Čo je ľudský príjem? Ako vedci odomkli kód cukru

Keď si myslíte, že cukor, budete pravdepodobne myslieť na sladký, biely, kryštalický stolový cukor, ktorý používate na výrobu cookies alebo osladiť kávu. Vedeli ste však, že v našom tele môžu byť jednoduché molekuly cukru spojené, aby sa vytvorili silné štruktúry, o ktorých sa nedávno zistilo, že súvisia so zdravotnými problémami vrátane rakoviny, starnutia a autoimunitných ochorení.

Tieto dlhé reťazce cukru, ktoré pokrývajú každú z našich buniek, sa nazývajú glykány, a podľa Národnej akadémie vied, vytvorenie mapy ich umiestnenia a štruktúry nás zavedie do novej éry modernej medicíny. Je to preto, že ľudský glykát - celá kolekcia cukrov v našom tele - ešte stále obsahuje objavené glykány s potenciálom pomáhať lekárom pri diagnostikovaní a liečbe pacientov.

Vďaka celosvetovej pozornosti, ktorú získala v roku 2003 dokončenie projektu Human Genome Project, väčšina ľudí počula o DNA, genomike a dokonca proteomike - štúdiu proteínov. Ale štúdium glykánov, tiež známe ako glykomiká, je asi o 20 rokov vyššie ako v iných oblastiach. Jedným z dôvodov je, že vedci nevyvinuli nástroje na rýchlu identifikáciu glykánových štruktúr a ich väzbových miest na bunkách ľudí. „Cukrovka“ bola trochu záhadou.

Doteraz to je.

Zatiaľ čo väčšina laboratórií sa zameriava na bunkový alebo molekulárny výskum, naše laboratórium sa venuje vývoju technológií na rýchlu charakterizáciu glykánových štruktúr a ich väzbových miest. Naším hlavným cieľom je katalogizovať stovky tisíc cukrov a ich umiestnenia na rôznych typoch buniek a potom použiť tieto informácie na prispôsobenie liečebných postupov každému jednotlivcovi.

Toto video sa tiež môže páčiť od používateľa obrátený:

Prečo sa staráme o glykány?

V budúcnosti je pravdepodobné, že analýza individuálnych glykánov sa použije na predpovedanie nášho rizika vzniku ochorení, ako je reumatoidná artritída, rakovina alebo dokonca potravinové alergie. Je to preto, že zmeny glykémie môžu byť špecificky viazané na konkrétne chorobné stavy. Aj biologické procesy, ako je starnutie, sú spojené so zápalom v našom glykore. Zostáva otestovať, či zvrátenie týchto zmien môže pomôcť predísť chorobám alebo dokonca spomaliť starnutie - zaujímavú možnosť.

Spolu s DNA, proteínmi a tukmi sú glykány jednou zo štyroch hlavných makromolekúl nevyhnutných pre život. Z týchto štyroch sú glykány konečnými rozhodcami toho, ako sa naše bunky chovajú.

DNA organizuje to, čo vyzeráme, našu schopnosť myslieť a správať sa, a dokonca určuje choroby, na ktoré sme najviac náchylní. V našej DNA sú krátke segmenty, gény, ktoré často obsahujú inštrukcie, ako syntetizovať proteíny. Bielkoviny sú zase „pracovnými koňmi“ bunky a vykonávajú mnohé funkcie potrebné pre život.

Avšak, ako sa proteín správa často závisí od toho, čo sú k tomu pripojené glykány. Inými slovami, tieto molekuly cukru môžu výrazne ovplyvniť, ako naše proteíny vykonávajú svoju prácu, a dokonca aj to, ako budú naše bunky reagovať na podnety. Napríklad, ak zmeníte niekoľko glykánov na vonkajšej strane bunky, môže to spôsobiť, že táto bunka bude migrovať na iné miesto v našom tele.

Hlavnou úlohou glykánov je modifikácia proteínov a tukov, ktoré sedia na povrchu našich buniek. Spolu vytvárajú hustú vrstvu cukru okolo bunky. Ak vezmeme do úvahy povrch bunky ako pôdu, glykány by boli nádherne rôznorodým rastlinným životom a listami, ktoré vyrastú a prinesú bunke farbu a identitu. V skutočnosti, ak ste boli schopní vidieť bunku s voľným okom, vyzeralo by to veľmi fuzzy. Obrázok broskyňa s 10 krát viac fuzz.

Glykány označujú naše vlastné bunky a identifikujú ich ako „ja“

Fuzz okolo bunky je jej glykánový plášť. Keďže glykány sú na vonkajšej strane našich buniek, sú prvým kontaktným bodom pre väčšinu bunkových interakcií, a tak ovplyvňujú vzájomnú interakciu našich buniek. Môžete si tiež myslieť na glykány ako na jedinečný bunkový „čiarový kód“. Fuzz obličkových buniek bude teda vyzerať inak ako chmúr imunitnej bunky. Existujú však aj podobnosti. V skutočnosti, imunitné bunky, ktoré skúmajú naše telo hľadajúce patogény, nevedia, že zaútočia na naše vlastné „vlastné“ bunky, pretože majú spoločné rysy glykánového „čiarového kódu“, ktoré zdieľajú všetky bunky nášho tela.

Naproti tomu baktérie a parazity, ako napríklad malária, majú rozdielne „cukrové povlaky“, ktoré sa na ľudských bunkách nevyskytujú. Keď sú bakteriálne cukry označené ako „cudzie“, imunitný systém človeka sa zameriava na baktériu určenú na zničenie. Avšak niektoré škodlivé bakteriálne patogény, ako napríklad streptokoky skupiny B, ktoré bežne spôsobujú ťažké infekcie u detí, sa môžu vyhnúť imunitnej detekcii zosobnením ľudských buniek tým, že majú podobné glykány ako prevlek - ako vlk oblečený v ovčej koži.

Bohužiaľ, niektoré patogény sú tiež schopné použiť naše glykány, aby im pomohli spôsobiť ochorenie. Smrteľné vírusy, ako napríklad HIV a ebola, sa vyvinuli tak, aby zachytili špecifické glykány, ktoré potom „zamknú“, pretože infikujú naše ľudské bunky. Terapie, ktoré buď blokujú tieto vírusy v interakcii s našimi glykánmi, alebo ktoré napadajú vírusovo špecifické glykány, môžu byť novou cestou liečby týchto infekcií.

Nový výskum tiež ukázal, že glykány hrajú obrovskú úlohu vo vývoji autoimunitných ochorení, ako je reumatoidná artritída a autoimunitná pankreatitída. To nie je prekvapujúce, pretože glykány priamo ovplyvňujú funkciu imunitných buniek.

Normálne naše imunitné bunky pôsobia ako „obranný systém“ nášho tela a identifikujú a ničia cudzích útočníkov, ako sú škodlivé baktérie alebo vírusy. Ale keď telo mylne označí naše vlastné bunky ako nepriateľa a začne vnútorný útok na seba, autoimunita sa rodí. Zaujímavé je, že v takýchto prípadoch sú glykány prítomné na chybne fungujúcich samo-útočných protilátkach, ktoré budú diktovať silu útoku na telo. Táto abnormálna imunitná reakcia môže byť dokonca namierená proti glykánom. Napríklad imunitný systém môže chybne označiť „vlastné“ glykány, akoby boli „cudzími“ molekulami. Náš výskumný tím nedávno publikoval článok, ktorý predstavil glykánovú teóriu autoimunity, ktorá vysvetľuje niektoré z týchto vzťahov.

Glykány v našich potravinách môžu vyvolať imunitné reakcie

Tam bolo veľa štúdií spájajúcich spotrebu červeného mäsa s chorobami, ako je ateroskleróza a cukrovka, ale neboli schopní ukázať, prečo alebo ako k tomu dochádza až do nedávnej doby. Jedna zaujímavá štúdia naznačuje, že vinníkom bol cukor s nepraktickým názvom, neľudská sialová kyselina N-glykolylneuraminová alebo skrátka Neu5Gc. Neu5Gc sa nachádza u všetkých cicavcov okrem ľudí, pretože skorí ľudia, ktorí mohli urobiť Neu5Gc, zomreli na starodávny maláriový parazit.

Napriek tomu, že nám teraz chýba schopnosť produkovať Neu5Gc, naše telá majú stále schopnosť začleniť ho do glykánov na našich bunkách, ak ho dostaneme konzumáciou červeného mäsa. Akonáhle sa stanú súčasťou glykánového plášťa našich buniek, naše bunky majú „cudziu“ látku - Neu5Gc - obklopujúcu ich. To môže vyvolať zápal v celom tele, pretože náš imunitný systém rozpoznáva Neu5Gc ako „cudzie“ a napáda ho. Chronický zápal spôsobený týmito vnútornými záchvatmi môže viesť k srdcovému infarktu, cievnej mozgovej príhode a dokonca rakovine.

Naše telá syntetizujú desiatky tisíc unikátnych glykánov, často s vetviacimi štruktúrami vytvorenými z jednoduchých stavebných blokov cukru. Proteíny alebo tuky môžu byť tiež modifikované desiatkami unikátnych glykánov. Tieto nespočetné kombinácie robia mapovanie glykánov náročnou úlohou, pretože potrebujeme praktický a efektívny spôsob, ako analyzovať stovky tisíc glykánových vzorov.

Náš výskumný tím teraz vyvinul metódy na rýchle a robustné monitorovanie ľudského glykémie. Využitím technického pokroku a zlepšením spracovania vzoriek môže naša technika monitorovať tisíce glykánov naraz, čo nám umožňuje charakterizovať glykány v bunkách od zdravých kontrol a pacientov s rôznymi ochoreniami. Naším cieľom je využiť tieto údaje na vývoj prediktívnych modelov, ktoré pomôžu lekárom diagnostikovať a liečiť všetky ľudské ochorenia. Veríme, že keď odomkneme „kód cukru“, príde nová vlna medicínskeho pokroku.

Jenny Wang bola spoluautorkou tohto článku.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation od Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla a Jenny Wang. Prečítajte si pôvodný článok.