Co je lidský příjem? Jak vědci odemkli kód cukru

Když si myslíte, že cukr, pravděpodobně si myslíte, že sladké, bílé, krystalické stolní cukr, který používáte, aby se soubory cookie nebo osladit kávu. Věděli jste však, že v našem těle mohou být jednoduché molekuly cukru spojeny dohromady, aby vytvořily silné struktury, které byly nedávno spojeny se zdravotními problémy, včetně rakoviny, stárnutí a autoimunitních onemocnění.

Tyto dlouhé řetězce cukru, které pokrývají každou z našich buněk, se nazývají glykany, a podle Národní akademie věd nás vytvoření mapy jejich umístění a struktury zavede do nové éry moderní medicíny. Je to proto, že lidský glykát - celá kolekce cukrů v našem těle - je stále ještě objeveným glykanem s potenciálem pomoci lékařům při diagnostice a léčbě pacientů.

Díky celosvětové pozornosti, kterou získal projekt lidského genomu z roku 2003, většina lidí slyšela o DNA, genomice a dokonce i proteomice - studiu proteinů. Studium glykanů, také známé jako glykomika, je však o 20 let pozadu oproti ostatním oborům. Jedním z důvodů tohoto zpoždění je, že vědci nevyvinuli nástroje pro rychlou identifikaci glykanových struktur a jejich vazebných míst na buňkách lidí. „Cukrový plášť“ je poněkud záhadou.

Dosud to je.

Zatímco většina laboratoří se zaměřuje na buněčný nebo molekulární výzkum, naše laboratoř je věnována vývoji technologie pro rychlou charakterizaci glykanových struktur a jejich vazebných míst. Naším hlavním cílem je katalogizovat statisíce cukrů a jejich umístění na různých typech buněk a následně použít tyto informace k přizpůsobení léčebných postupů každému jednotlivci.

Toto video se vám také může líbit Inverzní:

Proč se staráme o glykany?

V budoucnu je pravděpodobné, že analýza jednotlivých glykanů bude použita k předvídání našeho rizika vzniku onemocnění, jako je revmatoidní artritida, rakovina nebo dokonce potravinové alergie. Je to proto, že změny glykémie mohou být specificky vázány na určité stavy onemocnění. Také biologické procesy jako stárnutí jsou spojeny se zánětem v našem glykémiu. Zůstane testováno, pokud zvrácení těchto změn může pomoci předcházet onemocněním nebo dokonce zpomalit stárnutí - což je zajímavá možnost.

Spolu s DNA, proteiny a tuky jsou glykany jednou ze čtyř hlavních makromolekul nezbytných pro život. Z těchto čtyř jsou glykany konečnými arbitry toho, jak se chovají naše buňky.

DNA organizuje to, co vypadáme, naše schopnost myslet a chovat se, a dokonce určuje nemoci, na které jsme nejcitlivější. V naší DNA jsou krátké segmenty, geny, které často obsahují instrukce jak syntetizovat proteiny. Proteiny jsou zase „pracovníky“ buňky a vykonávají mnoho funkcí nezbytných pro život.

Nicméně, jak se protein chová často závisí na tom, co jsou k němu glykany připojeny. Jinými slovy, tyto molekuly cukru mohou výrazně ovlivnit, jak naše proteiny pracují, a dokonce i to, jak budou naše buňky reagovat na podněty. Pokud například změníte několik glykanů na vnější straně buňky, může to způsobit, že tato buňka bude migrovat na jiné místo v našem těle.

Hlavním úkolem glykanů je modifikovat proteiny a tuky, které sedí na povrchu našich buněk. Spolu vytvářejí hustý cukrový obal kolem buňky. Považujeme-li povrch buňky za půdu, pak by glykany byly nádherně různorodým rostlinným životem a listy, které vyrostou a přinesou buňce barvu a identitu. Ve skutečnosti, kdybyste byli schopni vidět buňku pouhým okem, vypadalo by to velmi rozmazaně. Obrázek broskev s 10 krát více fuzz.

Glykani označují naše vlastní buňky a identifikují je jako „já“

Fuzz kolem buňky je jeho glykanový plášť. Jelikož jsou glykany na vnější straně našich buněk, jsou prvním kontaktním bodem pro většinu buněčných interakcí a ovlivňují tak vzájemnou komunikaci našich buněk. Glykany můžete také považovat za unikátní buněčný „čárový kód“. Fuzz ledvinových buněk tak bude vypadat jinak než chmýří imunitní buňky. Existují však i podobnosti. Ve skutečnosti imunitní buňky, které zkoumají naše tělo hledající patogeny, neznají útočit na naše vlastní „vlastní“ buňky, protože mají společné rysy glykánového „čárového kódu“, které sdílejí všechny buňky našeho těla.

Naproti tomu bakterie a paraziti, jako je malárie, mají různé „cukrové povlaky“, které nejsou na lidských buňkách pozorovány. Když jsou bakteriální cukry označeny jako „cizí“, imunitní systém osoby se zaměřuje na bakterii, která má být zničena. Některé škodlivé bakteriální patogeny jako streptokoky skupiny B, které běžně způsobují těžké infekce u dětí, se však mohou vyhnout imunitní detekci tím, že se vydávají za lidské buňky tím, že nesou podobné glykany jako převlek - jako vlk oblečený v ovčí kůži.

Bohužel, některé patogeny jsou také schopny použít naše glykany, aby jim pomohly způsobit onemocnění. Smrtící viry jako HIV a ebola se vyvinuly tak, aby zachytily specifické glykany, které pak „zamknou“, jak infikují naše lidské buňky. Terapie, které buď blokují tyto viry v interakci s našimi glykany, nebo které napadají virově specifické glykany, mohou být novou cestou k léčbě těchto infekcí.

Nový výzkum také ukázal, že glykany hrají obrovskou roli ve vývoji autoimunitních onemocnění, jako je revmatoidní artritida a autoimunitní pankreatitida. To není překvapující, protože glykany přímo ovlivňují funkci imunitních buněk.

Normálně působí naše imunitní buňky jako „obranný systém“ našeho těla a identifikují a ničí cizí útočníky, jako jsou škodlivé bakterie nebo viry. Když však tělo omylem označí své vlastní buňky za nepřítele a začne vnitřní útok na sebe, narodí se autoimunita. Zajímavé je, že v takových případech je glykány přítomné na chybně fungujících samo-útočných protilátkách, které budou diktovat sílu útoku na tělo. Tato abnormální imunitní odpověď může být dokonce namířena proti glykanům. Například imunitní systém může chybně označit „samo“ glykany za „cizí“ molekuly. Náš výzkumný tým nedávno publikoval článek, který představil glykanovou teorii autoimunity, která vysvětluje některé z těchto vztahů.

Glykany v našich potravinách mohou vyvolat imunitní reakce

Došlo k mnoha studiím spojujícím konzumaci červeného masa s nemocemi, jako je ateroskleróza a diabetes, ale nebyly schopny ukázat, proč nebo jak k tomu dochází až donedávna. Jedna zajímavá studie naznačuje, že viníkem byl cukr s nevyslovitelným názvem, nelidskou sialickou kyselinou N-glykolylneuraminovou nebo zkráceně Neu5Gc. Neu5Gc se vyskytuje u všech savců s výjimkou lidí, protože ranní lidé, kteří mohli Neu5Gc umřít, zemřeli na starodávný maláriální parazit.

Nicméně, i když nám nyní chybí schopnost produkovat Neu5Gc, naše tělo má stále schopnost začlenit ho do glykanů na našich buňkách, pokud je získáme konzumací červeného masa. Jakmile se stanou součástí glykanového povlaku našich buněk, pak naše buňky mají „cizí“ látku - Neu5Gc - obklopující je. To může vyvolat zánět v celém těle, protože náš imunitní systém rozpozná Neu5Gc jako „cizí“ a napadne ho. Chronický zánět způsobený těmito interními záchvaty může vést k infarktu, mrtvici a dokonce i rakovině.

Naše těla syntetizují desítky tisíc unikátních glykanů, často s rozvětvenými strukturami vytvořenými z jednoduchých stavebních bloků cukru. Proteiny nebo tuky mohou být také modifikovány desítkami unikátních glykanů. Tyto nesčetné kombinace způsobují, že mapování glykanů je obtížným úkolem, protože potřebujeme praktický a účinný způsob analýzy stovek tisíc vzorů glykanů.

Náš výzkumný tým nyní vyvinul metody pro rychlé a robustní monitorování lidského glyce. Využitím technických vylepšení a zdokonalením zpracování vzorků může naše technika monitorovat tisíce glykanů najednou, což nám umožňuje charakterizovat glykany v buňkách od zdravých kontrol a pacientů s řadou různých onemocnění. Naším cílem je použít tato data k vývoji prediktivních modelů, které pomohou lékařům diagnostikovat a léčit všechna lidská onemocnění. Věříme, že při odemknutí „cukrového kódu“ dorazí nová vlna lékařského pokroku.

Jenny Wang byla spoluautorkou tohoto článku.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla a Jenny Wang. Přečtěte si originální článek zde.