Какво представлява човешкият глик? Как учените отключиха Закона за захарта

Когато мислите за захар, най-вероятно си мислите за сладката, бяла, кристална таблична захар, която използвате за приготвяне на бисквити или за подслаждане на кафето. Но знаете ли, че в нашето тяло простите молекули на захарта могат да бъдат свързани помежду си, за да създадат мощни структури, които наскоро бяха установени като свързани със здравословни проблеми, включително рак, стареене и автоимунни заболявания.

Тези дълги захарни вериги, които покриват всяка от нашите клетки, се наричат ​​гликани, а според Националната академия на науките, създаването на карта на тяхното местоположение и структура ще ни доведе до нова ера на съвременната медицина. Това е така, защото човешкият глимед - цялата колекция от захари в нашето тяло - съдържа още гликани с потенциал да помагат на лекарите да диагностицират и лекуват пациентите си.

Благодарение на световното внимание, придобито от завършването на Проекта за човешкия геном през 2003 г., повечето хора са чували за ДНК, геномиката и дори протеомиката - изучаването на протеини. Но изучаването на гликани, известен също като гликомика, е около 20 години зад тези на други области. Една от причините за това изоставане е, че учените не са разработили инструменти за бързо идентифициране на гликановите структури и техните места на прикрепване към клетките на хората. „Сахарното палто“ е донякъде загадка.

Досега това е така.

Докато повечето лаборатории се фокусират върху клетъчни или молекулярни изследвания, нашата лаборатория е посветена на разработването на технологии за бързо характеризиране на гликановите структури и техните места на прикрепване. Нашата крайна цел е да каталогизираме стотиците хиляди захари и техните местоположения на различни видове клетки, а след това да използваме тази информация, за да приспособим медицинските терапии към всеки индивид.

Този видеоклип може да ви хареса и от обратен:

Защо се грижим за гликаните?

В бъдеще е вероятно анализът на гликаните на индивида да бъде използван за прогнозиране на риска от развитие на заболявания като ревматоиден артрит, рак или дори хранителни алергии. Това е така, защото измененията на гликомера могат да бъдат специфично свързани с определени болестни състояния. Също така, биологичните процеси като стареенето са свързани с възпаление в нашия glycome. Остава да бъде тествано, ако обръщането на тези промени може да помогне за предотвратяване на болести или дори забавяне на стареенето - интригуваща възможност.

Заедно с ДНК, протеини и мазнини, гликаните са една от четирите основни макромолекули, необходими за живота. От тези четири гликани са крайните арбитри на поведението на нашите клетки.

ДНК организира как изглеждаме, способността ни да мислим и да се държим, и дори определя болестите, на които сме най-податливи. В нашата ДНК са къси сегменти, гени, които често съдържат инструкции за синтезиране на протеини. Протеините, от своя страна, са „работните конете” на клетката, изпълняващи много от функциите, необходими за живота.

Въпреки това, как един протеин се държи често зависи от това, което гликани са приложени към него. С други думи, тези захарни молекули могат да повлияят значително как нашите протеини правят работата си и дори как нашите клетки ще реагират на стимули. Например, ако промените няколко гликана от външната страна на клетката, това може да задейства тази клетка да мигрира на различно място в тялото ни.

Основната задача на гликаните е да модифицират протеините и мазнините, които се намират на повърхността на нашите клетки. Заедно те създават гъста захарна обвивка около клетката. Ако смятаме, че повърхността на клетката е почва, тогава гликаните биха били чудесно разнообразния растителен живот и листа, които поникват и придават цвят и идентичност на клетката. Всъщност, ако успеете да видите клетка с невъоръжено око, ще изглежда много размита. Картина на праскова с 10 пъти повече мъх.

Гликаните обозначават нашите собствени клетки и ги идентифицират като „самостоятелно”

Пухчетата около клетката са гликановото му покритие. Тъй като са от външната страна на нашите клетки, гликаните са първата точка на контакт за повечето клетъчни взаимодействия и по този начин влияят върху това как нашите клетки общуват помежду си. Можете също така да мислите за гликаните като уникален клетъчен „баркод“. По този начин пухчетата на бъбречната клетка ще изглеждат по-различно от пуха на имунната клетка. Но има и сходства. Всъщност, имунните клетки, които изследват нашето тяло, търсят патогени, знаят, че не атакуват нашите собствени клетки, защото са общи черти на гликановия "баркод", които се споделят от всички клетки на нашето тяло.

Обратно, бактериите и паразитите като маларията имат различни „захарни покрития“, които не се виждат върху човешки клетки. Когато бактериалните захари се маркират като „чужди“, имунната система на човека е насочена към бактерията за унищожаване. Въпреки това, някои вредни бактериални патогени като стрептококи от група В, които често причиняват тежки инфекции при бебета, могат да избегнат имунната детекция чрез представяне на човешки клетки, като носят подобни гликани като маскировка - като вълка, облечена в овча кожа.

За съжаление, някои патогени също могат да използват нашите гликани, за да им помогнат да причинят заболяване. Смъртоносните вируси като ХИВ и Ебола са се развили, за да хванат специфични гликани, които след това „заключват”, докато заразяват човешките ни клетки. Терапиите, които блокират тези вируси да взаимодействат с нашите гликани, или които атакуват вирус-специфични гликани, може да бъде нов път за лечение на тези инфекции.

Нови изследвания показват също, че гликаните играят огромна роля в развитието на автоимунни заболявания като ревматоиден артрит и автоимунен панкреатит. Това не е изненадващо, тъй като гликаните пряко влияят върху функцията на имунните клетки.

Обикновено имунните ни клетки действат като „отбранителна система” на нашето тяло и идентифицират и унищожават чужди нашественици като вредни бактерии или вируси. Но когато тялото погрешно обозначава нашите собствени клетки като враг и започва вътрешна атака върху себе си, се ражда автоимунитет. Интересното е, че в такива случаи гликаните, намиращи се в лошите самоактивиращи се антитела, ще диктуват силата на атаката върху тялото. Този анормален имунен отговор може дори да бъде насочен срещу гликани. Например, имунната система може да сбърка “себе” гликаните, като че ли са “чужди” молекули. Нашият изследователски екип наскоро публикува статия, която въвежда гликановата теория за автоимунитета, която обяснява някои от тези връзки.

Гликаните в нашата храна могат да задействат имунните реакции

Има много изследвания, свързващи консумацията на червено месо със заболявания като атеросклероза и диабет, но те не са успели да покажат защо и как това се случва доскоро. Едно интригуващо проучване показва, че виновникът е захар с тромавото име, нехуманна сиалична N-гликолилнеураминова киселина, или Neu5Gc за кратко. Neu5Gc се среща във всички бозайници, с изключение на хората, тъй като ранните хора, които биха могли да направят Neu5Gc, умира от древен малариен паразит.

Въпреки това, въпреки че сега нямаме способността да произвеждаме Neu5Gc, телата ни все още имат способността да я включат в гликаните на нашите клетки, ако я получим, като ядем червено месо. След като стане част от гликановото покритие на нашите клетки, нашите клетки след това имат „чужда“ субстанция - Neu5Gc - около тях. Това може да предизвика възпаление в цялото тяло, защото нашата имунна система разпознава Neu5Gc като „чужда“ и я атакува. Хроничното възпаление, причинено от тези вътрешни атаки, може да доведе до инфаркт, инсулт и дори рак.

Нашите тела синтезират десетки хиляди уникални гликани, често с разклоняващи се структури, образувани от прости захарни строителни блокове. Протеини или мазнини могат също да бъдат модифицирани от десетки уникални гликани. Тези безброй комбинации правят картографирането на гликаните трудна задача, защото се нуждаем от практичен и ефективен начин за анализиране на стотици хиляди гликанови модели.

Нашият изследователски екип вече е разработил методи за бързо и надеждно наблюдение на човешкия глюм. Като се възползва от инженерните постижения и подобренията в обработката на проби, нашата техника може да следи хиляди гликани наведнъж, което ни позволява да характеризираме гликаните в клетките от здрави контроли и пациенти с различни заболявания. Нашата цел е да използваме тези данни за разработване на предсказуеми модели, които да помогнат на клиницистите да диагностицират и лекуват всички човешки заболявания. Ние вярваме, че ще дойде нова вълна от медицински напредък, когато отключим „кода за захарта“.

Джени Уанг беше водещ автор на тази статия.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation от Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla и Jenny Wang. Прочетете оригиналната статия тук.