nang sabay-sabay, na nagpapahintulot sa amin na makilala ang mga glycans sa mga selula mula sa mga malusog na kontrol at mga pasyente na may iba't ibang iba't ibang mga sakit. Ang aming layunin ay gamitin ang data na ito upang bumuo ng mga predictive na mga modelo upang matulungan ang mga doktor na magpatingin sa doktor at gamutin ang lahat ng sakit ng tao. Naniniwala kami na isang bagong alon ng mga medikal na pag-usad ay darating habang ina-unlock natin ang "code ng asukal."

Si Jenny Wang ang co-lead author ng artikulong ito.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa The Conversation ni Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla, at Jenny Wang. Basahin ang orihinal na artikulo dito.