Qual è il Glycome umano? Come gli scienziati hanno sbloccato il codice dello zucchero

Quando pensi allo zucchero, probabilmente pensi allo zucchero da tavola dolce, bianco e cristallino che usi per preparare biscotti o addolcire il caffè. Ma lo sapevate che all'interno del nostro corpo, semplici molecole di zucchero possono essere collegate tra loro per creare potenti strutture che sono state recentemente trovate collegate a problemi di salute, tra cui cancro, invecchiamento e malattie autoimmuni.

Queste lunghe catene di zucchero che coprono ciascuna delle nostre cellule sono chiamate glicani e, secondo la National Academy of Sciences, la creazione di una mappa della loro posizione e struttura ci introdurrà in una nuova era della medicina moderna. Questo perché il glycome umano - l'intera collezione di zuccheri all'interno del nostro corpo - ospita glicani ancora da scoprire con il potenziale di aiutare i medici nella diagnosi e nel trattamento dei loro pazienti.

Grazie all'attenzione mondiale ottenuta dal completamento del Progetto genoma umano nel 2003, molte persone hanno sentito parlare di DNA, genomica e persino proteomica: lo studio delle proteine. Ma lo studio dei glicani, noto anche come glycomics, è di circa 20 anni rispetto a quello di altri campi. Una delle ragioni di questo ritardo è che gli scienziati non hanno sviluppato gli strumenti per identificare rapidamente le strutture glycan e i loro siti di attacco sulle cellule delle persone. Il "cappotto di zucchero" è stato un po 'un mistero.

Fino ad ora, quello è.

Mentre la maggior parte dei laboratori si concentra sulla ricerca cellulare o molecolare, il nostro laboratorio è dedicato allo sviluppo di tecnologie per caratterizzare rapidamente le strutture glycan e i loro siti di attacco. Il nostro obiettivo finale è catalogare le centinaia di migliaia di zuccheri e le loro posizioni su vari tipi di cellule e quindi utilizzare queste informazioni per adattare le terapie mediche a ciascun individuo.

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Perché ci preoccupiamo dei glicani?

In futuro, è probabile che l'analisi dei glicani di un individuo verrà utilizzata per prevedere il nostro rischio di sviluppare malattie come l'artrite reumatoide, il cancro o anche le allergie alimentari. Questo perché le alterazioni del glycome possono essere specificamente legate a particolari stati patologici. Inoltre, i processi biologici come l'invecchiamento sono collegati all'infiammazione nel nostro glycome. Resta da verificare se l'inversione di questi cambiamenti può aiutare a prevenire le malattie, o addirittura a rallentare l'invecchiamento - una possibilità intrigante.

Insieme al DNA, alle proteine ​​e ai grassi, i glicani sono una delle quattro principali macromolecole essenziali per la vita. Di questi quattro, i glicani sono gli arbitri finali di come si comportano le nostre cellule.

Il DNA orchestra ciò che sembra, la nostra capacità di pensare e comportarci, e determina anche le malattie alle quali siamo più sensibili. All'interno del nostro DNA ci sono brevi segmenti, geni, che spesso contengono istruzioni su come sintetizzare le proteine. Le proteine, a loro volta, sono i "cavalli da tiro" della cellula, svolgendo molte delle funzioni necessarie per la vita.

Tuttavia, il modo in cui una proteina si comporta spesso dipende da quali glicani sono collegati ad essa. In altre parole, queste molecole di zucchero possono influenzare notevolmente il modo in cui le nostre proteine ​​svolgono il loro lavoro e persino il modo in cui le nostre cellule risponderanno agli stimoli. Ad esempio, se cambi alcuni glicani all'esterno di una cella, potrebbe far scattare quella cella in un'altra posizione nel nostro corpo.

Il compito principale dei glicani è di modificare le proteine ​​e i grassi che si trovano sulla superficie delle nostre cellule. Insieme, creano uno spesso strato di zucchero attorno alla cellula. Se consideriamo la superficie della cellula come terreno, i glicani sarebbero la vita e il fogliame meravigliosamente diversi che germogliano e portano colore e identità alla cellula. In effetti, se tu fossi in grado di vedere una cellula a occhio nudo, sembrerebbe molto confusa. Immagina una pesca con una lanugine 10 volte superiore.

I glicani etichettano le nostre cellule e le identificano come "sé"

Il fuzz attorno a una cella è il suo glicone. Essendo al di fuori delle nostre cellule, i glicani sono il primo punto di contatto per la maggior parte delle interazioni cellulari e quindi influenzano il modo in cui le nostre cellule comunicano tra loro. Puoi anche pensare ai glicani come a un "codice a barre" univoco cellulare. Quindi, il fuzz di una cellula renale sarà diverso dal fuzz di una cellula immunitaria. Ma ci sono anche somiglianze. Infatti, le cellule immunitarie che esaminano il nostro corpo alla ricerca di agenti patogeni non sanno attaccare le nostre stesse cellule "self" a causa delle caratteristiche comuni nel "codice a barre" del glicano che sono condivise da tutte le cellule del nostro corpo.

Al contrario, batteri e parassiti come la malaria hanno diversi "zuccheri" che non si vedono sulle cellule umane. Quando gli zuccheri batterici sono etichettati come "estranei", il sistema immunitario di una persona prende di mira il batterio per la distruzione. Tuttavia, alcuni patogeni batterici dannosi come lo streptococco di gruppo B, che comunemente causano gravi infezioni nei bambini, possono evitare il rilevamento immunitario impersonando cellule umane trasportando glicani simili come un travestimento - come il lupo vestito con pelle di pecora.

Sfortunatamente, alcuni agenti patogeni sono anche in grado di usare i nostri glicani per aiutarli a causare malattie. I virus mortali come l'HIV e l'Ebola si sono evoluti per afferrare specifici glicani che poi "bloccano" quando infettano le nostre cellule umane. Terapie che bloccano questi virus dall'interazione con i nostri glicani, o che attaccano i glicani specifici del virus, possono essere una nuova strada per il trattamento di queste infezioni.

Nuove ricerche hanno anche dimostrato che i glicani giocano un ruolo enorme nello sviluppo di malattie autoimmuni come l'artrite reumatoide e la pancreatite autoimmune. Questo non è sorprendente dato che i glicani influenzano direttamente la funzione delle cellule immunitarie.

Normalmente, le nostre cellule immunitarie agiscono come "sistema di difesa" del nostro corpo e identificano e distruggono invasori stranieri come batteri o virus dannosi. Ma quando il corpo etichetta erroneamente le nostre stesse cellule come il nemico e lancia un attacco interno su se stesso, nasce l'autoimmunità. È interessante notare che, in tali casi, sono i glicani presenti sugli anticorpi che si comportano male e che dettano la forza dell'attacco al corpo. Questa risposta immunitaria anormale può persino essere diretta contro i glicani. Ad esempio, il sistema immunitario può confondere i glicani "autonomi" come se fossero molecole "estranee".Il nostro gruppo di ricerca ha recentemente pubblicato un articolo che ha introdotto la teoria dei glicani dell'autoimmunità, che spiega alcune di queste relazioni.

I glicani nel nostro cibo possono scatenare le risposte immunitarie

Ci sono stati molti studi che collegano il consumo di carne rossa con malattie come l'aterosclerosi e il diabete, ma non sono stati in grado di mostrare perché o come ciò si verifica fino a poco tempo fa. Uno studio interessante suggerisce che il colpevole fosse uno zucchero con il nome ingombrante, acido n-glicolilneuraminico sialico non umano, o Neu5Gc in breve. Neu5Gc si trova in tutti i mammiferi tranne gli umani, perché i primi umani che potevano farne Neu5Gc morirono a causa di un antico parassita della malaria.

Tuttavia, anche se ora non abbiamo la capacità di produrre Neu5Gc, i nostri corpi hanno ancora la capacità di incorporarlo nei glicani delle nostre cellule se lo otteniamo mangiando carne rossa. Una volta che diventa parte del glicone delle nostre cellule, le nostre cellule hanno una sostanza "straniera" - Neu5Gc - che le circonda. Questo può scatenare l'infiammazione in tutto il corpo perché il nostro sistema immunitario riconosce Neu5Gc come "estraneo" e lo attacca. L'infiammazione cronica causata da questi attacchi interni può portare ad infarto, ictus e persino cancro.

I nostri corpi sintetizzano decine di migliaia di glicani unici, spesso con strutture ramificate formate da semplici blocchi di zucchero. Le proteine ​​o i grassi possono anche essere modificati da dozzine di glicani unici. Queste innumerevoli combinazioni rendono la mappatura dei glicani un compito difficile perché abbiamo bisogno di un modo pratico ed efficiente per analizzare centinaia di migliaia di schemi glicani.

Il nostro team di ricerca ha ora sviluppato metodi per monitorare rapidamente e in modo affidabile il glycome umano. Sfruttando i progressi ingegneristici e i miglioramenti nell'elaborazione dei campioni, la nostra tecnica può monitorare migliaia di glicani contemporaneamente, il che ci consente di caratterizzare i glicani nelle cellule da controlli sani e pazienti con una varietà di malattie diverse. Il nostro obiettivo è utilizzare questi dati per sviluppare modelli predittivi per aiutare i medici a diagnosticare e trattare tutte le malattie umane. Crediamo che una nuova ondata di progressi medici arriverà quando sbloccheremo il "codice zucchero".

Jenny Wang era l'autore co-principale di questo articolo.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla e Jenny Wang. Leggi l'articolo originale qui.