Glycomics является всестороннее изучение glycomes [1] (все дополнение сахаров , будь то свободный или присутствует в более сложных молекул в качестве организма ), в том числе генетических, физиологических, патологических и других аспектов. [2] [3] Гликомика «представляет собой систематическое изучение всех гликановых структур данного типа клеток или организма» и является подгруппой гликобиологии . [4] Термин гликомикс происходит от химического префикса сладости или сахара, «глико-», и был образован, чтобы следовать соглашению об именах омиков, установленному геномикой (которая имеет дело сгены ) и протеомика (которая имеет дело с белками ).
Вызовы
- Сложность сахаров: по структуре они не линейны, а сильно разветвлены. Более того, гликаны можно модифицировать (модифицировать сахара), что увеличивает его сложность.
- Сложные пути биосинтеза гликанов.
- Обычно гликаны обнаруживаются либо связанными с белком ( гликопротеином ), либо конъюгированными с липидами ( гликолипиды ).
- В отличие от геномов, гликаны очень динамичны.
Эта область исследований имеет дело с присущим ей уровнем сложности, которого нет в других областях прикладной биологии. [5] 68 строительных блоков (молекулы для ДНК, РНК и белков; категории для липидов; типы сахарных связей для сахаридов) обеспечивают структурную основу для молекулярной хореографии, которая составляет всю жизнь клетки. ДНК и РНК имеют по четыре строительных блока ( нуклеозиды или нуклеотиды ). Липиды делятся на восемь категорий на основе кетоацила и изопрена . В белках есть 20 ( аминокислот ). Сахариды имеют 32 типа сахарных связей. [6] Хотя эти строительные блоки могут быть присоединены только линейно для белков и генов, они могут быть организованы в разветвленный массив для сахаридов, что еще больше увеличивает степень сложности.
Добавьте к этому сложность множества задействованных белков, не только как переносчиков углеводов, гликопротеинов , но и белков, конкретно участвующих в связывании и взаимодействии с углеводом:
Важность
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать различные важные функции гликанов. Вот некоторые из этих функций:
- Гликопротеины и гликолипиды, обнаруженные на поверхности клетки, играют решающую роль в распознавании бактерий и вирусов .
- Они участвуют в клеточных сигнальных путях и модулируют функцию клеток.
- Они важны для врожденного иммунитета .
- Они определяют развитие рака .
- Они управляют клеточной судьбой, подавляют пролиферацию , регулируют кровообращение и инвазию.
- Они влияют на стабильность и укладку белков .
- Они влияют на путь и судьбу гликопротеинов .
- Есть много гликано-специфических заболеваний, часто наследственных .
Есть важные медицинские применения аспектов гликомики:
- Лектины фракционируют клетки, чтобы избежать реакции «трансплантат против хозяина» при трансплантации гемопоэтических стволовых клеток .
- Активация и экспансия цитолитических CD8 Т-клеток при лечении рака.
Гликомикс особенно важен в микробиологии, потому что гликаны играют разные роли в физиологии бактерий. [7] Исследования бактериальной гликомики могут привести к развитию:
- новые лекарства
- биоактивные гликаны
- гликоконъюгатные вакцины
Используемые инструменты
Ниже приведены примеры обычно используемых методов анализа гликанов [4] [5]
Масс-спектрометрия высокого разрешения (МС) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)
Наиболее часто применяемыми методами являются МС и ВЭЖХ , в которых гликановая часть отщепляется ферментативно или химически от мишени и подвергается анализу. [8] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.
N- гликаны из гликопротеинов обычно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обращенно-фазовая, нормальная фаза и ионообменная ВЭЖХ) после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (восстановительное мечение). [9] В последние годы было введено большое количество различных меток, среди которых 2-аминобензамид (AB), антраниловая кислота (AA), 2-аминопиридин (PA), 2-аминоакридон (AMAC) и 3- (ацетиламино) - 6-аминоакридин (AA-Ac) - лишь некоторые из них. [10]
О- гликаны обычно анализируются без каких-либо меток из-за условий выделения химических веществ, которые не позволяют их маркировать. [11]
Фракционированные гликаны из приборов для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) могут быть дополнительно проанализированы с помощью MALDI- TOF-MS (MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда гликановые пулы анализируются непосредственно с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных гликановых структур более сложно или даже не всегда возможно. В любом случае, прямой анализ MALDI -TOF-MS может привести к быстрой и простой иллюстрации пула гликанов. [12]
В последние годы очень популярной стала онлайн-высокоэффективная жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией. Выбирая пористый графитовый углерод в качестве стационарной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже недериватизированные гликаны. Для этого часто используется ионизация электрораспылением ( ESI ). [13] [14] [15]
Мониторинг множественных реакций (MRM)
Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, его высокая чувствительность и линейный ответ в широком динамическом диапазоне делают его особенно подходящим для исследования и открытия гликановых биомаркеров. MRM выполняется на приборе с тройным квадруполем (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного иона-предшественника в первом квадруполе, фрагментированного в квадруполе столкновений и заранее определенного фрагментированного иона в третьем квадруполе. Это метод без сканирования, в котором каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение множества переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Этот метод используется для характеристики иммунного гликома. [16] [17] [18]
Таблица 1 : Преимущества и недостатки масс-спектрометрии в анализе гликанов
Преимущества | Недостатки |
---|---|
|
|
Массивы
Массивы лектина и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. В этом методе используются либо встречающиеся в природе лектины, либо искусственные моноклональные антитела , где оба иммобилизуются на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.
Массивы гликанов, подобные тем, которые предлагаются Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC , содержат углеводные соединения, которые можно проверять с помощью лектинов или антител для определения специфичности углеводов и идентификации лигандов.
Метаболическое и ковалентное мечение гликанов
Метаболическое мечение гликанов можно использовать как способ обнаружения гликановых структур. Хорошо известная стратегия включает использование сахаров, меченных азидом, которые могут реагировать с использованием лигирования по Штаудингеру . Этот метод использовался для визуализации гликанов in vitro и in vivo.
Инструменты для гликопротеинов
Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для полного структурного анализа сложных гликанов - сложная и сложная область. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других белков, связывающих углеводы, выявила большое разнообразие структурных основ для функции гликома. Чистота исследуемых образцов была определена с помощью хроматографии ( аффинная хроматография и т. Д.) И аналитического электрофореза ( PAGE (полиакриламидный электрофорез) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. Д.).
Программное обеспечение и базы данных
Для гликомических исследований доступно несколько онлайн-программ и баз данных. Это включает в себя:
- GlycomeDB
- UniCarb-DB
Смотрите также
- Цитомика
- Гликобиология
- GlycomeDB
- UniCarb-DB
- База данных структуры углеводов (CSDB)
- Гликоконъюгат
- Гликвест
- Интерактомика
- Липидомика
- Список тем омиков по биологии
- Метаболомика
- Омикс
- Протеомика
- системная биология
- Минимум информации о гликомическом эксперименте, требуемой
Рекомендации
- ^ Радд, Полина; Karlsson, Niclas G .; Ху, Кай-Хой; Пакер, Николь Х. (2017). «Глава 51: Гликомика и гликопротеомика». В Варки, Аджит (ред.). Основы гликобиологии (Третье изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. ISBN 9781621821328.
- ^ Аоки-Киношита К.Ф .; Льюиттер, Фрэн (май 2008 г.). Льюиттер, Фрэн (ред.). «Введение в биоинформатику для исследования гликомики» . PLOS Comput. Биол . 4 (5): e1000075. Bibcode : 2008PLSCB ... 4E0075A . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1000075 . PMC 2398734 . PMID 18516240 .
- ^ Шривастава S (май 2008 г.). «Перестаньте протеомику, вот и гликомика» . J. Proteome Res . 7 (5): 1799. DOI : 10.1021 / pr083696k . PMID 18509903 .
- ^ а б Основы гликобиологии (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. 2009. ISBN. 978-087969770-9.
- ^ а б Aizpurua-Olaizola, O .; Тораньо, Х. Састре; Фалькон-Перес, JM; Уильямс, С .; Reichardt, N .; Бунс, Г.-Дж. (2018). «Масс-спектрометрия для открытия гликановых биомаркеров». Тенденции TrAC в аналитической химии . 100 : 7–14. DOI : 10.1016 / j.trac.2017.12.015 .
- ^ новостная статья ucsd Ключ к пониманию болезни - это 68 молекул ? опубликовано 3 сентября 2008 г.
- ^ Рид, CW; Шпагат, СМ; Рид, А.Н. (редактор) (2012). Бактериальные гликомы: современные исследования, технологии и приложения . Caister Academic Press . ISBN 978-1-904455-95-0.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Wada Y, Azadi P, Costello CE и др. (Апрель 2007 г.). «Сравнение методов профилирования гликопротеиновых гликанов - мультиинституциональное исследование HUPO Human Disease Glycomics / Proteome Initiative» . Гликобиология . 17 (4): 411–22. DOI : 10.1093 / glycob / cwl086 . PMID 17223647 .
- ^ Хасэ С., Икенака Т., Мацусима Ю. (ноябрь 1978 г.). «Структурный анализ олигосахаридов путем мечения концевых редуцирующих сахаров флуоресцентным соединением». Biochem. Биофиз. Res. Commun . 85 (1): 257–63. DOI : 10.1016 / S0006-291X (78) 80037-0 . PMID 743278 .
- ^ Пабст М., Коларич Д., Пёлтль Г. и др. (Январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток для олигосахаридов и внедрение нового метода очистки после метки». Анальный. Биохим . 384 (2): 263–73. DOI : 10.1016 / j.ab.2008.09.041 . PMID 18940176 .
- ^ Karlsson, Niclas G .; Джин, Чуншэн; Рохас-Масиас, Мигель А .; Адамчик, Барбара (2017). «О-соединенные гликомики нового поколения» . Тенденции в гликонауке и гликотехнологии . 299 (166): E35 – E46. DOI : 10.4052 / tigg.1602.1E .
- ^ Харви Д. Д., Бейтман Р. Х., Бордоли Р. С., Тилдесли Р. (2000). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, снабженного матричным источником ионов для лазерной десорбции / ионизации». Rapid Commun. Масс-спектрометрия . 14 (22): 2135–42. Bibcode : 2000RCMS ... 14.2135H . DOI : 10.1002 / 1097-0231 (20001130) 14:22 <2135 :: АИД-RCM143> 3.0.CO; 2- # . PMID 11114021 .
- ^ Schulz, BL; Пакер NH, NH; Карлссон, Н.Г. (декабрь 2002 г.). «Мелкомасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Анальный. Chem . 74 (23): 6088–97. DOI : 10.1021 / ac025890a . PMID 12498206 .
- ^ Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (июль 2007 г.). «Масса + время удерживания = структура: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной LC-ESI-MS и ее применение к N-гликанам фибрина». Анальный. Chem . 79 (13): 5051–7. DOI : 10.1021 / ac070363i . PMID 17539604 .
- ^ Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (май 2009 г.). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии с графитированным углем» . Anal Bioanal Chem . 394 (1): 163–74. DOI : 10.1007 / s00216-009-2664-5 . PMID 19247642 . S2CID 43431212 .
- ^ Flowers, SA; Переулок, CS; Карлссон, Н.Г. (11 июля 2019 г.). «Расшифровка изомеров с помощью метода мониторинга множественных реакций для полного детектируемого репертуара O- гликанов кандидата в терапевтические средства, лубрицина». Аналитическая химия . 91 (15): 9819–9827. DOI : 10.1021 / acs.analchem.9b01485 . PMID 31246420 .
- ^ Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухак Л. Р., Лебрилла CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликанов» . J Autoimmun . 57 (6): 1–13. DOI : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .
- ^ Цветы, Сара А.; Али, Лиакат; Пер., Екатерина С .; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (1 апреля 2013 г.). «Мониторинг выбранных реакций для дифференциации и сравнительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных ядер 1O-гликанов из белка MUC7 слюны при ревматоидном артрите» . Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. DOI : 10.1074 / mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . PMC 3617339 . PMID 23457413 .
Внешние ссылки
- glycosciences.de Этот сайт предоставляет базы данных и инструменты биоинформатики для гликобиологии и гликомики.
- GlycomeDB , база метаданных по структуре углеводов
- GlycoBase Веб-ресурс ВЭЖХ / ВЭЖХ, содержащий позиции элюирования, выраженные в единицах глюкозы.
- ProGlycAn Краткое введение в анализ гликанов и номенклатуру N-гликанов
- Эмануал Маверакис; и другие. «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликанов» (PDF) .