破解糖代码:为什么糖是健康和医学的下一件大事

破解糖代码:为什么糖是健康和医学的下一件大事通过molekuul_be / shutterstock.com

当你想到糖时,你可能会想到用来制作饼干或加糖咖啡的甜,白,结晶食糖。 但是你知道吗?在我们体内,简单的糖分子可以连接在一起,形成强大的结构,最近发现它们与健康问题有关,包括癌症,衰老和自身免疫性疾病。

根据美国国家科学院的数据,创建一个他们的位置和结构的地图 引领我们进入现代医学的新时代。 这是因为人体糖组 - 我们体内的整个糖类 - 容纳了尚待发现的聚糖,有可能帮助医生诊断和治疗他们的病人。

由于2003完成了人类基因组计划所获得的全球关注,大多数人都听说过DNA,基因组学甚至蛋白质组学 - 蛋白质的研究。 但聚糖的研究,也称为糖组学,是关于 20落后于其他领域。 这种滞后的一个原因是科学家们还没有开发出快速识别人体细胞上聚糖结构及其附着位点的工具。 “糖衣”有点神秘。

到现在为止。

虽然大多数实验室专注于细胞或分子研究,我们的 实验室 致力于开发技术,以快速表征聚糖结构及其附着位点。 我们的最终目标是在各种细胞类型上对数十万种糖及其位置进行分类,然后使用这些信息为每个人量身定制医疗方法。

为什么我们关心聚糖?

将来,对个体聚糖的分析很可能会被用来预测我们患上类似疾病的风险 类风湿关节炎, 癌症 甚至 食物过敏。 这是因为糖组变化可以特定地与特定疾病状态相关联。 此外,生物过程如 老化 与我们的糖组中的炎症有关。 如果逆转这些变化有助于预防疾病,甚至延缓衰老,这仍有待检验 - 这是一种有趣的可能性。

与DNA,蛋白质和脂肪一起,聚糖是生命必需的四大主要大分子之一。 在这四种中,聚糖是我们细胞表现的最终仲裁者。


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DNA协调我们的样子,思考和行为的能力,甚至决定我们最容易受到影响的疾病。 在我们的DNA中是短片段,基因,通常包含如何合成蛋白质的说明。 反过来,蛋白质是细胞的“主力”,具有生命所必需的许多功能。

然而,蛋白质的行为通常取决于哪种聚糖附着在其上。 换句话说,这些糖分子可以极大地影响我们的蛋白质的工作方式,甚至可以影响我们的细胞对刺激的反应。 例如,如果您更改细胞外部的一些聚糖,它可能会触发该细胞迁移到我们体内的不同位置。

聚糖的主要作用是改变位于细胞表面的蛋白质和脂肪。 它们一起在细胞周围形成厚厚的糖衣。 如果我们认为细胞的表面是土壤,那么聚糖将是奇妙多样的植物生命和叶子,它们会发芽并为细胞带来颜色和特性。 事实上,如果你能用肉眼看到一个细胞,它看起来会非常模糊。 想象一下桃子的10次更加模糊。

破解糖代码:为什么糖是健康和医学的下一件大事人体中的每个细胞都覆盖着一系列聚糖,这些聚糖使用各种简单的糖类如葡萄糖,甘露糖,半乳糖,唾液酸,葡糖胺和水果作为构建块组装而成。 通过感知存在的糖衣的类型,我们的免疫细胞可以识别其他细胞作为朋友或敌人。 这是因为细菌表面的糖类从未在人体细胞上见过 - 病原体的糖类被免疫系统感知,并将细菌识别为“外来的”。 Emanual Maverakis, 创用CC BY-SA

Glycans标记我们自己的细胞并将它们识别为“自我”

细胞周围的绒毛是它的聚糖涂层。 聚糖作为我们细胞的外部,是大多数细胞相互作用的第一个接触点,从而影响我们的细胞彼此之间的交流。 您还可以将聚糖视为独特的细胞“条形码”。因此,肾细胞的模糊看起来与免疫细胞的模糊不同。 但也有相似之处。 事实上,调查我们的身体寻找病原体的免疫细胞知道不会攻击我们自己的“自身”细胞,因为聚糖“条形码”中的共同特征是我们身体的所有细胞共有的。

相比之下,细菌和寄生虫就像 疟疾 有不同的“糖衣”,在人体细胞上看不到。 当细菌糖被标记为“外来的”时,一个人的免疫系统将细菌作为目标进行破坏。 然而,一些有害的细菌病原体,如B组链球菌,通常会导致婴儿严重感染,可以避免免疫检测 通过携带类似的聚糖来模仿人体细胞 作为一个伪装 - 就像穿着羊皮的狼。

不幸的是,一些病原体也能够使用我们的聚糖来帮助它们引起疾病。 致命的病毒 像艾滋病病毒和埃博拉病毒一样,它们已经进化为抓住了特定的聚糖,然后它们会在感染人体细胞时“锁定”。 阻止这些病毒与我们的聚糖相互作用或攻击病毒特异性聚糖的疗法可能是治疗这些感染的新途径。

破解糖代码:为什么糖是健康和医学的下一件大事我们的细胞和细菌细胞上的糖类将它们标记为朋友或敌人。 Emanual Maverakis, 创用CC BY-SA

新的研究 还表明,聚糖在自身免疫性疾病的发展中起着重要作用 类风湿关节炎 自身免疫性胰腺炎。 这并不奇怪,因为聚糖直接影响免疫细胞的功能。

通常,我们的免疫细胞充当我们身体的“防御系统”,并识别和摧毁外来入侵者,如有害细菌或病毒。 但当身体错误地将我们自己的细胞标记为敌人并对其自身发动内部攻击时,自身免疫就会诞生。 有趣的是,在这种情况下,存在于行为不端的自我攻击抗体上的聚糖将决定对身体的攻击强度。 这种异常的免疫反应甚至可以针对聚糖。 例如,免疫系统可以将“自身”聚糖误认为是“外来”分子。 我们的研究团队 最近 发表了一篇文章 这引入了自身免疫的聚糖理论,这解释了这些关系中的一些。

我们食物中的聚糖可以引发免疫反应

有许多研究将红肉的消费与动脉粥样硬化和糖尿病等疾病联系起来,但他们直到最近还未能说明为什么或如何发生这种疾病。 一项有趣的研究 表明罪魁祸首是一种名称笨重的糖,非人唾液酸N-羟乙酰神经氨酸,简称Neu5Gc。 Neu5Gc存在于除人类以外的所有哺乳动物中,因为可以制造Neu5Gc的早期人类死于古代 疟原虫.

然而,尽管我们现在缺乏生产Neu5Gc的能力,但是如果我们通过吃红肉来获得它,我们的身体仍然能够将它掺入我们细胞上的聚糖中。 一旦它成为我们细胞的聚糖涂层的一部分,我们的细胞就会有一种“外来”物质 - Neu5Gc--围绕它们。 这可以引发全身炎症,因为我们的免疫系统将Neu5Gc识别为“外来”并攻击它。 这些内部攻击引起的慢性炎症可导致心脏病发作,中风甚至癌症。

我们的身体合成了数以万计的独特聚糖,通常具有由简单的糖结构单元形成的分支结构。 蛋白质或脂肪也可以被许多独特的聚糖修饰。 这些无数的组合使聚糖聚糖成为一项艰巨的任务,因为我们需要一种实用而有效的方法来分析数十万种聚糖模式。

我们的研究团队现已开发出快速,稳健地监测人体糖分的方法。 通过利用工程改进和样品处理的改进,我们的技术可以同时监测数千种聚糖,这使我们能够表征来自健康对照和患有各种不同疾病的患者的细胞中的聚糖。 我们的目标是利用这些数据开发预测模型,帮助临床医生诊断和治疗所有人类疾病。 我们相信,当我们解开“糖代码”时,新的医疗进步浪潮将会到来。

关于作者

Emanual Maverakis,副教授 - 医学微生物学与免疫学和皮肤病学系| 会员 - 卫生研究院食品| 会员 - 综合癌症中心| 主任 - 自我免疫| 导演 - 免疫监测核心, 美国加州大学戴维斯分校; Carlito Lebrilla,化学杰出教授, 美国加州大学戴维斯分校和Jenny Wang,加州大学戴维斯分校临床研究员 阿尔伯特爱因斯坦医学院医学院学生, 叶史瓦大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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