Cracking The Sugar Code: Warum das Glycom ist das nächste große Ding in Gesundheit und Medizin

Cracking The Sugar Code: Warum das Glycom ist das nächste große Ding in Gesundheit und MedizinDurch molekuul_be / shutterstock.com

Wenn Sie an Zucker denken, denken Sie wahrscheinlich an den süßen, weißen, kristallinen Haushaltszucker, mit dem Sie Kekse backen oder Ihren Kaffee versüßen. Aber wussten Sie, dass in unserem Körper einfache Zuckermoleküle miteinander verbunden werden können, um mächtige Strukturen zu schaffen, die in jüngster Zeit mit Gesundheitsproblemen wie Krebs, Alterung und Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht wurden?

Nach Angaben der National Academy of Sciences wird eine Karte ihrer Lage und Struktur erstellt leite uns in eine neue Ära der modernen Medizin ein. Dies liegt daran, dass das menschliche Glykom - die gesamte Ansammlung von Zuckern in unserem Körper - noch zu entdeckende Glykane enthält, die Ärzten bei der Diagnose und Behandlung ihrer Patienten helfen können.

Dank der weltweiten Aufmerksamkeit, die durch die Fertigstellung des Human Genome Project durch 2003 gewonnen wurde, haben die meisten Menschen von DNA, Genomik und sogar Proteomik - dem Studium von Proteinen - gehört. Aber das Studium von Glykanen, auch als Glykomik bekannt, geht um 20 Jahre hinter anderen Bereichen. Ein Grund für diese Verzögerung ist, dass Wissenschaftler nicht die Werkzeuge entwickelt haben, um schnell Glykanstrukturen und ihre Anheftungsstellen auf den Zellen von Menschen zu identifizieren. Der "Zuckermantel" war ein Rätsel.

Bis jetzt ist das so.

Während sich die meisten Laboratorien auf zelluläre oder molekulare Forschung konzentrieren, sind unsere Labor widmet sich der Entwicklung von Technologien zur schnellen Charakterisierung von Glykanstrukturen und ihrer Bindungsstellen. Unser oberstes Ziel ist es, die Hunderttausende von Zuckern und deren Standorte auf verschiedenen Zelltypen zu katalogisieren und dann diese Informationen zu verwenden, um medizinische Therapien für jeden Einzelnen individuell zu gestalten.

Warum interessieren uns Glykane?

In Zukunft wird es wahrscheinlich sein, dass die Analyse der Glykane eines Individuums verwendet wird, um unser Risiko für die Entwicklung von Krankheiten wie z rheumatoider Arthritis, Krebs oder Nahrungsmittel-Allergien. Dies liegt daran, dass Glykomveränderungen spezifisch an bestimmte Krankheitszustände gebunden sein können. Auch biologische Prozesse wie Altern sind mit Entzündungen in unserem Glykom verbunden. Es bleibt zu prüfen, ob eine Umkehrung dieser Veränderungen Krankheiten oder sogar eine langsame Alterung verhindern kann - eine faszinierende Möglichkeit.

Zusammen mit DNA, Proteinen und Fetten sind Glykane eines der vier wichtigsten Makromoleküle, die für das Leben essentiell sind. Von diesen vier sind Glykane die letzten Schiedsrichter, wie sich unsere Zellen verhalten.


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DNA orchestriert, wie wir aussehen, unsere Fähigkeit zu denken und sich zu verhalten, und bestimmt sogar die Krankheiten, für die wir am anfälligsten sind. Innerhalb unserer DNA befinden sich kurze Segmente, Gene, die oft Anweisungen zur Synthese von Proteinen enthalten. Proteine ​​wiederum sind die "Arbeitspferde" der Zelle, die viele der für das Leben notwendigen Funktionen ausführen.

Wie sich ein Protein verhält, hängt jedoch oft davon ab, welche Glykane daran hängen. Mit anderen Worten, diese Zuckermoleküle können stark beeinflussen, wie unsere Proteine ​​ihre Arbeit verrichten, und sogar wie unsere Zellen auf Reize reagieren. Wenn Sie beispielsweise einige Glykane außerhalb einer Zelle ändern, kann dies dazu führen, dass diese Zelle an einen anderen Ort in unserem Körper migriert.

Die Hauptaufgabe der Glykane besteht darin, die Proteine ​​und Fette zu modifizieren, die auf der Oberfläche unserer Zellen sitzen. Zusammen erzeugen sie einen dicken Zuckermantel um die Zelle herum. Wenn wir die Oberfläche der Zelle als Erde betrachten, dann wären Glykane das wunderbar vielfältige Pflanzenleben und Laub, die aufkeimen und Farbe und Identität in die Zelle bringen. In der Tat, wenn Sie in der Lage wären, eine Zelle mit bloßem Auge zu sehen, würde es sehr unscharf aussehen. Stellen Sie sich einen Pfirsich mit 10 mal mehr Fuzz vor.

Cracking The Sugar Code: Warum das Glycom ist das nächste große Ding in Gesundheit und MedizinJede einzelne Zelle im menschlichen Körper ist mit einer Ansammlung von Glykanen bedeckt, die aus verschiedenen einfachen Zuckern wie Glucose, Mannose, Galactose, Sialinsäure, Glucosamin und Frucose als Bausteine ​​zusammengesetzt sind. Durch das Erkennen der vorhandenen Zuckerhülle können unsere Immunzellen andere Zellen als Freund oder Feind identifizieren. Das liegt daran, dass Bakterien Zucker auf ihren Oberflächen haben, die niemals auf menschlichen Zellen zu sehen sind - der Zucker des Krankheitserregers wird vom Immunsystem wahrgenommen und identifiziert die Bakterien als "fremd". Emanuelle Maverakis, CC BY-SA

Glykane bezeichnen unsere eigenen Zellen und identifizieren sie als "selbst"

Der Flaum um eine Zelle herum ist ihre Glykanhülle. Außerhalb unserer Zellen sind Glykane der erste Kontaktpunkt für die meisten zellulären Interaktionen und beeinflussen somit, wie unsere Zellen miteinander kommunizieren. Sie können sich auch die Glykane als einen einzigartigen zellulären "Strichcode" vorstellen. Daher sieht der Flaum einer Nierenzelle anders aus als der Flaum einer Immunzelle. Aber es gibt auch Ähnlichkeiten. In der Tat wissen die Immunzellen, die unseren Körper auf der Suche nach Krankheitserregern beobachten, unsere eigenen "Selbst" -Zellen nicht anzugreifen, weil sie gemeinsame Merkmale im "Strichcode" haben, die alle Zellen unseres Körpers teilen.

Im Gegensatz dazu, Bakterien und Parasiten wie Malaria haben unterschiedliche "Zuckermäntel", die auf menschlichen Zellen nicht gesehen werden. Wenn bakterielle Zucker als "fremd" markiert werden, zielt das Immunsystem einer Person darauf ab, das Bakterium zu zerstören. Einige schädliche bakterielle Krankheitserreger wie Streptokokken der Gruppe B, die bei Babys häufig schwere Infektionen verursachen, können jedoch eine Immunerkennung verhindern sich menschliche Zellen vorstellen, indem sie ähnliche Glykane tragen als Verkleidung - wie der Wolf in Schaffell gekleidet.

Leider können einige Krankheitserreger unsere Glykane auch verwenden, um Krankheiten zu verursachen. Tödliche Viren Wie HIV und Ebola haben sich entwickelt, um spezifische Glykane zu ergreifen, auf die sie sich dann "festklemmen", wenn sie unsere menschlichen Zellen infizieren. Therapien, die diese Viren entweder daran hindern, mit unseren Glykanen in Wechselwirkung zu treten, oder die virusspezifische Glykane angreifen, könnten ein neuer Weg zur Behandlung dieser Infektionen sein.

Cracking The Sugar Code: Warum das Glycom ist das nächste große Ding in Gesundheit und MedizinDie Zucker auf unseren Zellen und auf Bakterienzellen bezeichnen sie als Freund oder Feind. Emanuelle Maverakis, CC BY-SA

Neue Forschung Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/...2/index.html Auch hat Glykanen eine große Rolle bei der Entstehung von Autoimmunerkrankungen gespielt rheumatoider Arthritis und autoimmune Pankreatitis. Dies ist nicht überraschend, da Glykane direkt die Funktion von Immunzellen beeinflussen.

Normalerweise fungieren unsere Immunzellen als "Abwehrsystem" unseres Körpers und identifizieren und zerstören fremde Eindringlinge wie schädliche Bakterien oder Viren. Aber wenn der Körper fälschlicherweise unsere eigenen Zellen als Feind bezeichnet und einen internen Angriff auf sich selbst auslöst, wird Autoimmunität geboren. Interessanterweise sind es in solchen Fällen die Glykane, die auf den sich selbst mitreißenden, selbst angreifenden Antikörpern vorhanden sind, welche die Stärke des Angriffs auf den Körper diktieren. Diese abnormale Immunantwort kann sogar gegen Glykane gerichtet sein. Zum Beispiel kann das Immunsystem "Selbst" -Glykane als "fremde" Moleküle verwechseln. Unser Forscherteam kürzlich veröffentlichte einen Artikel das führte die Glykan-Theorie der Autoimmunität ein, die einige dieser Zusammenhänge erklärt.

Glykane in unserer Nahrung können Immunreaktionen auslösen

Es gab viele Studien, die den Verzehr von rotem Fleisch mit Krankheiten wie Atherosklerose und Diabetes in Verbindung brachten, aber sie konnten bis vor kurzem nicht zeigen, warum oder wie dies geschieht. Eine faszinierende Studie schlägt vor, dass der Schuldige ein Zucker mit dem sperrigen Namen nichtmenschliche Sialinsäure N-Glycolylneuraminsäure oder kurz Neu5Gc war. Neu5Gc wird in allen Säugetieren außer Menschen gefunden, weil die frühen Menschen, die Neu5Gc machen konnten, an einem alten gestorben sind Malariaparasit.

Obwohl wir jetzt nicht in der Lage sind, Neu5Gc zu produzieren, haben unsere Körper immer noch die Fähigkeit, es in die Glykane unserer Zellen einzubauen, wenn wir es durch Verzehr von rotem Fleisch erhalten. Sobald es Teil des Glykan-Coats unserer Zellen wird, haben unsere Zellen dann eine "fremde" Substanz - Neu5Gc -, die sie umgibt. Dies kann Entzündungen im gesamten Körper auslösen, da unser Immunsystem Neu5Gc als "fremd" erkennt und es angreift. Die chronische Entzündung, die durch diese internen Angriffe verursacht wird, kann zu Herzinfarkt, Schlaganfall und sogar Krebs führen.

Unsere Körper synthetisieren Zehntausende von einzigartigen Glykanen, oft mit Verzweigungsstrukturen aus einfachen Zuckerbausteinen. Proteine ​​oder Fette können auch durch Dutzende von einzigartigen Glycanen modifiziert werden. Diese unzähligen Kombinationen machen die Kartierung von Glykanen zu einer schwierigen Aufgabe, da wir eine praktische und effiziente Methode zur Analyse von Hunderttausenden von Glykan-Mustern benötigen.

Unser Forscherteam hat nun Methoden entwickelt, um das menschliche Glykom schnell und robust zu überwachen. Durch die Nutzung technischer Fortschritte und Verbesserungen in der Probenverarbeitung kann unsere Technik Tausende von Glykanen auf einmal überwachen, was es uns ermöglicht, die Glykane in Zellen von gesunden Kontrollpersonen und Patienten mit einer Vielzahl verschiedener Krankheiten zu charakterisieren. Unser Ziel ist es, anhand dieser Daten prädiktive Modelle zu entwickeln, mit denen Kliniker alle menschlichen Krankheiten diagnostizieren und behandeln können. Wir glauben, dass eine neue Welle medizinischer Fortschritte kommen wird, wenn wir den "Zucker-Code" freischalten.

Über den Autor

Emanual Maverakis, Associate Professor- Abteilungen für Medizinische Mikrobiologie & Immunologie und Dermatologie | Mitglied - Foods For Health Institute | Mitglied - Comprehensive Cancer Center | Direktor- Autoimmunität | Director - Immunüberwachung Kern, University of California, Davis; Carlito Lebrilla, Professor für Chemie, University of California, Davisund Jenny Wang, Clinical Research Fellow, Universität von Kalifornien, Davis | Medizinstudent, Albert-Einstein-Kolleg für Medizin, Yeshiva University

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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