Glykaner är väsentliga för praktiskt taget alla biologiska processer i kroppen. Dessa komplexa strukturer - sammansatta av sammanlänkade sockermolekyler - pryder cellernas ytor i flummigt överflöd. Glykaner är en avgörande del av en cells identitet, hjälpa den att kommunicera med andra celler och med den yttre miljön. Glykaner är också kända för att spela en viktig roll vid cancer, autoimmun sjukdom och otaliga andra lidanden.

Trots deras allestädes närvarande och betydelse, glykaner är fortfarande bland de mest gåtfulla biologiska aktörerna.

Nu, forskare från Arizona State Universitys Biodesign Institute går med i en internationell forskargrupp för att undersöka de djupare mysterierna om glykanstruktur och funktion. Att göra detta, de har samlat ett bibliotek med enzymer som är nödvändiga för att skapa, modifiera och försämra glykaner. Med hjälp av detta bibliotek, gruppen kunde uttrycka dessa enzymer i två typer av cellulär värd - däggdjur och insekter.

"Det är klart att dessa genomarbetade sockerstrukturer spelar kritiska roller i både hälsa och sjukdomar, "säger Joshua LaBaer, chef för Biodesign Institute och Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics.

Han fortsätter med att säga att vetenskapen fortfarande har mycket liten förståelse för glykanaktivitet, för till skillnad från andra processer i biologin, de monteras inte baserat på en mall. Istället, de produceras av ett komplext samspel mellan en stor familj av enzymer som lägger till och tar bort specifika sockerarter beroende på var olika familjemedlemmar förekommer och andra faktorer. "För första gången, vi har byggt och monterat klonade kopior av alla enzymer i denna familj, skapa en ovärderlig verktygslåda som forskare kommer att kunna använda för att bygga och testa dessa strukturer, "Säger Labaer.

Resultat av den nya studien, som förekommer i det aktuella numret av tidskriften Natur kemisk biologi , har potentiellt bred inverkan på områden som sträcker sig från ny diagnostik och terapi för sjukdomar, till andra framsteg inom hälsan, materialvetenskap och energi.

Livet är gott

"Att studera glykanstrukturer i djurcellsystem har historiskt varit en stor utmaning, särskilt när det gäller teknik, "säger Kelley Moremen från University of Georgia, huvudförfattare till den nya studien. "För att förstå hur dessa molekyler skapas och regleras när det gäller funktion på cellytan, det är viktigt att förstå det enzymatiska maskineriet som gör dem, modifierar dem och bryter ner dem. "

En av fyra stora klasser av makromolekyler som utgör levande system, (tillsammans med nukleinsyror, proteiner och lipider), glykaner är viktiga för cellstruktur och funktion. De spelar viktiga roller vid cell signalering, immunitet, och inflammation.

Till exempel, glykaner på cellytor är avgörande för molekylärt igenkänning, leda vita blodkroppar genom kroppen till infektionsställen, gör att immunsystemet kan reagera där det behövs. Denna dynamik syns tydligt under de tidiga stadierna av influensainfektion, där influensaviruspartikeln fäster till en mänsklig värdcell genom att känna igen och binda med cell-ytglykaner.

Immunsystemet reagerar på sådana hot genom att lära sig känna igen virusets glykansockerbeläggning, bakterier och andra inkräktare, montera både medfödda och adaptiva försvarsmekanismer.

Olika sockerformer är viktiga för livet. Glukos, En av de mest viktiga, är en primär metabolit som ger energi till hjärnan. Det exemplifierar också komplexa sockers tvåkantade karaktär, eftersom dess dysreglering är en central riskfaktor för utveckling av hjärt -kärlsjukdom. Diabetes, till exempel, resultat av felaktig glukoskontroll genom normala metaboliska mekanismer. Höga koncentrationer av glukos kan orsaka allvarliga organskador, medan låga koncentrationer kan leda till förlust av medvetande och plötslig död på grund av otillräcklig energi.

Någon annanstans, väggarna i växtceller består huvudsakligen av glykaner och står för planetens dominerande källa till biologisk koldioxidbindning, eller biomassa. De representerar en i stort sett outnyttjad hållbar källa till icke-fossilt bränslebaserad energi.

Fram till nu dock glykaner har inte haft samma nivå av vetenskaplig uppmärksamhet som nukleinsyror eller protein och mycket om deras subtila arbetsuppgifter förblir höljt i mysterium. Anledningen är att det svindlande sortimentet av glykanstrukturer har, tills nyligen, varit notoriskt svårt att studera.

Gener till proteiner

Mycket av livets maskineri är väl förstått, åtminstone i stora drag. Olika arrangemang av de 4 nukleinsyrorna i DNA -gener som först transkriberas till RNA, sedan översatt till proteiner, enligt en strikt regim.

Glykaner är olika. De produceras inte av mallar som RNA och protein, men istället, monteras i farten efter behov enligt komplexa faktorer i miljön inklusive cellmetabolism, celltyp, utvecklingsstadium, näringstillgänglighet och många andra ledtrådar. Specialiserade celler som nerv, hud- eller muskelceller har sitt eget unika komplement av glykaner och sjuka celler uppvisar typiskt karakteristiska abnormiteter hos de glykaner som pryder dem. För att producera denna rikedom av glykanmångfald, ett stort antal specialiserade enzymer tas i bruk.

Glykaner fäster vanligtvis på specifika platser på proteiner, modulera deras biologiska aktivitet genom molekylärt igenkänning eller påverka deras cirkulationstid i blodomloppet. Glykosylering - tillsats av glykanmolekyler - är en av de viktigaste regleringsmekanismerna som påverkar proteiner efter att de redan har översatts från RNA. Sådana posttranslationella modifieringar tillåter ett ganska blygsamt antal mänskliga gener-bara 25, 000 eller så - för att generera den häpnadsväckande komplexitet och mångfald som observerats hos människor och mellan människor.

Denna nya insikt i proteiner som mycket dynamiska enheter har revolutionerat modern biologi, även om det har väsentligt fördjupat den komplexitet forskare står inför. Den snygga modellen för 1 gen som genererar 1 RNA -sekvens som ger ett enda protein med känd struktur och funktion har gett plats för en värld av subtil och dynamisk proteinmodifiering, har stora konsekvenser för människors hälsa och sjukdomar. Studiet av avvikande bildade gycaner, till exempel, är nu en ny ny väg för cancerforskning.

Design med socker

Men hur tillverkas glykaner? Processen börjar när enkla sockerarter i livsmedel - kända som monosackarider - konsumeras. Dessa monosackarider reser till två viktiga subcellulära fack som kallas Golgi -komplexet och det endoplasmatiska retikulumet. Dessa membranbundna organeller fungerar som fabriker för stegvis montering av monosackaridbyggstenar till komplex, förgrenande glykanstrukturer.

Glykaner fästs sedan till proteiner eller lipider och levereras till plasmamembranet, belägga cellytor med dessa sockermolekyler. Det har uppskattats att 70 procent av cellytans proteiner är glykosylerade och forskare försöker fortfarande fastställa funktionen för alla dessa glykosyleringar.

Tillämpningar av sådan forskning kan innefatta glykanbaserade tekniker för tidig upptäckt av cancer och andra sjukdomar, och utveckling av framtida vacciner och läkemedel mot infektionssjukdomar baserade på en bättre förståelse av värd-patogeninteraktioner och immunsvaret. Skapandet av nya produkter eller bränslen som består av kolhydratråvaror kan också bero på framsteg inom glykobiologi.

Biblioteksåtkomst

I den aktuella studien, forskare producerade framgångsrikt hela sortimentet av glykanbildande och modifierande enzymer som ansvarar för att producera över 7000 ryggradsdjur glykanstrukturer. För att åstadkomma detta, studien försökte förenkla processen, producerar avskalade enzymversioner som kan effektivt uttrycka i värdceller.

"Med hjälp av Jason (Steele) och Josh (LaBaer), vi skapade en designstrategi för att fånga dessa kodningsregioner och lägga dem i en hållvektor, "Säger Moremen." Sedan, vi kunde placera dem i insekts- eller däggdjursceller och testa deras förmåga att uttryckas i dessa system. "

Detta är ett viktigt framsteg. Tidigare försök att producera och uttrycka glykoenzymer i enklare bakterieceller som E. coli hade i stort sett gått på grund. För att hantera prestationen i mer komplexa eukaryota celler, som insekter och däggdjur, betydande modifiering av de enzymkodande generna krävdes innan de infördes i specialiserade vektorer som kallas kassetter. Dessa glykoenzymkodande kassetter sattes sedan in i insekts- och däggdjursceller, där de uttrycktes.

Gruppen tog fram en omfattande lista över 339 glykoenzymer som är ansvariga för bildning, modifiering och nedbrytning av glykaner, riktade dessa för proteinuttryck. Även om resultaten visade sig framgångsrika, högt uttryck av glykoenzymer i både insekts- och däggdjursceller, författarna noterar tydliga skillnader i specifika uttrycksnivåer i vart och ett av de två modellsystemen.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, materialvetenskap, and engineering.