Ce este Glycome-ul uman? Cum oamenii de știință au deblocat codul de zahăr

Când vă gândiți la zahăr, probabil vă gândiți la zahărul dulce, alb, cristalin de masă pe care îl folosiți pentru a face cookie-uri sau pentru a vă îndulci cafeaua. Dar ați știut că în interiorul corpului nostru, moleculele de zahăr simple pot fi conectate împreună pentru a crea structuri puternice care au fost recent descoperite ca fiind legate de probleme de sănătate, inclusiv cancer, îmbătrânire și boli autoimune.

Aceste lanțuri lungi de zahăr care acoperă fiecare dintre celulele noastre sunt numite glicani și, conform Academiei Naționale de Științe, crearea unei hărți a locației și structurii lor ne va conduce într-o nouă eră a medicinei moderne. Acest lucru se datorează faptului că glicomia umană - întreaga colecție de zaharuri din corpul nostru - găzduiește încă glicani cu potențial de a ajuta medicii să-și diagnosticheze și să-i trateze pacienții.

Datorită atenției mondiale obținute în urma finalizării Proiectului Genomului Uman din 2003, majoritatea oamenilor au auzit despre ADN, genomică și chiar proteomică - studiul proteinelor. Dar studiul glicanilor, cunoscut și sub numele de glicomie, este cu aproximativ 20 de ani în urmă față de cel al altor domenii. Un motiv pentru acest decalaj este că oamenii de știință nu au dezvoltat instrumentele pentru a identifica rapid structurile de glicani și site-urile lor de atașament pe celulele oamenilor. "Haina de zahăr" a fost oarecum un mister.

Până acum, asta este.

În timp ce majoritatea laboratoarelor se concentrează pe cercetarea celulară sau moleculară, laboratorul nostru este dedicat dezvoltării tehnologiei pentru a caracteriza rapid structurile de glicani și site-urile lor de atașament. Scopul nostru final este de a cataloga sutele de mii de zaharuri si locatiile lor pe diferite tipuri de celule si apoi sa folosim aceste informatii pentru a adapta terapii medicale la fiecare individ.

De asemenea, vă poate plăcea acest videoclip de la Invers:

De ce ne pasă de glicani?

În viitor, este probabil ca analiza glicoanelor unui individ să fie utilizată pentru a prezice riscul nostru de a dezvolta boli cum ar fi artrita reumatoidă, cancerul sau chiar alergiile alimentare. Acest lucru se datorează faptului că modificările glicemiei pot fi legate în mod specific de anumite stări de boală. De asemenea, procesele biologice cum ar fi îmbătrânirea sunt legate de inflamația în glicomia noastră. Rămâne să fie testat dacă inversarea acestor schimbări poate ajuta la prevenirea bolilor sau chiar la încetinirea îmbătrânirii - o posibilitate interesantă.

Împreună cu ADN-ul, proteinele și grăsimile, glicanii sunt una dintre cele patru mari macromolecule esențiale pentru viață. Dintre acești patru, glicani sunt arbitrii finali ai comportării celulelor noastre.

ADN-ul orchestrează ceea ce arătăm, capacitatea noastră de a gândi și de a ne comporta și chiar determină bolile la care suntem cei mai sensibili. În ADN-ul nostru sunt segmente scurte, genele, care adesea conțin instrucțiuni pentru a sintetiza proteinele. Proteinele, la rândul lor, sunt "motoarele de lucru" ale celulei, îndeplinind multe din funcțiile necesare pentru viață.

Totuși, modul în care se comportă o proteină depinde deseori de ce glycani sunt atașați la ea. Cu alte cuvinte, aceste molecule de zahar pot influenta foarte mult modul in care proteinele noastre functioneaza si chiar modul in care celulele noastre vor raspunde la stimuli. De exemplu, dacă schimbați câteva glicani pe partea exterioară a unei celule, s-ar putea să declanșeze acea celulă să migreze într-o altă locație din corpul nostru.

Principala sarcină a glicanilor este de a modifica proteinele și grăsimile care stau pe suprafața celulelor noastre. Împreună, ele creează un strat gros de zahăr în jurul celulei. Dacă considerăm că suprafața celulei este sol, atunci glicanii ar fi diversitatea vieții plantelor și a frunzelor care dau naștere și care vor aduce culoarea și identitatea celulei. De fapt, dacă ați putea vedea o celulă cu ochiul liber, ar arăta foarte neclar. Imaginați-vă o piersică cu 10 ori mai multă fuzz.

Glicani etichetați propriile noastre celule și identificați-le ca "sine"

Fuzzul din jurul unei celule este stratul de glican. Fiind în afara celulelor noastre, glicani sunt primul punct de contact pentru cele mai multe interacțiuni celulare și astfel influențează modul în care celulele noastre comunică unul cu celălalt. Puteți, de asemenea, să vă gândiți la glicani ca un "cod de bare" unic. Astfel, un fuzz de celule renale va arăta diferit de cel al celulelor imunitare. Dar există și asemănări. De fapt, celulele imune care anchetează corpul nostru căutând agenți patogeni nu știu să atace propriile celule "de sine" din cauza caracteristicilor comune ale codului de bare "glycan", care sunt împărtășite de toate celulele corpului nostru.

În schimb, bacteriile și paraziți, cum ar fi malaria, au diferite "straturi de zahăr" care nu sunt văzute pe celulele umane. Atunci când zaharurile bacteriene sunt etichetate ca "străine", sistemul imunitar al unei persoane vizează bacteria pentru distrugere. Cu toate acestea, unii agenți patogeni bacterieni dăunători, cum ar fi streptococul din grupul B, care cauzează frecvent infecții severe la copii, pot evita detectarea imunității prin impersonarea celulelor umane, transportând glicani asemănători ca deghizare - ca lupul îmbrăcat în pielea de oaie.

Din păcate, unii agenți patogeni sunt, de asemenea, capabili să folosească glicani pentru a le ajuta să provoace boli. Virușii morți precum HIV și Ebola au evoluat pentru a apuca glicani specifici pe care îi "blochează" atunci când infectează celulele noastre umane. Terapiile care fie le blochează pe acești viruși din interacțiunea cu glicanii noștri, fie că atacă glicani specifici virusului, pot fi o cale nouă pentru tratarea acestor infecții.

Noi cercetări au arătat, de asemenea, că glicani joacă un rol imens în dezvoltarea bolilor autoimune, cum ar fi artrita reumatoidă și pancreatita autoimună. Acest lucru nu este surprinzător deoarece glicanii influențează direct funcția celulelor imune.

În mod normal, celulele noastre imunitar acționează ca "sistemul de apărare" al organismului nostru și identifică și distrug invadatorii străini cum ar fi bacteriile dăunătoare sau virușii. Dar atunci când organismul își etichetează eronat propriile celule ca inamic și lansează un atac intern asupra sa, se naște autoimunitatea. Interesant este faptul că, în astfel de situații, glicanii prezenți pe anticorpii care se autoincarchează greșit vor dicta forța atacului asupra corpului. Acest răspuns imun anormal poate fi chiar îndreptat împotriva glicanilor. De exemplu, sistemul imunitar poate ghici "auto-glicani" ca și cum ar fi molecule "străine". Echipa noastră de cercetare a publicat recent un articol care a introdus teoria glicanului de autoimunitate, care explică unele dintre aceste relații.

Glicani în alimentația noastră pot declanșa răspunsuri imune

Au fost multe studii care leagă consumul de carne roșie de boli cum ar fi ateroscleroza și diabetul, dar nu au reușit să arate de ce și cum se întâmplă acest lucru până de curând. Un studiu interesant sugerează că vinovatul a fost un zahăr cu numele greoi, acidul N-glicolilneuraminic nealimilic, sau Neu5Gc pe scurt. Neu5Gc se găsește la toate mamiferele, cu excepția oamenilor, deoarece oamenii premature care ar putea face Neu5Gc au murit de un parazit antic malaric.

Cu toate acestea, deși acum nu avem capacitatea de a produce Neu5Gc, trupurile noastre au încă capacitatea de a le încorpora în glicani pe celulele noastre dacă le obținem consumând carne roșie. Odată ce devine parte din stratul de glicină al celulelor noastre, celulele noastre au apoi o substanță "străină" - Neu5Gc - care le înconjoară. Acest lucru poate declansa inflamatii in intreg organismul, deoarece sistemul nostru imunitar recunoaste Neu5Gc ca fiind "strain" si il ataca. Inflamația cronică cauzată de aceste atacuri interne poate duce la atac de cord, accident vascular cerebral și chiar cancer.

Organismele noastre sintetizează zeci de mii de glicani unici, adesea cu structuri de ramificație formate din blocuri de zahăr simple. Proteinele sau grăsimile pot fi, de asemenea, modificate prin zeci de glicani unici. Aceste combinații nenumărate fac cartografierea glicoanelor o sarcină dificilă deoarece avem nevoie de o modalitate practică și eficientă de a analiza sute de mii de modele de glicani.

Echipa noastră de cercetare a dezvoltat acum metode de monitorizare rapidă și robustă a glicomului uman. Prin valorificarea progreselor tehnologice și a îmbunătățirilor procesării probelor, tehnica noastră poate monitoriza simultan mii de glicani, ceea ce ne permite să caracterizăm glicanii din celulele de la controalele sănătoase și pacienții cu o varietate de boli diferite. Scopul nostru este de a folosi aceste date pentru a dezvolta modele predictive pentru a ajuta clinicienii să diagnosticheze și să trateze toate bolile umane. Noi credem că va veni un nou val de progrese medicale, pe măsură ce deblocăm "codul zahărului".

Jenny Wang a fost co-autorul acestui articol.

Acest articol a fost inițial publicat pe Conversația de Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla și Jenny Wang. Citiți articolul original aici.