Con người Glycome là gì? Làm thế nào các nhà khoa học mở khóa mã đường

Khi bạn nghĩ về đường, có lẽ bạn nghĩ đến đường ngọt, trắng, tinh thể mà bạn sử dụng để làm bánh quy hoặc làm ngọt cà phê của bạn. Nhưng bạn có biết rằng trong cơ thể chúng ta, các phân tử đường đơn giản có thể được kết nối với nhau để tạo ra các cấu trúc mạnh mẽ gần đây đã được tìm thấy có liên quan đến các vấn đề sức khỏe, bao gồm ung thư, lão hóa và các bệnh tự miễn.

Những chuỗi đường dài bao phủ từng tế bào của chúng ta được gọi là glycans, và theo Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, việc tạo ra một bản đồ về vị trí và cấu trúc của chúng sẽ đưa chúng ta vào một kỷ nguyên mới của y học hiện đại. Điều này là do glycome của con người - toàn bộ bộ sưu tập đường trong cơ thể chúng ta - chứa những glycans chưa được phát hiện có khả năng hỗ trợ các bác sĩ chẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân của họ.

Nhờ sự chú ý trên toàn thế giới thu được từ việc hoàn thành Dự án bộ gen người năm 2003, hầu hết mọi người đã nghe về DNA, bộ gen và thậm chí cả protein - nghiên cứu về protein. Nhưng nghiên cứu về glycans, còn được gọi là glycomics, chậm hơn khoảng 20 năm so với các lĩnh vực khác. Một lý do cho sự chậm trễ này là các nhà khoa học đã không phát triển các công cụ để nhanh chóng xác định cấu trúc glycan và các trang web đính kèm của chúng trên các tế bào con người. Chiếc áo đường của người Cameron đã có phần bí ẩn.

Cho đến bây giờ, đó là.

Trong khi hầu hết các phòng thí nghiệm tập trung vào nghiên cứu tế bào hoặc phân tử, phòng thí nghiệm của chúng tôi dành riêng cho việc phát triển công nghệ để nhanh chóng mô tả cấu trúc glycan và các vị trí đính kèm của chúng. Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là lập danh mục hàng trăm ngàn loại đường và vị trí của chúng trên các loại tế bào khác nhau và sau đó sử dụng thông tin này để điều chỉnh các liệu pháp y tế cho từng cá nhân.

Bạn cũng có thể thích video này từ Nghịch đảo:

Tại sao chúng ta quan tâm đến Glycans?

Trong tương lai, có khả năng phân tích một glycans cá nhân sẽ được sử dụng để dự đoán nguy cơ phát triển các bệnh như viêm khớp dạng thấp, ung thư hoặc thậm chí dị ứng thực phẩm. Điều này là do sự thay đổi glycome có thể được liên kết cụ thể với các trạng thái bệnh cụ thể. Ngoài ra, các quá trình sinh học như lão hóa có liên quan đến viêm trong glycome của chúng tôi. Nó vẫn còn phải được kiểm tra nếu đảo ngược những thay đổi này có thể giúp ngăn ngừa bệnh tật, hoặc thậm chí làm chậm lão hóa - một khả năng hấp dẫn.

Cùng với DNA, protein và chất béo, glycans là một trong bốn đại phân tử chính cần thiết cho sự sống. Trong số bốn, glycans là trọng tài cuối cùng về cách các tế bào của chúng ta hoạt động.

DNA phối hợp những gì chúng ta trông giống như, khả năng suy nghĩ và hành xử của chúng ta và thậm chí xác định các bệnh mà chúng ta dễ mắc phải nhất. Trong DNA của chúng tôi là các đoạn ngắn, gen, thường chứa các hướng dẫn về cách tổng hợp protein. Đến lượt mình, các protein là những con ngựa làm việc của tế bào, thực hiện nhiều chức năng cần thiết cho cuộc sống.

Tuy nhiên, làm thế nào một protein hoạt động thường phụ thuộc vào glycans được gắn vào nó. Nói cách khác, các phân tử đường này có thể ảnh hưởng lớn đến cách thức protein của chúng ta hoạt động và thậm chí cách các tế bào của chúng ta sẽ phản ứng với các kích thích. Ví dụ: nếu bạn thay đổi một vài glycans ở bên ngoài một tế bào, nó có thể kích hoạt tế bào đó di chuyển đến một vị trí khác trong cơ thể chúng ta.

Công việc chính của glycans là sửa đổi các protein và chất béo nằm trên bề mặt tế bào của chúng ta. Cùng nhau, họ tạo ra một lớp lông dày xung quanh tế bào. Nếu chúng ta coi bề mặt của tế bào là đất, thì glycans sẽ là loại thực vật và tán lá đa dạng tuyệt vời mọc lên và mang lại màu sắc và bản sắc cho tế bào. Trên thực tế, nếu bạn có thể nhìn thấy một tế bào bằng mắt thường, nó sẽ trông rất mờ. Hình ảnh một quả đào với fuzz gấp 10 lần.

Glycans gắn nhãn cho các tế bào của chính chúng ta và xác định chúng là bản thân

Các fuzz xung quanh một tế bào là áo glycan của nó. Ở bên ngoài các tế bào của chúng ta, glycans là điểm tiếp xúc đầu tiên cho hầu hết các tương tác của tế bào và do đó ảnh hưởng đến cách các tế bào của chúng ta giao tiếp với nhau. Bạn cũng có thể nghĩ về glycans như một mã vạch di động duy nhất của tế bào. Do đó, một tế bào thận, fuzz fuzz sẽ trông khác với một fuzz tế bào miễn dịch. Nhưng cũng có những điểm tương đồng. Trên thực tế, các tế bào miễn dịch khảo sát cơ thể chúng ta đang tìm kiếm mầm bệnh biết rằng không tấn công các tế bào Tự Tự của chúng ta vì các tính năng phổ biến trong mã vạch glycan, được chia sẻ bởi tất cả các tế bào trong cơ thể chúng ta.

Ngược lại, vi khuẩn và ký sinh trùng như sốt rét có lớp vỏ đường khác nhau mà không thấy trên tế bào người. Khi các loại đường của vi khuẩn được gắn thẻ là nước ngoài, thì một hệ thống miễn dịch của người Hồi giáo nhắm vào vi khuẩn để tiêu diệt. Tuy nhiên, một số mầm bệnh vi khuẩn có hại như streptococcus nhóm B, thường gây nhiễm trùng nặng ở trẻ sơ sinh, có thể tránh phát hiện miễn dịch bằng cách mạo danh tế bào người bằng cách mang glycans tương tự như một con ngụy trang - như con sói mặc áo da cừu.

Thật không may, một số mầm bệnh cũng có thể sử dụng glycans của chúng tôi để giúp chúng gây bệnh. Các loại virus chết người như HIV và Ebola đã tiến hóa để nắm giữ các glycans cụ thể mà sau đó chúng khóa lại khi chúng lây nhiễm vào tế bào người. Các liệu pháp ngăn chặn các virus này tương tác với glycans của chúng tôi hoặc tấn công glycans dành riêng cho virus có thể là một con đường mới để điều trị các bệnh nhiễm trùng này.

Nghiên cứu mới cũng chỉ ra rằng glycans đóng vai trò rất lớn trong việc phát triển các bệnh tự miễn dịch như viêm khớp dạng thấp và viêm tụy tự miễn. Điều này không đáng ngạc nhiên vì glycans ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng của các tế bào miễn dịch.

Thông thường, các tế bào miễn dịch của chúng ta hoạt động như hệ thống phòng thủ cơ thể của chúng tôi, và xác định và tiêu diệt những kẻ xâm lược nước ngoài như vi khuẩn hoặc vi rút có hại. Nhưng khi cơ thể nhầm nhãn các tế bào của chúng ta là kẻ thù và khởi động một cuộc tấn công nội bộ vào chính nó, tự miễn dịch được sinh ra. Thật thú vị, trong những trường hợp như vậy, chính glycans có trên các kháng thể tự tấn công sai sẽ quyết định sức mạnh của cuộc tấn công vào cơ thể. Phản ứng miễn dịch bất thường này thậm chí có thể được chống lại glycans. Ví dụ, hệ thống miễn dịch có thể nhầm lẫn glycans tự vệ như thể chúng là các phân tử của nước ngoài. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi gần đây đã xuất bản một bài báo giới thiệu lý thuyết tự miễn dịch glycan, trong đó giải thích một số mối quan hệ này.

Glycans trong thực phẩm của chúng tôi có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch

Đã có nhiều nghiên cứu liên kết tiêu thụ thịt đỏ với các bệnh như xơ vữa động mạch và tiểu đường, nhưng họ không thể chỉ ra lý do tại sao hoặc làm thế nào điều này xảy ra cho đến gần đây. Một nghiên cứu hấp dẫn cho thấy thủ phạm là một loại đường có tên khó sử dụng, axit N-glycolylneuraminic phi nhân tạo hay viết tắt là Neu5Gc. Neu5Gc được tìm thấy ở tất cả các động vật có vú trừ con người, bởi vì những người đầu tiên có thể khiến Neu5Gc chết vì một loại ký sinh trùng sốt rét cổ đại.

Tuy nhiên, mặc dù hiện tại chúng ta thiếu khả năng sản xuất Neu5Gc, cơ thể chúng ta vẫn có khả năng kết hợp nó vào glycans trên các tế bào của chúng ta nếu chúng ta có được nó bằng cách ăn thịt đỏ. Khi nó trở thành một phần của các tế bào của chúng ta, lớp phủ glycan của chúng ta, các tế bào của chúng ta sau đó có một chất ngoại lai khác - Neu5Gc - bao quanh chúng. Điều này có thể kích hoạt tình trạng viêm khắp cơ thể vì hệ thống miễn dịch của chúng ta nhận ra Neu5Gc là người nước ngoài và tấn công nó. Tình trạng viêm mãn tính gây ra bởi các cuộc tấn công nội bộ này có thể dẫn đến đau tim, đột quỵ và thậm chí là ung thư.

Cơ thể chúng ta tổng hợp hàng chục ngàn glycans độc đáo, thường có cấu trúc phân nhánh được hình thành từ các khối xây dựng đường đơn giản. Protein hoặc chất béo cũng có thể được sửa đổi bởi hàng tá glycans độc đáo. Vô số kết hợp này làm cho việc lập bản đồ glycans trở thành một nhiệm vụ khó khăn vì chúng ta cần một cách thực tế và hiệu quả để phân tích hàng trăm ngàn mẫu glycan.

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi hiện đã phát triển các phương pháp để theo dõi nhanh chóng và mạnh mẽ glycome của con người. Bằng cách tận dụng các tiến bộ kỹ thuật và cải tiến trong xử lý mẫu, kỹ thuật của chúng tôi có thể theo dõi hàng ngàn glycans cùng một lúc, cho phép chúng tôi mô tả glycans trong các tế bào từ các kiểm soát khỏe mạnh và bệnh nhân mắc nhiều loại bệnh khác nhau. Mục tiêu của chúng tôi là sử dụng dữ liệu này để phát triển các mô hình dự đoán để giúp các bác sĩ lâm sàng chẩn đoán và điều trị tất cả các bệnh ở người. Chúng tôi tin rằng một làn sóng tiến bộ y tế mới sẽ đến khi chúng tôi mở khóa mã đường.

Jenny Wang là đồng tác giả chính của bài viết này.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla và Jenny Wang. Đọc văn bản gôc ở đây.