Forståelse af den kemiske kommunikation mellem celler

Ligesom de mennesker, de udgør, kommunikerer celler ved at støde ind i hinanden og udveksle håndtryk. I modsætning til mennesker udfører celler disse håndtryk ved hjælp af den mangfoldige række af sukkermolekyler, der dækker deres overflade som træer, der dækker et landskab. Håndtryk mellem disse sukkermolekyler, eller glykaner, udløser celler til at reagere på specifikke måder mod hinanden, såsom at undslippe, ignorere eller ødelægge.

At finde ud af glykaners "kropssprog" under disse håndtryk kan give fingerpeg om, hvordan kræftformer, infektioner og immunsystemer fungerer, samt løsninger på sundheds- og bæredygtighedsudfordringer, som samfundet står over for i dag.

Hvad er glykaner?

Hvert glycanmolekyle består af et netværk af individuelle sukkermolekyler bundet sammen. Det store antal mulige glycanstrukturer, der kan bygges ved at forbinde disse sukkermolekyler sammen, gør det muligt for glycaner at lagre rig information.

Fordi alle levende celler er dækket af sukker, fungerer glykaner som ID-kort for celler. De viser cellens identitet, såsom om det er en bakterie eller en menneskelig celle, og dens tilstand, såsom om den er sund eller kræft, for resten af ​​kroppen og tillader andre celler at genkende og reagere på det. For eksempel giver disse identificerende tegn vores immunceller mulighed for at genkende og rydde ud af skadelige bakterier og kræftceller, mens de efterlader sunde celler i fred.

Et eksempel på, hvordan glykanlagret information er vigtig for dagligdagen, er din blodtype. Glykaner er kemisk bundet til proteiner og lipider på overfladen af ​​røde blodlegemer. Især har overfladen af ​​type A røde blodlegemer glycaner, der adskiller sig fra glycanerne på overfladen af ​​type B og type O røde blodlegemer. At vide, hvilken blodtype du har, er vigtigt for at undgå et uønsket immunrespons under blodtransfusioner.

Proteiner dekoreret med glykaner eller glykoproteiner og lipider dekoreret med glykaner eller glykolipider er allestedsnærværende i naturen.

For eksempel dækker karakteristiske glykoproteiner overfladen af ​​de vira, der forårsager COVID-19, HIV og H1N1 influenza og hjælper dem med at inficere celler. Glykolipider dækker også mange bakterier, så de kan holde sig til deres værter og beskytte dem mod vira og immunceller.

For nylig opdagede forskere stykker af genetisk materiale dekoreret med glykaner på overfladen af ​​pattedyrsceller, hvilket udfordrede den langvarige forestilling om, at genetisk materiale kun kunne findes i cellekernen, og lancerede forskning for at bestemme disse glykaners funktioner. En nylig undersøgelse viste, at disse molekyler er afgørende for at tiltrække immunceller mod inficeret eller skadet væv.

Hvordan læser celler glykaner?

Ud over den rige biologiske information, der er indeholdt i glycaner, gør deres let tilgængelige placeringer på celleoverflader dem meget attraktive mål i videnskabelig forskning og udvikling af lægemidler.

Celler fornemmer glykaner på overfladen af ​​andre celler ved at bruge proteiner kaldet lectiner, blandt andre. Hver lektin har et unikt område, der gør det muligt for det at binde sig til glykaner med en specifik matchende sekvens, hvilket udløser komplekse signaler, der fører til en biologisk virkning.

For eksempel er en underfamilie af lektiner kaldet C-type lektiner i stand til at genkende de specifikke glykaner på ydervæggene af skadelige vira, svampe og bakterier. Findes på overflader af visse immunceller, leverer disse lectiner glycanerne til proteiner på andre immunceller, som nu selektivt kan ødelægge alle vira eller celler, der bærer den glycan. Denne proces gør det muligt for immunsystemet at rense kroppen for skadelige patogener. For eksempel genkender disse lectiner glycaner på overfladen af ​​kræftceller og dirigerer andre immunceller til at eliminere disse kræftceller.

En anden type lektin kaldet siglecs findes på overflader af immunceller og hjælper dem med at skelne sig selv fra ikke-selv, det vil sige mellem cellerne, der udgør kroppen og de celler, der er fremmede for kroppen. Fordi siglecs er involveret i at kontrollere, hvordan immunsystemet reagerer på mange kræftformer, allergier, autoimmune sygdomme og neurodegeneration, tilbyder de en mulighed for at behandle disse tilstande.

Den tidlige succes med glycan-baserede lægemidler er eksemplificeret af Pfizers Prevnar-vaccine til forebyggelse af bakteriel lungebetændelse, som blev godkendt af Food and Drug Administration i 2010. Prevnar indeholder glycaner fra forskellige stammer af Streptococcus pneumoniae, den førende årsag til bakteriel lungebetændelse hos børn og voksne. De bakterielle glykaner i vaccinen udløser et immunrespons, når immunceller genkender glykanerne som fremmede trusler. Når først immunceller lærer at neutralisere truslen, bliver kroppen immun over for fremtidig invasion af bakterier med de samme glykaner.

Undersøgelse af hvert sukkermolekyle

Fordi videnskabsmænd stadig ikke er i stand til at udtrække al den biologiske information i glycaner, er deres fulde potentiale som behandlinger forblevet uudnyttet. Det er meget vanskeligt at udtrække al den information, der er lagret i glykaner, fordi der i øjeblikket ikke er teknologi i stand til at analysere de komplekse og forskelligartede strukturer af glykaner. Forskere ved stadig ikke, hvordan disse "sukkerkoder" ser ud, og hvordan de fungerer.

Individuelle glykaner er sammensat af sukkermolekyler i unikke arrangementer, men nuværende analytiske værktøjer kan kun analysere mange glykaner samtidigt. For at se, hvorfor dette er et problem for analyse, forestil dig alle glykanerne i en celle som slik i en krukke. Nogle af dem har samme farver, og nogle er ikke. Det ville være svært at identificere og kvantificere farven på hver slik i krukken, hvis du ikke er i stand til at hælde dem ud for at sortere hver enkelt af dem individuelt.

Mit laboratorium konfronterer denne udfordring ved at udvikle billedteknologi, der kan analysere strukturen af ​​glykaner ved at afbilde hvert enkelt molekyle. Grundlæggende er vi ved at udvikle en teknik til at åbne krukken og studere hver enkelt slik én ad gangen.

I det lange løb stræber mit team efter at afsløre, hvordan disse glykaner præsenterer sig for de proteiner, der genkender dem, og endelig afsløre selve det sprog, som celler bruger til at udtrykke sig.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.