Glycome ของมนุษย์คืออะไร? นักวิทยาศาสตร์ปลดล็อครหัสน้ำตาลอย่างไร

เมื่อคุณนึกถึงน้ำตาลคุณอาจนึกถึงน้ำตาลทรายขาวหวานอมน้ำตาลที่คุณใช้ทำคุกกี้หรือทำให้กาแฟของคุณหวาน แต่คุณรู้หรือไม่ว่าในร่างกายของเราโมเลกุลน้ำตาลอย่างง่ายสามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่ทรงพลังซึ่งเพิ่งพบว่าเชื่อมโยงกับปัญหาสุขภาพรวมถึงโรคมะเร็งริ้วรอยและโรคแพ้ภูมิตัวเอง

โซ่น้ำตาลยาวเหล่านี้ที่ครอบคลุมเซลล์แต่ละเซลล์ของเราเรียกว่า glycans และจากข้อมูลของ National Academy of Sciences การสร้างแผนที่ที่ตั้งและโครงสร้างของพวกมันจะนำเราเข้าสู่ยุคใหม่ของการแพทย์แผนปัจจุบัน นี่เป็นเพราะ glycome ของมนุษย์ - การสะสมน้ำตาลทั้งหมดในร่างกายของเรา - glycans ที่ยังไม่ถูกค้นพบซึ่งมีศักยภาพที่จะช่วยแพทย์ในการวินิจฉัยและรักษาผู้ป่วย

ต้องขอบคุณความสนใจทั่วโลกที่ได้จากโครงการจีโนมมนุษย์ในปี 2546 ทำให้คนส่วนใหญ่เคยได้ยินเกี่ยวกับ DNA, จีโนมและแม้แต่โปรตีโอมิกส์ - การศึกษาโปรตีน แต่การศึกษาของ glycans หรือที่เรียกว่า glycomics นั้นอยู่ด้านหลังของสาขาอื่นประมาณ 20 ปี เหตุผลข้อหนึ่งของความล่าช้านี้คือนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้พัฒนาเครื่องมือในการระบุโครงสร้างของไกลแคนและไซต์ที่แนบมากับเซลล์ของผู้คนอย่างรวดเร็ว “ เคลือบน้ำตาล” นั้นค่อนข้างลึกลับ

จนถึงตอนนี้ก็คือ

ในขณะที่ห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การวิจัยระดับเซลล์หรือโมเลกุลห้องปฏิบัติการของเรามุ่งมั่นที่จะพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อจำแนกลักษณะของโครงสร้าง glycan และไซต์ที่แนบมาอย่างรวดเร็ว เป้าหมายสูงสุดของเราคือการทำแคตตาล็อกน้ำตาลนับแสน ๆ แห่งและที่ตั้งของพวกเขาในเซลล์ประเภทต่างๆแล้วใช้ข้อมูลนี้เพื่อปรับการรักษาทางการแพทย์ให้กับแต่ละคน

คุณอาจชอบวิดีโอนี้จาก ผกผัน:

ทำไมเราถึงสนใจ Glycans

ในอนาคตมีแนวโน้มว่าการวิเคราะห์ glycans ของแต่ละบุคคลจะถูกใช้เพื่อทำนายความเสี่ยงของเราในการพัฒนาโรคเช่นโรคไขข้ออักเสบรูมาตอยด์มะเร็งหรือแม้แต่อาหารแพ้ นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลง glycome สามารถเชื่อมโยงกับสถานะโรคโดยเฉพาะ นอกจากนี้กระบวนการทางชีวภาพเช่นอายุยังเชื่อมโยงกับการอักเสบใน glycome ของเรา มันยังคงได้รับการทดสอบหากการกลับรายการการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถช่วยป้องกันโรคหรือแม้กระทั่งการแก่ชราช้า - ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจ

พร้อมกับ DNA, โปรตีนและไขมัน, ไกลแคนเป็นหนึ่งในสี่โมเลกุลขนาดใหญ่ที่จำเป็นต่อชีวิต ในสี่คนนี้ glycans เป็นผู้ตัดสินขั้นสุดท้ายว่าเซลล์ของเรามีพฤติกรรมอย่างไร

DNA orchestrate สิ่งที่เราดูเหมือนความสามารถในการคิดและประพฤติตนและยังกำหนดโรคที่เราอ่อนแอที่สุด ภายใน DNA ของเรานั้นมียีนสั้น ๆ ซึ่งมักจะมีคำแนะนำสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน ในทางกลับกันโปรตีนเป็น“ ผู้ทำงาน” ของเซลล์ซึ่งทำหน้าที่หลายอย่างที่จำเป็นต่อชีวิต

อย่างไรก็ตามวิธีการทำงานของโปรตีนมักจะขึ้นอยู่กับสิ่งที่ glycans แนบมากับมัน กล่าวอีกนัยหนึ่งโมเลกุลของน้ำตาลเหล่านี้สามารถมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานของโปรตีนของเราและแม้แต่เซลล์ของเราจะตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้น ตัวอย่างเช่นหากคุณเปลี่ยน glycans สองสามตัวที่ด้านนอกของเซลล์มันอาจทำให้เซลล์นั้นย้ายไปยังตำแหน่งอื่นในร่างกายของเรา

หน้าที่หลักของ glycans คือการปรับเปลี่ยนโปรตีนและไขมันที่อยู่บนพื้นผิวของเซลล์ของเรา ร่วมกันพวกเขาสร้างเปลือกน้ำตาลหนา ๆ รอบเซลล์ หากเราพิจารณาว่าพื้นผิวของเซลล์เป็นดินแล้ว glycans จะเป็นพืชและใบไม้ที่มีความหลากหลายและมหัศจรรย์ที่งอกขึ้นมาและนำสีและเอกลักษณ์มาสู่เซลล์ อันที่จริงถ้าคุณสามารถเห็นเซลล์ด้วยตาเปล่าของคุณมันจะดูเลือนมาก ลองนึกภาพพีชที่มีเลือนมากกว่า 10 เท่า

Glycans ทำเครื่องหมายเซลล์ของเราและระบุว่าเป็น "ตัวเอง"

ฟัซซี่รอบ ๆ เซลล์คือโค้ทไกลแคน การอยู่ด้านนอกเซลล์ของเรา glycans เป็นจุดแรกของการติดต่อเพื่อการปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ส่วนใหญ่และมีอิทธิพลต่อวิธีการที่เซลล์ของเราสื่อสารกับคนอื่น นอกจากนี้คุณยังสามารถนึกถึง glycans เป็น "บาร์โค้ด" ที่เป็นเอกลักษณ์ของเซลล์ได้ดังนั้นฟัสของเซลล์ไตจะดูแตกต่างจากฟัซซี่ของเซลล์ภูมิคุ้มกัน แต่ก็มีความคล้ายคลึงกัน ในความเป็นจริงเซลล์ภูมิคุ้มกันที่สำรวจร่างกายของเรากำลังค้นหาจุลชีพก่อโรครู้ว่าจะไม่โจมตีเซลล์“ ตัวเอง” ของเราเองเนื่องจากคุณสมบัติทั่วไปใน glycan“ บาร์โค้ด” ซึ่งแบ่งใช้โดยเซลล์ทั้งหมดในร่างกายของเรา

ในทางตรงกันข้ามแบคทีเรียและปรสิตเช่นมาลาเรียมี“ น้ำตาลเคลือบ” ที่แตกต่างกันซึ่งไม่ปรากฏในเซลล์ของมนุษย์ เมื่อน้ำตาลในแบคทีเรียถูกแท็กเป็น "ต่างประเทศ" ระบบภูมิคุ้มกันของบุคคลจะกำหนดเป้าหมายให้แบคทีเรียทำลาย อย่างไรก็ตามเชื้อแบคทีเรียที่เป็นอันตรายบางชนิดเช่น Streptococcus กลุ่ม B ซึ่งมักก่อให้เกิดการติดเชื้ออย่างรุนแรงในเด็กทารกสามารถหลีกเลี่ยงการตรวจจับภูมิคุ้มกันโดยการปลอมตัวเป็นเซลล์มนุษย์โดยถือ glycans ที่คล้ายกันเป็นสุนัขปลอมตัวเหมือนหมาป่า

น่าเสียดายที่เชื้อโรคบางชนิดสามารถใช้ glycans ของเราเพื่อช่วยทำให้เกิดโรคได้ ไวรัสที่อันตรายถึงชีวิตเช่น HIV และ Ebola ได้พัฒนาขึ้นเพื่อจับ glycans ที่เฉพาะเจาะจงจากนั้นพวกเขาจะ "ล็อค" เข้าสู่ขณะที่ติดเชื้อในเซลล์มนุษย์ของเรา การบำบัดที่ปิดกั้นไวรัสเหล่านี้จากการโต้ตอบกับ glycans ของเราหรือการโจมตี glycans เฉพาะไวรัสอาจเป็นหนทางใหม่ในการรักษาการติดเชื้อเหล่านี้

งานวิจัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่า glycans มีบทบาทอย่างมากในการพัฒนาของโรคแพ้ภูมิตัวเองเช่นโรคไขข้ออักเสบและโรคตับอ่อนอักเสบ autoimmune ไม่น่าแปลกใจเลยที่ glycans จะมีอิทธิพลโดยตรงต่อการทำงานของเซลล์ภูมิคุ้มกัน

โดยปกติเซลล์ภูมิคุ้มกันของเราทำหน้าที่เป็น "ระบบการป้องกัน" ของร่างกายและระบุและทำลายผู้บุกรุกจากต่างประเทศเช่นแบคทีเรียหรือไวรัสที่เป็นอันตราย แต่เมื่อร่างกายทำการติดฉลากเซลล์ของเราอย่างผิดพลาดในฐานะศัตรูและเริ่มโจมตีตัวมันเองภายในระบบภูมิคุ้มกันจะเกิดขึ้น น่าสนใจในกรณีเช่นนี้มันเป็น glycans ที่มีอยู่ในแอนติบอดีโจมตีตัวเองที่ทำงานผิดปกติที่จะกำหนดความแข็งแกร่งของการโจมตีในร่างกาย การตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่ผิดปกตินี้สามารถนำมาใช้กับ glycans ได้ ตัวอย่างเช่นระบบภูมิคุ้มกันสามารถผิดพลาด glycans“ ตัวเอง” ราวกับว่าพวกเขาเป็นโมเลกุล“ ต่างชาติ” ทีมวิจัยของเราเผยแพร่บทความที่แนะนำทฤษฎี glycan ของ autoimmunity ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์เหล่านี้บางส่วน

Glycans ในอาหารของเราสามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน

มีการศึกษาจำนวนมากที่เชื่อมโยงการบริโภคเนื้อแดงกับโรคเช่นหลอดเลือดและโรคเบาหวาน แต่พวกเขาไม่สามารถแสดงได้ว่าทำไมหรือสิ่งนี้เกิดขึ้นจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ การศึกษาหนึ่งที่น่าสนใจแสดงให้เห็นว่าผู้กระทำผิดนั้นเป็นน้ำตาลที่มีชื่อที่ไม่ได้ใช้, กรด N-glycolylneuraminic ที่ไม่ใช่มนุษย์ sialic หรือ Neu5Gc สั้น ๆ Neu5Gc พบได้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทุกชนิดยกเว้นมนุษย์เพราะมนุษย์ยุคแรกที่สามารถทำให้ Neu5Gc เสียชีวิตจากปรสิตมาลาเรียโบราณ

อย่างไรก็ตามถึงแม้ว่าตอนนี้เราขาดความสามารถในการผลิต Neu5Gc แต่ร่างกายของเรายังคงมีความสามารถในการรวมเข้ากับ glycans ในเซลล์ของเราหากเราได้รับมันจากการกินเนื้อแดง เมื่อมันกลายเป็นส่วนหนึ่งของเสื้อคลุม glycan ของเซลล์ของเราเซลล์ของเราจะมีสาร "แปลกปลอม" - Neu5Gc - ล้อมรอบพวกมัน สิ่งนี้สามารถกระตุ้นให้เกิดการอักเสบทั่วร่างกายเพราะระบบภูมิคุ้มกันของเรารับรู้ Neu5Gc ว่าเป็น "สิ่งแปลกปลอม" และโจมตีมัน การอักเสบเรื้อรังที่เกิดจากการโจมตีภายในเหล่านี้สามารถนำไปสู่โรคหัวใจ, โรคหลอดเลือดสมองและโรคมะเร็ง

ร่างกายของเราสังเคราะห์ glycans ที่เป็นเอกลักษณ์หมื่นหมื่นครั้งบ่อยครั้งที่มีโครงสร้างการแตกแขนงที่เกิดจากการสร้างน้ำตาลธรรมดา โปรตีนหรือไขมันสามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วย glycans ที่เป็นเอกลักษณ์หลายสิบชนิด ชุดค่าผสมที่นับไม่ถ้วนเหล่านี้ทำให้การทำแผนที่ glycans เป็นงานที่ยากเพราะเราต้องการวิธีที่ใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์รูปแบบ glycan นับแสนรายการ

ทีมวิจัยของเราได้พัฒนาวิธีการตรวจสอบระดับน้ำตาลในเลือดของมนุษย์อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ด้วยการใช้ประโยชน์จากความก้าวหน้าทางวิศวกรรมและการปรับปรุงในการประมวลผลตัวอย่างเทคนิคของเราสามารถตรวจสอบ glycans หลายพันรายการได้ในครั้งเดียวซึ่งช่วยให้เราสามารถระบุลักษณะของ glycans ในเซลล์จากการควบคุมสุขภาพและผู้ป่วยที่มีโรคต่างๆ เป้าหมายของเราคือการใช้ข้อมูลนี้เพื่อพัฒนาแบบจำลองการทำนายเพื่อช่วยแพทย์วินิจฉัยและรักษาโรคของมนุษย์ทั้งหมด เราเชื่อว่าคลื่นลูกใหม่ของความก้าวหน้าทางการแพทย์จะมาถึงในขณะที่เราปลดล็อค“ รหัสน้ำตาล”

Jenny Wang เป็นผู้เขียนร่วมของบทความนี้

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกในการสนทนาโดย Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla และ Jenny Wang อ่านบทความต้นฉบับที่นี่