At knække sukkerkoden - hvorfor glykomet er den næste store ting inden for sundhed og medicin

Når du tænker på sukker, du tænker sikkert på det søde, hvid, krystallinsk bordsukker, som du bruger til at lave småkager eller søde din kaffe. Men vidste du, at i vores krop, simple sukkermolekyler kan forbindes sammen for at skabe kraftfulde strukturer, der for nylig har vist sig at være forbundet med sundhedsproblemer, herunder kræft, aldring og autoimmune sygdomme.

Disse lange sukkerkæder, der dækker hver af vores celler, kaldes glykaner, og ifølge National Academy of Sciences, at skabe et kort over deres placering og struktur vil føre os ind i en ny æra af moderne medicin. Dette skyldes, at det menneskelige glykom – hele samlingen af ​​sukkerarter i vores krop – huser endnu ikke-opdagede glykaner med potentiale til at hjælpe læger med at diagnosticere og behandle deres patienter.

Takket være den verdensomspændende opmærksomhed opnået ved afslutningen af ​​Human Genome Project i 2003, de fleste mennesker har hørt om DNA, genomik og endda proteomik - studiet af proteiner. Men studiet af glykaner, også kendt som glykomik, er omkring 20 år bagud i forhold til andre områder. En grund til denne forsinkelse er, at forskere ikke har udviklet værktøjerne til hurtigt at identificere glycanstrukturer og deres tilknytningssteder på menneskers celler. "Sugar coat" har været noget af et mysterium.

Indtil nu, det er.

Mens de fleste laboratorier fokuserer på cellulær eller molekylær forskning, vores laboratorium er dedikeret til at udvikle teknologi til hurtigt at karakterisere glycanstrukturer og deres bindingssteder. Vores ultimative mål er at katalogisere de hundredtusindvis af sukkerarter og deres placeringer på forskellige celletyper, og derefter bruge disse oplysninger til at skræddersy medicinske behandlinger til hver enkelt person.

Hvorfor bekymrer vi os om glykaner?

I fremtiden, Det er sandsynligt, at analyse af et individs glykaner vil blive brugt til at forudsige vores risiko for at udvikle sygdomme som leddegigt, kræft eller endda fødevareallergi. Dette skyldes, at glykomændringer specifikt kan knyttes til bestemte sygdomstilstande. Også, biologiske processer som aldring er forbundet med betændelse i vores glykom. Det mangler at blive testet, om vending af disse ændringer kan hjælpe med at forhindre sygdom, eller endda langsom aldring – en spændende mulighed.

Sammen med DNA, proteiner, og fedtstoffer, glykaner er et af de fire store makromolekyler, der er nødvendige for livet. Af disse fire glycaner er de endelige dommere for, hvordan vores celler opfører sig.

DNA orkestrerer, hvordan vi ser ud, vores evne til at tænke og opføre sig, og bestemmer endda de sygdomme, som vi er mest modtagelige for. Inden i vores DNA er der korte segmenter, gener, som ofte indeholder instruktioner til, hvordan man syntetiserer proteiner. Proteiner er igen cellens "arbejdsheste", udfører mange af de funktioner, der er nødvendige for livet.

Imidlertid, hvordan et protein opfører sig afhænger ofte af, hvilke glykaner der er knyttet til det. Med andre ord, disse sukkermolekyler kan i høj grad påvirke, hvordan vores proteiner udfører deres arbejde, og endda hvordan vores celler vil reagere på stimuli. For eksempel, hvis du ændrer nogle få glykaner på ydersiden af ​​en celle, det kan få den celle til at migrere til et andet sted i vores krop.

Glykanernes hovedopgave er at modificere de proteiner og fedtstoffer, der sidder på overfladen af ​​vores celler. Sammen, de skaber et tykt sukkerlag omkring cellen. Hvis vi betragter cellens overflade som jord, så ville glykaner være det vidunderligt mangfoldige planteliv og løv, der spirer frem og bringer farve og identitet til cellen. Faktisk, hvis du kunne se en celle med dit blotte øje, det ville se meget sløret ud. Forestil dig en fersken med 10 gange mere fuzz.

Glykaner mærker vores egne celler og identificerer dem som 'selv'

Fuzzen omkring en celle er dens glykanpels. At være på ydersiden af ​​vores celler, Glykaner er det første kontaktpunkt for de fleste cellulære interaktioner og påvirker således, hvordan vores celler kommunikerer med hinanden. Du kan også tænke på glykanerne som en unik cellulær "stregkode". Dermed, en nyrecelles fuzz vil se anderledes ud end en immuncelles fuzz. Men der er også ligheder. Faktisk, immuncellerne, der undersøger vores krop og søger efter patogener, ved ikke at angribe vores egne "selv"-celler på grund af fælles træk i glykan-"stregkoden", som deles af alle celler i vores krop.

I modsætning, bakterier og parasitter som malaria har forskellige "sukkerlag", som ikke ses på menneskeceller. Når bakterielle sukkerarter er mærket som "fremmede, "en persons immunsystem målretter bakterien til ødelæggelse. nogle skadelige bakterielle patogener som gruppe B streptokokker, som almindeligvis forårsager alvorlige infektioner hos babyer, kan undgå immundetektion ved at efterligne menneskelige celler ved at bære lignende glykaner som en forklædning - som ulven klædt i fåreskind.

Desværre er nogle patogener også i stand til at bruge vores glykaner til at hjælpe dem med at forårsage sygdom. Dødelige vira som HIV og Ebola har udviklet sig til at gribe fat i specifikke glykaner, som de derefter "låser" fast på, når de inficerer vores menneskelige celler. Terapi, der enten blokerer disse vira i at interagere med vores glykaner, eller at angrebsvirusspecifikke glycaner kan være en ny vej til behandling af disse infektioner.

Ny forskning har også vist, at glycaner spiller en stor rolle i udviklingen af ​​autoimmune sygdomme som leddegigt og autoimmun pancreatitis. Dette er ikke overraskende, da glycaner direkte påvirker funktionen af ​​immunceller.

Normalt, vores immunceller fungerer som vores krops "forsvarssystem, "og identificere og ødelægge fremmede angribere som skadelige bakterier eller vira. Men når kroppen fejlagtigt mærker vores egne celler som fjenden og lancerer et internt angreb på sig selv, autoimmunitet er født. Interessant nok, i sådanne tilfælde, det er de glykaner, der er til stede på de dårligt opførende selvangribende antistoffer, der vil diktere styrken af ​​angrebet på kroppen. Denne unormale immunrespons kan endda være rettet mod glykaner. For eksempel, immunsystemet kan tage fejl af "selv"-glykaner, som om de var "fremmede" molekyler. Vores forskerhold har for nylig offentliggjort en artikel, der introducerede glycan-teorien om autoimmunitet, som forklarer nogle af disse forhold.

Glykaner i vores mad kan udløse immunreaktioner

Der har været mange undersøgelser, der forbinder indtagelse af rødt kød med sygdomme som åreforkalkning og diabetes, men de har ikke været i stand til at vise hvorfor eller hvordan dette sker før for nylig. En spændende undersøgelse tyder på, at synderen var et sukker med det uhåndterlige navn, ikke-human sialinsyre N-glycolylneuraminsyre, eller Neu5Gc for kort. Neu5Gc findes i alle pattedyr undtagen mennesker, fordi de tidlige mennesker, der kunne lave Neu5Gc, døde af en gammel malariaparasit.

Imidlertid, selvom vi nu mangler evnen til at producere Neu5Gc, vores kroppe har stadig evnen til at inkorporere det i glykanerne på vores celler, hvis vi får det ved at spise rødt kød. Når det først bliver en del af vores cellers glykanlag, vores celler har så et "fremmed" stof – Neu5Gc – omkring sig. Dette kan udløse betændelse i hele kroppen, fordi vores immunsystem genkender Neu5Gc som "fremmed" og angriber det. Den kroniske betændelse forårsaget af disse indre angreb kan føre til hjerteanfald, slagtilfælde og endda kræft.

Vores kroppe syntetiserer titusindvis af unikke glykaner, ofte med forgrenede strukturer dannet af simple sukkerbyggesten. Proteiner eller fedtstoffer kan også modificeres af snesevis af unikke glykaner. Disse utallige kombinationer gør kortlægning af glykaner til en vanskelig opgave, fordi vi har brug for en praktisk og effektiv måde at analysere hundredtusindvis af glykanmønstre på.

Vores forskerhold har nu udviklet metoder til hurtigt og robust at overvåge det menneskelige glykom. Ved at drage fordel af tekniske fremskridt og forbedringer i prøvebehandling, vores teknik kan overvåge tusindvis af glykaner på én gang, som giver os mulighed for at karakterisere glykanerne i celler fra raske kontroller og patienter med en række forskellige sygdomme. Vores mål er at bruge disse data til at udvikle prædiktive modeller til at hjælpe klinikere med at diagnosticere og behandle alle menneskelige sygdomme. Vi tror på, at en ny bølge af medicinske fremskridt vil komme, når vi låser op for "sukkerkoden".

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.