Sukkerovertrukket verden

Glycaner er afgørende for stort set alle biologiske processer i kroppen. Disse komplekse strukturer - sammensat af sammenlåsende sukkermolekyler - pryder overfladerne af celler i fuzzy overflod. Glykaner er en afgørende del af en celles identitet, hjælper det med at kommunikere med andre celler og med det ydre miljø. Glykaner er også kendt for at spille en afgørende rolle i kræft, autoimmun sygdom og utallige andre lidelser.

På trods af deres allestedsnærværende og betydning, glycaner forbliver blandt de mest gådefulde biologiske spillere.

Nu, forskere fra Arizona State Universitys Biodesign Institute slutter sig til en international forskningsgruppe for at undersøge de dybere mysterier om glycanstruktur og funktion. At gøre dette, de har samlet et bibliotek med de enzymer, der er nødvendige for at skabe, ændre og nedbryde glycaner. Ved hjælp af dette bibliotek, gruppen var i stand til at udtrykke disse enzymer i to typer cellulær vært - pattedyr og insekt.

"Det er klart, at disse udførlige sukkerstrukturer spiller kritiske roller i både sundhed og sygdom, "siger Joshua LaBaer, direktør for Biodesign Institute og Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics.

Han siger videre, at videnskaben stadig har meget lidt forståelse for glycanaktivitet, fordi i modsætning til andre processer i biologi, de samles ikke baseret på en skabelon. I stedet, de produceres af et komplekst samspil mellem en stor familie af enzymer, der tilføjer og fjerner specifikke sukkerarter afhængigt af hvor forskellige familiemedlemmer forekommer og andre faktorer. "For første gang, vi har bygget og samlet klonede kopier af alle enzymerne i denne familie, skabe en uvurderlig værktøjskasse, som forskere vil kunne bruge til at bygge og teste disse strukturer, "Siger Labaer.

Resultater af den nye undersøgelse, som fremgår af det aktuelle nummer af tidsskriftet Naturens kemiske biologi , have potentielt bred indflydelse på områder lige fra ny diagnostik og terapi til sygdom, til andre fremskridt inden for sundhed, materialevidenskab og energi.

Livet er sødt

"At studere glycanstrukturer i dyrecellesystemer har historisk været en stor udfordring, især hvad angår teknologi, "siger Kelley Moremen fra University of Georgia, hovedforfatter til den nye undersøgelse. "For at forstå, hvordan disse molekyler dannes og reguleres med hensyn til funktion på celleoverfladen, det er vigtigt at forstå det enzymatiske maskineri, der gør dem, ændrer dem og nedbryder dem. "

En af fire hovedklasser af makromolekyler, der udgør levende systemer, (sammen med nukleinsyrer, proteiner og lipider), glycaner er afgørende for cellestruktur og funktion. De spiller kritiske roller i cellesignalering, immunitet, og betændelse.

For eksempel, glykaner på celleoverflader er afgørende for molekylær genkendelse, at lede hvide blodlegemer gennem kroppen til infektionssteder, gør immunsystemet i stand til at reagere, hvor det er nødvendigt. Denne dynamik ses tydeligt i de tidlige stadier af influenzainfektion, hvor influenzaviruspartiklen hæfter sig til en menneskelig værtscelle ved at genkende og binde med celleoverflade glycaner.

Immunsystemet reagerer på sådanne trusler ved at lære at genkende glykansukkerbelægningen af ​​vira, bakterier og andre angribere, montering af både medfødte og adaptive forsvarsmekanismer.

Forskellige former for sukker er afgørende for livet. Glukose, en af ​​de vigtigste, er en primær metabolit, der leverer energi til hjernen. Det eksemplificerer også komplekse sukkerers tokantede karakter, da dens dysregulering er en central risikofaktor for udvikling af hjerte -kar -sygdomme. Diabetes, for eksempel, skyldes forkert glukosekontrol ved normale metaboliske mekanismer. Høje koncentrationer af glukose kan forårsage alvorlig organskade, mens lave koncentrationer kan føre til tab af bevidsthed og pludselig død på grund af utilstrækkelig energi.

Andre steder, væggene i planteceller består primært af glycaner og tegner sig for planetens dominerende kilde til biologisk kulstofbinding, eller biomasse. De repræsenterer en stort set uudnyttet bæredygtig kilde til ikke-fossilt brændstofbaseret energi.

Indtil nu dog glycaner har ikke haft samme videnskabelige opmærksomhed som nukleinsyrer eller protein, og meget om deres subtile vifte af opgaver forbliver indhyllet i mystik. Årsagen er, at det svimlende sortiment af glycanstrukturer har, indtil for nylig, været notorisk svært at studere.

Gener til proteiner

Meget af livets maskineri er godt forstået, i hvert fald i store træk. Forskellige arrangementer af de 4 nukleinsyrer i DNA -formgener, der først transkriberes til RNA, derefter oversat til proteiner, efter et strengt regime.

Glykaner er forskellige. De er ikke fremstillet af skabeloner som RNA og protein, men i stedet, samles på flugt efter behov i henhold til komplekse faktorer i miljøet, herunder cellulær metabolisme, celletype, udviklingsstadium, tilgængelighed af næringsstoffer og mange andre tegn. Specialiserede celler som nerve, hud- eller muskelceller har deres eget unikke supplement af glycaner og syge celler viser typisk karakteristiske abnormiteter i glycanerne, der pryder dem. For at producere denne rigdom af glycan mangfoldighed, et stort antal specialiserede enzymer tages i brug.

Glycaner knytter sig typisk til bestemte steder på proteiner, modulere deres biologiske aktivitet gennem molekylær genkendelse eller påvirke deres cirkulationstid i blodbanen. Glykosylering - tilsætning af glycanmolekyler - er en af ​​de vigtigste reguleringsmekanismer, der påvirker proteiner, efter at de allerede er blevet oversat fra RNA. Sådanne posttranslationelle ændringer tillader et ret beskedent antal menneskelige gener-kun 25, 000 eller deromkring - for at generere den forbløffende kompleksitet og mangfoldighed, der observeres hos mennesker og på tværs af mennesker.

Denne nye indsigt i proteiner som stærkt dynamiske enheder har revolutioneret moderne biologi, selvom det har betydeligt uddybet kompleksiteten forskere står over for. Den ryddelige model for 1 gen, der genererer 1 RNA -sekvens, der giver et enkelt protein med kendt struktur og funktion, har givet plads til en verden af ​​subtil og dynamisk proteinmodifikation, har store konsekvenser for menneskers sundhed og sygdom. Undersøgelsen af ​​afvigende dannede gycaner, for eksempel, er nu en stor ny vej til kræftforskning.

Design med sukker

Men hvordan laves glycaner? Processen begynder, når simple sukkerarter i fødevarer - kendt som monosaccharider - indtages. Disse monosaccharider rejser til to centrale subcellulære rum kendt som Golgi -komplekset og det endoplasmatiske retikulum. Disse membranbundne organeller fungerer som fabrikker til trinvis samling af monosaccharid-byggesten til komplekse, forgrenende glycanstrukturer.

Glycaner bindes derefter til proteiner eller lipider og afleveres til plasmamembranen, belægning af celleoverflader med disse sukkermolekyler. Det er blevet anslået, at 70 procent af celleoverfladeproteiner er glykosylerede, og forskere forsøger stadig at fastslå funktionen af ​​alle disse glykosyleringer.

Anvendelser af sådan forskning kan omfatte glycanbaserede teknikker til tidlig påvisning af kræft og andre sygdomme, og udvikling af fremtidige vacciner og lægemidler mod infektionssygdomme baseret på en bedre forståelse af vært-patogeninteraktioner og immunrespons. Oprettelsen af ​​nye produkter eller brændstoffer sammensat af kulhydratråvarer kan også skyldes fremskridt inden for glykobiologi.

Biblioteksadgang

I den aktuelle undersøgelse, forskere producerede med succes hele spektret af glycandannende og modificerende enzymer, der er ansvarlige for at producere over 7000 hvirveldyrglycanstrukturer. For at opnå dette, undersøgelsen forsøgte at forenkle processen, producere afskalede enzymversioner, der er i stand til effektiv ekspression i værtsceller.

"Ved hjælp af Jason (Steele) og Josh (LaBaer), vi skabte en designstrategi til at fange disse kodningsområder og sætte dem i en holdevektor, "Moremen siger." Så, vi var i stand til at placere dem i insekt- eller pattedyrsceller og teste deres evne til at blive udtrykt i disse systemer. "

Dette er et vigtigt fremskridt. Tidligere bestræbelser på at producere og udtrykke glycoenzymer i enklere bakterieceller som E. coli var stort set gået på grund. For at styre bedriften i mere komplekse eukaryote celler, som insekter og pattedyr, betydelig modifikation af de enzymkodende gener var påkrævet før deres indsættelse i specialiserede vektorer kendt som kassetter. Disse glycoenzymkodende kassetter blev derefter indsat i insekt- og pattedyrsceller, hvor de blev udtrykt.

Gruppen fremstillede en omfattende liste over 339 glycoenzymer, der er ansvarlige for dannelse, modifikation og nedbrydning af glycaner, målrettet mod proteinekspression. Selvom resultaterne viste succes, ekspression på højt niveau af glycozymer i både insekt- og pattedyrsceller, forfatterne noterer tydelige forskelle i specifikke ekspressionsniveauer i hvert af de to modelsystemer.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, materialevidenskab, and engineering.