Was ist das menschliche Glycome? Wie Wissenschaftler den Zuckerkodex freigeschaltet haben

Wenn Sie an Zucker denken, denken Sie wahrscheinlich an den süßen, weißen, kristallinen Tafelzucker, mit dem Sie Kekse zubereiten oder Ihren Kaffee versüßen. Aber wussten Sie, dass in unserem Körper einfache Zuckermoleküle miteinander verbunden werden können, um leistungsfähige Strukturen zu schaffen, die kürzlich mit Gesundheitsproblemen wie Krebs, Alterung und Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht wurden.

Diese langen Zuckerketten, die jede unserer Zellen abdecken, werden Glykane genannt. Laut der National Academy of Sciences führt die Erstellung einer Karte ihres Standorts und ihrer Struktur zu einer neuen Ära der modernen Medizin. Dies liegt daran, dass das menschliche Glycome - die gesamte Zuckersammlung in unserem Körper - noch nicht entdeckte Glykane beherbergt, die das Potenzial haben, Ärzte bei der Diagnose und Behandlung ihrer Patienten zu unterstützen.

Dank der weltweiten Aufmerksamkeit, die 2003 mit dem Abschluss des Humangenomprojekts erzielt wurde, haben die meisten Menschen von DNA, Genomik und sogar Proteomik gehört - der Erforschung von Proteinen. Die Untersuchung von Glykanen, auch Glykome genannt, liegt etwa 20 Jahre hinter denen anderer Bereiche. Ein Grund für diese Verzögerung ist, dass Wissenschaftler keine Werkzeuge entwickelt haben, um Glycanstrukturen und ihre Anlagerungsstellen in den Zellen von Menschen schnell zu identifizieren. Der "Zuckermantel" war so etwas wie ein Rätsel.

Bis jetzt ist das so.

Während die meisten Laboratorien sich auf zelluläre oder molekulare Forschung konzentrieren, widmet sich unser Labor der Entwicklung von Technologien zur schnellen Charakterisierung von Glykanstrukturen und ihrer Anlagerungsstellen. Unser oberstes Ziel ist es, die Hunderttausende von Zuckern und ihre Standorte auf verschiedenen Zelltypen zu katalogisieren und diese Informationen dann zu verwenden, um medizinische Therapien für jeden Einzelnen maßzuschneidern.

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Warum kümmern wir uns um Glykane?

Es ist wahrscheinlich, dass in Zukunft eine Analyse der Glykane eines Individuums verwendet wird, um unser Risiko für die Entwicklung von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis, Krebs oder sogar Nahrungsmittelallergien vorherzusagen. Dies liegt daran, dass Glycome-Veränderungen spezifisch an bestimmte Krankheitszustände gebunden sein können. Auch biologische Prozesse wie das Altern hängen mit einer Entzündung in unserem Glycome zusammen. Es bleibt zu prüfen, ob die Umkehrung dieser Änderungen dazu beitragen kann, Krankheiten zu verhindern oder das Altern zu verlangsamen - eine faszinierende Möglichkeit.

Glykane gehören neben DNA, Proteinen und Fetten zu den vier wichtigsten Makromolekülen, die für das Leben unverzichtbar sind. Von diesen vier sind Glykane die endgültigen Entscheidungsträger, wie sich unsere Zellen verhalten.

DNA orchestriert, wie wir aussehen, unsere Fähigkeit zu denken und sich zu benehmen, und bestimmt sogar die Krankheiten, für die wir am anfälligsten sind. In unserer DNA befinden sich kurze Segmente, Gene, die oft Anweisungen enthalten, wie man Proteine ​​synthetisiert. Proteine ​​wiederum sind die „Arbeitspferde“ der Zelle, die viele der lebensnotwendigen Funktionen ausführen.

Wie sich ein Protein verhält, hängt jedoch häufig davon ab, welche Glykane daran gebunden sind. Mit anderen Worten, diese Zuckermoleküle können großen Einfluss darauf haben, wie unsere Proteine ​​ihre Arbeit erledigen und sogar wie unsere Zellen auf Reize reagieren. Wenn Sie beispielsweise einige Glycans außerhalb einer Zelle ändern, kann diese Zelle dazu veranlasst werden, an einen anderen Ort in unserem Körper zu migrieren.

Die Hauptaufgabe von Glycanen besteht darin, die Proteine ​​und Fette, die sich auf der Oberfläche unserer Zellen befinden, zu verändern. Zusammen bilden sie eine dicke Zuckerschicht um die Zelle. Wenn wir die Oberfläche der Zelle als Boden betrachten, dann wären Glykane die wunderbar vielfältigen Pflanzen- und Pflanzenarten, die auftauchen und Farbe und Identität in die Zelle bringen. Wenn Sie mit bloßem Auge eine Zelle sehen könnten, würde sie sehr unscharf aussehen. Stellen Sie sich einen Pfirsich mit zehnmal mehr Fuzz vor.

Glykane beschriften unsere eigenen Zellen und identifizieren sie als "Selbst"

Der Flaum um eine Zelle ist ihre Glykanschicht. Glykane befinden sich außerhalb unserer Zellen und sind der erste Kontaktpunkt für die meisten zellulären Interaktionen und beeinflussen somit die Kommunikation unserer Zellen untereinander. Sie können sich die Glykane auch als einen einzigartigen zellularen "Barcode" vorstellen. Der Flaum einer Nierenzelle wird daher anders aussehen als ein Immunzellenfuzz. Es gibt aber auch Gemeinsamkeiten. Tatsächlich wissen die Immunzellen, die unseren Körper auf der Suche nach Krankheitserregern untersuchen, nicht, unsere eigenen "Selbstzellen" anzugreifen, da gemeinsame Merkmale im Glycan-"Barcode" vorhanden sind, die alle Zellen unseres Körpers gemeinsam nutzen.

Im Gegensatz dazu haben Bakterien und Parasiten wie Malaria unterschiedliche "Zuckermäntel", die auf menschlichen Zellen nicht zu sehen sind. Wenn bakterielle Zucker als „fremd“ markiert werden, zielt das Immunsystem einer Person auf das Bakterium zur Zerstörung ab. Einige schädliche bakterielle Krankheitserreger wie Streptokokken der Gruppe B, die häufig schwere Infektionen bei Säuglingen verursachen, können jedoch die Immunerkennung verhindern, indem sie menschliche Zellen verkörpern, indem sie ähnliche Glykane als Tarnung tragen - wie der Wolf im Schaffell.

Leider können einige Krankheitserreger auch unsere Glykane verwenden, um Krankheiten zu verursachen. Tödliche Viren wie HIV und Ebola haben sich entwickelt, um bestimmte Glykane zu ergreifen, an die sie sich dann binden, wenn sie unsere menschlichen Zellen infizieren. Therapien, die entweder die Interaktion dieser Viren mit unseren Glykanen blockieren oder virusspezifische Glykane angreifen, können ein neuer Weg zur Behandlung dieser Infektionen sein.

Neue Forschungen haben auch gezeigt, dass Glykane eine große Rolle bei der Entwicklung von Autoimmunkrankheiten wie rheumatoider Arthritis und Autoimmunpankreatitis spielen. Dies ist nicht überraschend, da Glykane die Funktion von Immunzellen direkt beeinflussen.

Normalerweise fungieren unsere Immunzellen als „Abwehrsystem“ unseres Körpers und identifizieren und zerstören fremde Eindringlinge wie schädliche Bakterien oder Viren. Aber wenn der Körper unsere eigenen Zellen irrtümlich als Feind bezeichnet und einen internen Angriff auf sich selbst startet, entsteht Autoimmunität. Interessanterweise sind es in solchen Fällen die Glykane, die sich auf den sich schlecht benennenden selbstangreifenden Antikörpern befinden, die die Stärke des Angriffs auf den Körper bestimmen. Diese abnormale Immunantwort kann sogar gegen Glykane gerichtet sein. Zum Beispiel kann das Immunsystem "Selbst" -Glykane wie "fremde" Moleküle verwechseln. Unser Forschungsteam hat kürzlich einen Artikel veröffentlicht, der die Glykantheorie der Autoimmunität vorstellte und einige dieser Zusammenhänge erläutert.

Glykane in unserer Nahrung können Immunantworten auslösen

Es gibt viele Studien, die den Konsum von rotem Fleisch mit Krankheiten wie Atherosklerose und Diabetes verknüpfen, aber sie konnten nicht zeigen, warum oder wie dies vor kurzem geschieht. Eine interessante Studie legt nahe, dass es sich bei dem Schuldigen um einen Zucker mit dem schwerfälligen Namen Nicht-menschliches Sialinsäure-N-glykolylneuraminsäure oder kurz Neu5Gc handelte. Neu5Gc kommt in allen Säugetieren außer dem Menschen vor, da der frühe Mensch, der Neu5Gc herstellen konnte, an einem uralten Malariaparasiten starb.

Obwohl wir jetzt nicht die Fähigkeit haben, Neu5Gc zu produzieren, haben unsere Körper immer noch die Fähigkeit, es in die Glykane unserer Zellen einzubauen, wenn wir es durch den Verzehr von rotem Fleisch erhalten. Sobald es Teil der Glykanschicht unserer Zellen ist, haben unsere Zellen eine "fremde" Substanz - Neu5Gc -, die sie umgibt. Dies kann Entzündungen im gesamten Körper auslösen, da unser Immunsystem Neu5Gc als „fremd“ erkennt und angreift. Die chronische Entzündung, die durch diese inneren Anfälle verursacht wird, kann zu Herzinfarkt, Schlaganfall und sogar Krebs führen.

Unser Körper synthetisiert Zehntausende einzigartige Glykane, oft mit verzweigten Strukturen aus einfachen Zuckerbausteinen. Proteine ​​oder Fette können auch durch Dutzende von einzigartigen Glykanen modifiziert werden. Diese unzähligen Kombinationen machen das Mapping von Glykanen zu einer schwierigen Aufgabe, da wir einen praktischen und effizienten Weg benötigen, um Hunderttausende von Glykanmustern zu analysieren.

Unser Forschungsteam hat jetzt Methoden entwickelt, um das menschliche Glycome schnell und zuverlässig zu überwachen. Durch unsere technischen Fortschritte und Verbesserungen bei der Probenverarbeitung können mit unserer Technik Tausende von Glykanen gleichzeitig überwacht werden. Dadurch können wir die Glykane in Zellen von gesunden Kontrollpersonen und Patienten mit verschiedenen Erkrankungen charakterisieren. Unser Ziel ist es, diese Daten zur Entwicklung von Vorhersagemodellen zu verwenden, die dem Kliniker helfen, alle menschlichen Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln. Wir glauben, dass eine neue Welle von medizinischen Fortschritten eintreten wird, wenn wir den "Zuckercode" freischalten.

Jenny Wang war der Co-Leadautor dieses Artikels.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla und Jenny Wang auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.