Wat is de menselijke glyce? Hoe wetenschappers de suikercode ontsloten hebben

Wanneer je aan suiker denkt, denk je waarschijnlijk aan de zoete, witte, kristallijne tafelsuiker die je gebruikt om koekjes te maken of je koffie te zoeten. Maar wist u dat ons suikermoleculen in ons lichaam met elkaar verbonden kunnen worden om krachtige structuren te creëren waarvan recent is vastgesteld dat ze verband houden met gezondheidsproblemen, waaronder kanker, veroudering en auto-immuunziekten.

Deze lange suikerketens die elk van onze cellen bedekken, worden glycanen genoemd en volgens de National Academy of Sciences zal het creëren van een kaart van hun locatie en structuur ons in een nieuw tijdperk van moderne geneeskunde brengen. Dit komt omdat het menselijke glycomegehalte - de hele verzameling suikers in ons lichaam - nog te ontdekken glycanen herbergt met de potentie om artsen te helpen bij het diagnosticeren en behandelen van hun patiënten.

Dankzij de wereldwijde aandacht van de voltooiing van het Human Genome Project in 2003, hebben de meeste mensen gehoord van DNA, genomica en zelfs proteomics - de studie van eiwitten. Maar de studie van glycanen, ook bekend als glycomics, ligt ongeveer 20 jaar achter op die van andere gebieden. Een reden voor deze vertraging is dat wetenschappers de tools niet hebben ontwikkeld om snel glycaanstructuren en hun aanhechtingslocaties op cellen van mensen te identificeren. De "suikerlaag" is enigszins een mysterie geweest.

Tot nu toe, dat is het.

Hoewel de meeste laboratoria zich richten op cellulair of moleculair onderzoek, is ons lab toegewijd aan het ontwikkelen van technologie om snel glycankructuren en hun bevestigingssites te karakteriseren. Ons uiteindelijke doel is om de honderdduizenden suikers en hun locaties op verschillende celtypen te catalogiseren en vervolgens deze informatie te gebruiken om medische therapieën aan elk individu aan te passen.

Misschien vind je deze video ook leuk omgekeerde:

Waarom geven we om glycans?

In de toekomst is het waarschijnlijk dat de analyse van de glycanen van een persoon zal worden gebruikt om ons risico te voorspellen voor het ontwikkelen van ziekten zoals reumatoïde artritis, kanker of zelfs voedselallergieën. Dit komt omdat glycomische veranderingen specifiek kunnen worden gekoppeld aan bepaalde ziektetoestanden. Ook zijn biologische processen zoals veroudering gekoppeld aan ontstekingen in ons glycomaat. Het moet nog worden getest of het omkeren van deze veranderingen kan helpen om ziekte te voorkomen, of zelfs langzaam ouder worden - een intrigerende mogelijkheid.

Samen met DNA, eiwitten en vetten zijn glycanen een van de vier belangrijkste macromoleculen die essentieel zijn voor het leven. Van deze vier zijn glycanen de laatste arbiters van hoe onze cellen zich gedragen.

DNA orkestreert hoe we eruit zien, ons vermogen om te denken en ons te gedragen, en bepaalt zelfs de ziekten waarvoor we het meest vatbaar zijn. Binnen ons DNA bevinden zich korte segmenten, genen, die vaak instructies bevatten voor het synthetiseren van eiwitten. Eiwitten zijn op hun beurt de "werkpaarden" van de cel en voeren veel van de functies uit die nodig zijn voor het leven.

Hoe een eiwit zich echter gedraagt, hangt vaak af van wat glycanen eraan hebben. Met andere woorden, deze suikermoleculen kunnen van grote invloed zijn op hoe onze eiwitten hun werk doen en zelfs hoe onze cellen op stimuli zullen reageren. Als u bijvoorbeeld een paar glycanen aan de buitenkant van een cel wijzigt, kan het die cel activeren om naar een andere locatie in ons lichaam te migreren.

Het belangrijkste werk van glycanen is het modificeren van de eiwitten en vetten die op het oppervlak van onze cellen zitten. Samen vormen ze een dikke suikerlaag rond de cel. Als we het oppervlak van de cel als aarde beschouwen, dan zijn glycanen de wonderbaarlijk gevarieerde plantlevens en het gebladerte die ontkiemen en kleur en identiteit aan de cel geven. Als je in feite een cel met je blote oog kon zien, zou het er erg wazig uitzien. Stel een perzik voor met 10 keer meer fuzz.

Glycans Label onze eigen cellen en identificeer hen als "zelf"

De fuzz rond een cel is de glycanlaag. Omdat we aan de buitenkant van onze cellen staan, zijn glycanen het eerste contactpunt voor de meeste cellulaire interacties en beïnvloeden ze dus hoe onze cellen met elkaar communiceren. Je kunt de glycanen ook zien als een unieke cellulaire "streepjescode". De fuzz van een niercel zal dus anders lijken dan die van een immuuncel. Maar er zijn ook overeenkomsten. In feite weten de immuuncellen die ons lichaam onderzoeken op zoek naar ziekteverwekkers onze eigen "zelf" cellen niet aan te vallen vanwege de gemeenschappelijke kenmerken in de glycaan "streepjescode" die door alle cellen van ons lichaam worden gedeeld.

Daarentegen hebben bacteriën en parasieten zoals malaria verschillende "suikerlagen" die niet op menselijke cellen worden gezien. Wanneer bacteriële suikers worden getagd als 'vreemd', richt het immuunsysteem van een persoon de bacterie op vernietiging. Sommige schadelijke bacteriële pathogenen zoals groep B streptococcus, die vaak ernstige infecties bij baby's veroorzaken, kunnen immuundetectie voorkomen door menselijke cellen te imiteren door vergelijkbare glycanen als een vermomming te dragen - zoals de wolf gekleed in schapenvacht.

Helaas kunnen sommige pathogenen onze glycanen ook gebruiken om ziekten te veroorzaken. Dodelijke virussen zoals HIV en Ebola zijn geëvolueerd om specifieke glycanen vast te pakken die ze vervolgens "vastzetten" terwijl ze onze menselijke cellen infecteren. Therapieën die blokkeren dat deze virussen interageren met onze glycanen of die virusspecifieke glycanen aanvallen, kunnen een nieuwe manier zijn om deze infecties te behandelen.

Nieuw onderzoek heeft ook aangetoond dat glycanen een grote rol spelen bij de ontwikkeling van auto-immuunziekten zoals reumatoïde artritis en auto-immune pancreatitis. Dit is niet verrassend, omdat glycanen direct de functie van immuuncellen beïnvloeden.

Normaal gesproken fungeren onze immuuncellen als het 'afweersysteem' van ons lichaam en identificeren en vernietigen buitenlandse indringers zoals schadelijke bacteriën of virussen. Maar wanneer het lichaam ten onrechte onze eigen cellen als de vijand labelt en een interne aanval op zichzelf start, wordt auto-immuniteit geboren. Interessant is dat in dergelijke gevallen de glycanen aanwezig zijn op de zich misdragende zelf-aanvallende antilichamen die de sterkte van de aanval op het lichaam zullen dicteren. Deze abnormale immuunrespons kan zelfs tegen glycanen gericht zijn. Het immuunsysteem kan bijvoorbeeld "zelf" glycanen verwarren alsof het "vreemde" moleculen zijn.Ons onderzoeksteam heeft onlangs een artikel gepubliceerd waarin de glycan-theorie van auto-immuniteit werd geïntroduceerd, wat enkele van deze relaties verklaart.

Glycanen in ons voedsel kunnen de immuunresponsen activeren

Er zijn veel studies geweest waarin de consumptie van rood vlees werd gekoppeld aan ziekten zoals atherosclerose en diabetes, maar ze hebben tot voor kort niet kunnen aantonen waarom of hoe dit gebeurt. Een intrigerende studie suggereert dat de boosdoener een suiker was met de logge naam, niet-menselijke sialische N-glycolylneuraminezuur of kortweg Neu5Gc. Neu5Gc wordt gevonden in alle zoogdieren behalve mensen, omdat de vroege mensen die Neu5Gc konden maken, stierven aan een oude malariaparasiet.

Hoewel we nu echter niet in staat zijn om Neu5Gc te produceren, hebben onze lichamen nog steeds het vermogen om het in de glycanen op onze cellen op te nemen als we het verkrijgen door rood vlees te eten. Zodra het deel gaat uitmaken van de glycankleurige laag van onze cellen, hebben onze cellen dan een "vreemde" substantie - Neu5Gc - die hen omringt. Dit kan een ontsteking in het hele lichaam veroorzaken omdat ons immuunsysteem Neu5Gc als "vreemd" herkent en het aanvalt. De chronische ontsteking veroorzaakt door deze interne aanvallen kan leiden tot een hartaanval, beroerte en zelfs kanker.

Ons lichaam synthetiseert tienduizenden unieke glycanen, vaak met vertakkingsstructuren gevormd uit eenvoudige suikerbouwstenen. Eiwitten of vetten kunnen ook worden gemodificeerd door tientallen unieke glycanen. Deze talloze combinaties maken het in kaart brengen van glycanen een moeilijke taak omdat we een praktische en efficiënte manier nodig hebben om honderdduizenden glycaanpatronen te analyseren.

Ons onderzoeksteam heeft nu methoden ontwikkeld om het menselijke glycom snel en krachtig te controleren. Door te profiteren van technische vooruitgang en verbeteringen in de monsterverwerking, kan onze techniek duizenden glycanen tegelijkertijd bewaken, waardoor we de glycanen in cellen kunnen karakteriseren van gezonde controles en patiënten met een verscheidenheid aan ziekten. Ons doel is om deze gegevens te gebruiken om voorspellende modellen te ontwikkelen om artsen te helpen bij het diagnosticeren en behandelen van alle menselijke ziekten. We geloven dat er een nieuwe golf van medische vooruitgang zal komen als we de "suikercode" ontgrendelen.

Jenny Wang was de co-hoofdauteur van dit artikel.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla en Jenny Wang. Lees hier het originele artikel.