Wie die Menschen, aus denen sie bestehen, kommunizieren Zellen, indem sie aneinander stoßen und Händeschütteln austauschen. Im Gegensatz zu Menschen führen Zellen diesen Händedruck mithilfe der vielfältigen Zuckermoleküle aus, die ihre Oberfläche bedecken, wie Bäume, die eine Landschaft bedecken. Zwischendurch gibt es Händeschütteln Zuckermoleküle oder Glykaneveranlassen Zellen dazu, auf bestimmte Weise aufeinander zu reagieren, z. B. zu fliehen, zu ignorieren oder zu zerstören.
Das Herausfinden der „Körpersprache“ von Glykanen während dieser Händeschütteln kann Hinweise auf die Funktionsweise von Krebs, Infektionen und Immunsystemen sowie Lösungen für Gesundheits- und Nachhaltigkeitsherausforderungen liefern, mit denen die Gesellschaft heute konfrontiert ist.
Was sind Glykane?
Jedes Glykanmolekül besteht aus einem Netzwerk einzelner miteinander verbundener Zuckermoleküle. Die große Anzahl möglicher Glykanstrukturen, die durch die Verbindung dieser Zuckermoleküle aufgebaut werden können, ermöglicht Glykanen dies Speichern Sie umfangreiche Informationen.
Da alle lebenden Zellen mit Zucker bedeckt sind, fungieren Glykane wie Ausweise für Zellen. Sie zeigen dem Rest des Körpers die Identität der Zelle an, beispielsweise ob es sich um eine Bakterienzelle oder eine menschliche Zelle handelt, und ihren Zustand, beispielsweise ob sie gesund oder krebsartig ist andere Zellen zu erkennen und darauf reagieren. Diese Erkennungszeichen ermöglichen es unseren Immunzellen beispielsweise, schädliche Bakterien und Krebszellen zu erkennen und zu beseitigen, während gesunde Zellen in Ruhe gelassen werden.
Ein Beispiel dafür, wie wichtig in Glykanen gespeicherte Informationen für das tägliche Leben sind, ist Ihre Blutgruppe. Glykane sind chemisch an Proteine und Lipide auf der Oberfläche roter Blutkörperchen gebunden. Bemerkenswert ist, dass die Oberfläche der roten Blutkörperchen vom Typ A Glykane aufweist, die sich von den Glykanen auf der Oberfläche der roten Blutkörperchen vom Typ B und Typ O unterscheiden. Um eine unerwünschte Immunreaktion bei Bluttransfusionen zu vermeiden, ist es wichtig zu wissen, welche Blutgruppe Sie haben.
Mit Glykanen oder Glykoproteinen verzierte Proteine und mit Glykanen oder Glykolipiden verzierte Lipide sind in der Natur allgegenwärtig.
Beispielsweise bedecken charakteristische Glykoproteine die Oberfläche der verursachenden Viren COVID 19, HIV Und H1N1-Influenza und ihnen helfen, Zellen zu infizieren. Glykolipide beschichten auch viele BakterienDadurch können sie an ihren Wirten haften und diese vor Viren und Immunzellen schützen.
In jüngerer Zeit entdeckten Forscher Teile davon mit Glykanen verziertes genetisches Material auf der Oberfläche von Säugetierzellen, wodurch die seit langem bestehende Annahme in Frage gestellt wird, dass genetisches Material nur im Zellkern gefunden werden kann, und Forschungen zur Bestimmung der Funktionen dieser Glykane eingeleitet werden. Eine aktuelle Studie zeigte, dass diese Moleküle lebenswichtig sind Immunzellen anlocken in Richtung infizierter oder verletzter Gewebe.
Wie lesen Zellen Glykane?
Zusätzlich zu den reichhaltigen biologischen Informationen, die in Glykanen enthalten sind, machen ihre leicht zugänglichen Positionen auf Zelloberflächen sie zu äußerst attraktiven Zielen in der wissenschaftlichen Forschung und Arzneimittelentwicklung.
Zellen erkennen Glykane auf der Oberfläche anderer Zellen, indem sie sie verwenden Proteine, sogenannte Lektine, unter anderen. Jedes Lektin verfügt über einen einzigartigen Bereich, der es ihm ermöglicht, sich mit einer spezifischen passenden Sequenz an Glykane zu binden und so komplexe Signale auszulösen, die zu einer biologischen Aktion führen.
Beispielsweise wird eine Unterfamilie der Lektine genannt Lektine vom C-Typ sind in der Lage, die spezifischen Glykane an den Außenwänden schädlicher Viren, Pilze und Bakterien zu erkennen. Diese Lektine befinden sich auf der Oberfläche bestimmter Immunzellen und transportieren die Glykane zu Proteinen auf anderen Immunzellen, die nun selektiv alle Viren oder Zellen zerstören können, die dieses Glykan tragen. Dieser Prozess ermöglicht es dem Immunsystem, den Körper von schädlichen Krankheitserregern zu befreien. Diese Lektine erkennen beispielsweise Glykane auf dem Oberflächen von Krebszellen und andere Immunzellen anweisen, diese Krebszellen zu eliminieren.
Eine andere Art von Lektin namens Siglecs befinden sich auf der Oberfläche von Immunzellen und helfen ihnen dabei, sich selbst von körperfremden Zellen zu unterscheiden. Weil Siglecs daran beteiligt sind Steuern, wie das Immunsystem reagiert Bei vielen Krebsarten, Allergien, Autoimmunerkrankungen und Neurodegeneration bieten sie eine Möglichkeit zur Behandlung dieser Erkrankungen.
Der frühe Erfolg von Arzneimitteln auf Glykanbasis wird veranschaulicht durch Der Prevnar-Impfstoff von Pfizer zur Vorbeugung von bakterieller Lungenentzündung, das 2010 von der Food and Drug Administration zugelassen wurde. Prevnar enthält Glykane aus verschiedenen Stämmen von Streptococcus pneumoniae, die häufigste Ursache für bakterielle Lungenentzündung bei Kindern und Erwachsenen. Die bakteriellen Glykane im Impfstoff lösen eine Immunantwort aus, wenn Immunzellen die Glykane als fremde Bedrohung erkennen. Sobald Immunzellen lernen, die Bedrohung zu neutralisieren, wird der Körper immun gegen zukünftige Invasionen durch Bakterien mit denselben Glykanen.
Untersucht jedes Zuckermolekül
Weil Wissenschaftler es immer noch sind nicht in der Lage, alle biologischen Informationen zu extrahieren Bei Glykanen ist ihr volles Potenzial als Behandlungsmethode noch ungenutzt. Die umfassende Extraktion aller in Glykanen gespeicherten Informationen ist sehr schwierig, da es derzeit keine Technologie gibt, die in der Lage ist, die komplexen und vielfältigen Strukturen von Glykanen zu analysieren. Forscher wissen immer noch nicht, wie diese „Zuckercodes“ aussehen und wie sie funktionieren.
Einzelne Glykane bestehen aus Zuckermolekülen in einzigartiger Anordnung, aktuelle Analysetools können dies jedoch nur viele Glykane gleichzeitig analysieren. Um zu verstehen, warum dies ein Problem für die Analyse darstellt, stellen Sie sich alle Glykane in einer Zelle als Bonbons in einem Glas vor. Einige davon haben die gleichen Farben, andere nicht. Es wäre schwierig, die Farbe aller Bonbons im Glas zu identifizieren und zu quantifizieren, wenn Sie nicht in der Lage wären, sie auszuschütten und sie einzeln zu sortieren.
Mein Labor ist konfrontiert Bewältigen Sie diese Herausforderung durch die Entwicklung einer bildgebenden Technologie, mit der die Struktur von Glykanen analysiert werden kann Abbildung jedes einzelnen Moleküls. Im Wesentlichen entwickeln wir eine Technik, um das Glas zu öffnen und jede einzelne Süßigkeit einzeln zu untersuchen.
Langfristig möchte mein Team enthüllen, wie sich diese Glykane den Proteinen präsentieren, die sie erkennen, und schließlich die Sprache enthüllen, die Zellen verwenden, um sich auszudrücken.
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