Što je ljudski glikem? Kako su znanstvenici otključali Šećerni kod

Kada pomislite na šećer, vjerojatno mislite na slatki, bijeli, kristalni stolni šećer koji koristite za izradu kolačića ili za zaslađivanje vaše kave. Ali jeste li znali da unutar našeg tijela jednostavne molekule šećera mogu biti povezane zajedno kako bi stvorile moćne strukture koje su nedavno otkrivene kao povezane s zdravstvenim problemima, uključujući rak, starenje i autoimune bolesti.

Ti dugi šećerni lanci koji pokrivaju svaku od naših stanica nazivaju se glikani, a prema Nacionalnoj akademiji znanosti, stvaranje karte njihovog položaja i strukture dovest će nas u novu eru moderne medicine. To je zbog toga što ljudski glycome - cijela zbirka šećera u našem tijelu - sadrži još uvijek otkrivene glikane s potencijalom da pomogne liječnicima u dijagnosticiranju i liječenju njihovih pacijenata.

Zahvaljujući svjetskoj pozornosti prikupljenoj tijekom završetka Projekta ljudskog genoma 2003. godine, većina ljudi je čula za DNK, genomiku, pa čak i za proteomiku - proučavanje proteina. Ali proučavanje glikana, također poznato kao glikomika, je oko 20 godina iza onih drugih područja. Jedan od razloga za to je činjenica da znanstvenici nisu razvili alate za brzo prepoznavanje struktura glikana i njihovih veznih mjesta na stanicama ljudi. "Šećerna dlaka" bila je pomalo misteriozna.

Do sada, to jest.

Dok se većina laboratorija usredotočuje na stanična ili molekularna istraživanja, naš laboratorij je posvećen razvoju tehnologije za brzo karakteriziranje struktura glikana i njihovih mjesta vezivanja. Naš je krajnji cilj katalogizirati stotine tisuća šećera i njihovih lokacija na različitim tipovima stanica, a zatim koristiti te informacije kako bismo prilagodili medicinske terapije svakom pojedincu.

Ovaj vam se videozapis može svidjeti i od Inverzan:

Zašto nam je stalo do glikana?

U budućnosti, vjerojatno će se analiza glikana pojedinca koristiti za predviđanje našeg rizika za razvijanje bolesti poput reumatoidnog artritisa, raka ili čak alergija na hranu. To je zbog toga što se promjene u glivedu mogu specifično vezati za određena bolesna stanja. Također, biološki procesi poput starenja povezani su s upalom u našem gliemu. Ostaje da se testira može li preinačiti te promjene spriječiti bolest, ili čak usporiti starenje - intrigantna mogućnost.

Uz DNK, proteine ​​i masti, glikani su jedna od četiri glavne makromolekule bitne za život. Od tih četiri, glikani su konačni arbitri kako se naše stanice ponašaju.

DNA orkestrira kako mi izgledamo, naša sposobnost razmišljanja i ponašanja, pa čak i određuje bolesti na koje smo najosjetljiviji. Unutar naše DNK su kratki segmenti, geni koji često sadrže upute za sintezu proteina. Proteini su, pak, “radni konji” u ćeliji, koji obavljaju mnoge funkcije potrebne za život.

Međutim, kako se protein ponaša često ovisi o tome što su glikani vezani uz njega. Drugim riječima, te molekule šećera mogu uvelike utjecati na to kako naši proteini rade svoj posao, pa čak i kako će naše stanice reagirati na podražaje. Na primjer, ako promijenite nekoliko glikana na vanjskoj strani ćelije, to može potaknuti stanicu da migrira na drugo mjesto u našem tijelu.

Glavni zadatak glikana je modificirati proteine ​​i masti koji se nalaze na površini naših stanica. Zajedno stvaraju debeli šećerni omotač oko ćelije. Ako smatramo da je površina stanice tlo, onda bi glikani bili predivno raznolik biljni život i lišće koje se pojavljuju i donose boju i identitet u ćeliju. Zapravo, ako biste mogli vidjeti ćeliju golim okom, izgledalo bi vrlo mutno. Zamislite breskvu s 10 puta više mesa.

Glikani označavaju vlastite stanice i identificiraju ih kao “sebe”

Pahuljica oko ćelije je glikanska prevlaka. Budući da smo izvan naših stanica, glikani su prva točka kontakta za većinu staničnih interakcija i tako utječu na to kako naše stanice komuniciraju jedna s drugom. Glikane možete također smatrati jedinstvenim staničnim "barkodom". Tako će se dlakave stanice bubrega razlikovati od fuzije imunološke stanice. Ali postoje i sličnosti. Zapravo, imunološke stanice koje istražuju naše tijelo u potrazi za patogenima ne znaju napasti naše vlastite “self” stanice zbog zajedničkih značajki u glikanskom “barkodu” koji dijele sve stanice našeg tijela.

Nasuprot tome, bakterije i paraziti poput malarije imaju različite "šećerne premaze" koje se ne vide na ljudskim stanicama. Kada su bakterijski šećeri označeni kao "strani", imunološki sustav osobe cilja na uništavanje bakterije. Međutim, neki štetni bakterijski patogeni poput streptokoka grupe B, koji obično uzrokuju teške infekcije kod beba, mogu izbjeći imunološku detekciju imitiranjem ljudskih stanica noseći slične glikane kao prerušavanje - poput vuka obučenog u kožu.

Nažalost, neki patogeni također mogu koristiti naše glikane kako bi im pomogli u izazivanju bolesti. Smrtonosni virusi poput HIV-a i ebole razvili su se kako bi uhvatili specifične glikane koje potom „zaključavaju“ na način na koji inficiraju naše ljudske stanice. Terapije koje blokiraju ove viruse od interakcije s našim glikanima, ili koje napadaju specifične glikane, mogu biti novi put u liječenju ovih infekcija.

Nova istraživanja su također pokazala da glikani igraju veliku ulogu u razvoju autoimunih bolesti poput reumatoidnog artritisa i autoimunog pankreatitisa. To ne iznenađuje jer glikani izravno utječu na funkciju imunoloških stanica.

Normalno, naše imunološke stanice djeluju kao "obrambeni sustav našeg tijela", te identificiraju i uništavaju strane invadante kao što su štetne bakterije ili virusi. Ali kada tijelo pogrešno označi naše stanice kao neprijatelja i pokrene interni napad na sebe, rađa se autoimunost. Zanimljivo je da u takvim slučajevima glikani prisutni na lošem ponašanju samo-napadajućih antitijela diktiraju snagu napada na tijelo. Ovaj abnormalni imunološki odgovor može biti čak usmjeren protiv glikana. Primjerice, imunološki sustav može pogriješiti “self” glikane kao da su “strane” molekule. Naš je istraživački tim nedavno objavio članak koji je uveo glikansku teoriju autoimuniteta, koja objašnjava neke od tih odnosa.

Glikani u našoj hrani mogu pokrenuti imuni odgovor

Brojne su studije povezivale konzumaciju crvenog mesa s bolestima kao što su ateroskleroza i dijabetes, ali nisu uspjeli pokazati zašto ili kako se to dogodilo do nedavno. Jedna intrigantna studija sugerira da je krivac bio šećer s glomaznim imenom, neljudska sialična N-glikolilneuraminska kiselina ili skraćeno Neu5Gc. Neu5Gc se nalazi u svim sisavcima, osim kod ljudi, jer su rani ljudi koji su mogli učiniti Neu5Gc umrli od drevnog malarijskog parazita.

Međutim, iako nam sada nedostaje sposobnost proizvodnje Neu5Gc, naša tijela još uvijek imaju sposobnost da ga ugrade u glikane na našim stanicama ako ih dobijemo jedući crveno meso. Kada jednom postane dio glikanske prevlake naših stanica, naše stanice tada imaju "stranu" tvar - Neu5Gc - koja ih okružuje. To može potaknuti upalu u cijelom tijelu jer naš imunološki sustav prepoznaje Neu5Gc kao „strani“ i napada ga. Kronična upala uzrokovana tim unutarnjim napadima može dovesti do srčanog udara, moždanog udara, pa čak i raka.

Naša tijela sintetiziraju desetke tisuća jedinstvenih glikana, često s razgranatim strukturama formiranim od jednostavnih blokova za izgradnju šećera. Proteine ​​ili masti mogu se također modificirati na desetke jedinstvenih glikana. Ove bezbrojne kombinacije čine mapiranje glikana teškim zadatkom, jer nam je potreban praktičan i učinkovit način za analizu stotina tisuća uzoraka glikana.

Naš istraživački tim razvio je metode za brzo i robusno praćenje ljudskog gliema. Kapitalizirajući inženjerska dostignuća i poboljšanja u obradi uzoraka, naša tehnika može pratiti tisuće glikana odjednom, što nam omogućuje da karakteriziramo glikane u stanicama od zdravih kontrola i pacijenata s različitim bolestima. Naš je cilj koristiti te podatke za razvoj prediktivnih modela koji će pomoći kliničarima u dijagnosticiranju i liječenju svih ljudskih bolesti. Vjerujemo da će doći novi val medicinskog napretka kada otključamo "šećerni kod".

Jenny Wang bila je glavni voditelj ovog članka.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Emanuala Maverakisa, Carlita Lebrilla i Jenny Wang. Pročitajte izvorni članak ovdje.