破解糖代碼:為什麼糖是健康和醫學的下一件大事

破解糖代碼:為什麼糖是健康和醫學的下一件大事通過molekuul_be / shutterstock.com

當你想到糖時,你可能會想到用來製作餅乾或加糖咖啡的甜,白,結晶食糖。 但是你知道嗎?在我們體內,簡單的糖分子可以連接在一起,形成強大的結構,最近發現它們與健康問題有關,包括癌症,衰老和自身免疫性疾病。

根據美國國家科學院的數據,創建一個他們的位置和結構的地圖 引領我們進入現代醫學的新時代。 這是因為人體糖 - 我們體內的整個醣類 - 容納了尚未被發現的聚醣,有可能幫助醫生診斷和治療他們的病人。

由於2003完成人類基因組計劃所引起的全球關注,大多數人都聽說過DNA,基因組學甚至蛋白質組學 - 蛋白質的研究。 但聚醣的研究,也稱為糖組學,是關於 20落後於其他領域。 這種滯後的一個原因是科學家們還沒有開發出快速識別聚醣結構及其在人體細胞上的附著位點的工具。 “糖衣”有點神秘。

到現在為止。

雖然大多數實驗室專注於細胞或分子研究,但我們的研究 實驗室 致力於開發技術,以快速表徵聚醣結構及其附著位點。 我們的最終目標是將數十萬種糖及其位置分類在各種細胞類型上,然後使用這些信息為每個人量身定制醫學療法。

為什麼我們關心聚醣?

將來,對個體聚醣的分析很可能會被用來預測我們患上類似疾病的風險 類風濕關節炎, 癌症 甚至 食物過敏。 這是因為糖組變化可以特定地與特定疾病狀態相關聯。 此外,生物過程如 老化 與我們的糖組中的炎症有關。 如果逆轉這些變化有助於預防疾病,甚至延緩衰老,這仍有待檢驗 - 這是一種有趣的可能性。

與DNA,蛋白質和脂肪一起,聚醣是生命必需的四大主要大分子之一。 在這四種中,聚醣是我們細胞表現的最終仲裁者。


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DNA協調我們的樣子,思考和行為的能力,甚至決定我們最容易受到影響的疾病。 在我們的DNA中是短片段,基因,通常包含如何合成蛋白質的說明。 反過來,蛋白質是細胞的“主力”,具有生命所必需的許多功能。

然而,蛋白質的行為通常取決於與其連接的聚醣。 換句話說,這些糖分子可以極大地影響我們的蛋白質的工作方式,甚至可以影響我們的細胞對刺激的反應。 例如,如果您更改細胞外部的一些聚醣,它可能會觸發該細胞遷移到我們體內的不同位置。

聚醣的主要作用是改變位於細胞表面的蛋白質和脂肪。 它們一起在細胞周圍形成厚厚的糖衣。 如果我們認為細胞的表面是土壤,那麼聚醣將是奇妙多樣的植物生命和葉子,它們會發芽並為細胞帶來顏色和特性。 事實上,如果你能用肉眼看到一個細胞,它看起來會非常模糊。 想像一下10倍的模糊桃子。

破解糖代碼:為什麼糖是健康和醫學的下一件大事人體中的每一個細胞都覆蓋著一系列聚醣,這些聚醣使用各種簡單的醣類如葡萄糖,甘露糖,半乳糖,唾液酸,葡糖胺和葡萄糖作為構建塊組裝而成。 通過感知存在的糖衣的類型,我們的免疫細胞可以將其他細胞識別為朋友或敵人。 這是因為細菌在其表面上具有從未在人體細胞上看到的糖 - 病原體的糖被免疫系統感知並且將細菌識別為“外來的”。 Emanual Maverakis, CC BY-SA

Glycans標記我們自己的細胞並將它們識別為“自我”

細胞周圍的絨毛是它的聚醣塗層。 聚醣作為我們細胞的外部,是大多數細胞相互作用的第一個接觸點,從而影響我們的細胞彼此之間的交流。 您還可以將聚醣視為獨特的細胞“條形碼”。因此,腎細胞的模糊看起來與免疫細胞的模糊不同。 但也有相似之處。 事實上,調查我們的身體尋找病原體的免疫細胞知道不會攻擊我們自己的“自身”細胞,因為聚醣“條形碼”的共同特徵是我們身體的所有細胞共有的。

相比之下,細菌和寄生蟲就像 瘧疾 有不同的“糖衣”,在人體細胞上看不到。 當細菌糖被標記為“外來的”時,一個人的免疫系統將細菌作為目標進行破壞。 然而,一些有害的細菌病原體,如B組鏈球菌,通常會導致嬰兒嚴重感染,可以避免免疫檢測 通過攜帶類似的聚醣來模仿人體細胞 作為一個偽裝 - 就像穿著羊皮的狼。

不幸的是,一些病原體也能夠使用我們的聚醣來幫助它們引起疾病。 致命的病毒 像艾滋病病毒和埃博拉病毒一樣,它們已經進化為抓住特定的聚醣,然後它們會在感染人體細胞時“鎖定”。 阻止這些病毒與我們的聚醣相互作用或攻擊病毒特異性聚醣的療法可能是治療這些感染的新途徑。

破解糖代碼:為什麼糖是健康和醫學的下一件大事我們的細胞和細菌細胞上的糖將它們標記為朋友或敵人。 Emanual Maverakis, CC BY-SA

新的研究 研究還表明,聚醣在自身免疫性疾病的發展中起著重要作用 類風濕關節炎 - 自身免疫性胰腺炎。 這並不奇怪,因為聚醣直接影響免疫細胞的功能。

通常,我們的免疫細胞充當我們身體的“防禦系統”,並識別和摧毀外來入侵者,如有害細菌或病毒。 但是,當身體錯誤地將我們自己的細胞標記為敵人並對其自身發動內部攻擊時,自身免疫就會誕生。 有趣的是,在這種情況下,存在於行為不端的自攻抗體上的聚醣將決定對身體的攻擊強度。 這種異常的免疫反應甚至可以針對聚醣。 例如,免疫系統可以將“自身”聚醣誤認為是“外來”分子。 我們的研究團隊 最近 發表了一篇文章 引入了自身免疫的聚醣理論,解釋了這些關係中的一些。

我們食物中的聚醣可以引發免疫反應

有許多研究將紅肉的消費與動脈粥樣硬化和糖尿病等疾病聯繫起來,但他們直到最近才能說明為什麼或如何發生這種疾病。 一項有趣的研究 表明罪魁禍首是一種笨拙的糖,非人唾液酸N-羥乙酰神經氨酸,簡稱Neu5Gc。 Neu5Gc存在於除人類以外的所有哺乳動物中,因為可以製造Neu5Gc的早期人類死於古代 瘧原蟲.

然而,雖然我們現在缺乏生產Neu5Gc的能力,但是如果我們通過吃紅肉來獲得它,我們的身體仍然能夠將它結合到我們細胞上的聚醣中。 一旦它成為我們細胞的聚醣塗層的一部分,我們的細胞就會有一種“外來”物質 - Neu5Gc--圍繞它們。 這可以引發全身炎症,因為我們的免疫系統將Neu5Gc識別為“外來的”並攻擊它。 這些內部攻擊引起的慢性炎症可導致心髒病發作,中風甚至癌症。

我們的身體合成了數万種獨特的聚醣,通常具有由簡單的糖結構單元形成的分支結構。 蛋白質或脂肪也可以被許多獨特的聚醣修飾。 這些無數的組合使聚醣聚醣成為一項艱鉅的任務,因為我們需要一種實用而有效的方法來分析數十萬種聚醣模式。

我們的研究團隊現已開發出快速,穩健地監測人體糖分的方法。 通過利用工程改進和样品處理的改進,我們的技術可以同時監測數千種聚醣,這使我們能夠表徵來自健康對照和患有各種不同疾病的患者的細胞中的聚醣。 我們的目標是利用這些數據開發預測模型,幫助臨床醫生診斷和治療所有人類疾病。 我們相信,當我們解開“糖代碼”時,新的醫療進步浪潮將會到來。

關於作者

Emanual Maverakis,副教授 - 醫學微生物學與免疫學和皮膚病學系| 會員 - 衛生研究院食品| 會員綜合癌症中心| 主任 - 自我免疫| 導演 - 免疫監測核心, 加利福尼亞大學戴維斯分校; Carlito Lebrilla,化學傑出教授, 加利福尼亞大學戴維斯分校和Jenny Wang,加州大學戴維斯分校臨床研究員 阿爾伯特愛因斯坦醫學院醫學院學生, 葉史瓦大學

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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