Glikomika

A glikomika a glikom (a szervezet akár szabadon, akár komplex molekulákba kötve megtalálható valamennyi cukrainak összessége) átfogó, annak genetikai, fiziológiai, patologikus és egyéb aspektusaira is kitérő vizsgálata.^[1]^[2] A glikomika, a genomikával és a proteomikával analóg módon az adott sejttípus vagy szervezet valamennyi glikánstruktúrájának szisztematikus vizsgálata, a glikobiológia altudománya.^[3]

A „szénhidrát”, a „glikán”, a „szacharid” és a „cukor” ebben a kontextusban általános értelemben használatos kifejezések, és közéjük sorolódnak a monoszacharidok, oligoszacharidok, poliszacharidok és ezen vegyületek származékai. A szénhidrátok a szén hidrátjaiból állnak, összegképletük [CH₂O]_n. A monoszacharidok olyan szénhidrátok, melyek nem hidrolizálhatók egyszerűbb szénhidrátokká; ezek az alkotóelemei az oligoszacharidoknak és a poliszacharidoknak. Az oligoszacharidok néhány, glikozidos kötéssel összekapcsolt, lineárisan sorakozó vagy elágazó láncú monoszacharidból állnak; a monoszacharid egységek száma általában 3-9. A poliszacharidok ismétlődő monoszacharid egységekből álló glikánok, az egységek száma általában a tízet meghaladja.^[4]

Kihívások

A cukrok komplexitása: szerkezetüket tekintve, a cukrok nem lineárisak, hanem nagymértékben elágazóak. Ráadásul, a glikánok módosíthatók is (módosított cukrok), ami szintén növeli komplexitásukat.
A glikánok komplex bioszintetikus útvonalakban vesznek részt.
Általában a glikánok vagy fehérjéhez kötve (glikoproteinek) vagy lipidekkel való konjugációban (glikolipidek) találhatók meg.
A genomoktól eltérően, a glikom nagymértékben dinamikus rendszer.

A glikomika kutatási területén a rendszerbiológusoknak nagyobb komplexitással kell szembenézniük, mint az alkalmazott biológia más részein. 68 építőelem (DNS-, RNS- és fehérjemolekulák, különböző kategóriájú lipidek, szacharidok különböző összekötési módjai) adja egy sejt teljes életét meghatározó molekuláris koreográfia strukturális alapjait. Ebből a DNS és az RNS négy építőelemmel szerepel (a nukleozidok vagy nukleotidok). A lipidek nyolc kategóriába oszthatók, a ketoacilre és az izoprénre visszavezethetően. A fehérjék 20 aminosavból épülnek fel. A szacharidok 32 fajta összekötési lehetőséggel (glikozidos kötéssel) rendelkeznek.^[5] Bár ezek az építőelemek csak lineárisan kapcsolódhatnak fehérjékhez és génekhez, szacharidok elágazó tömbjébe rendezhetők el, a komplexitást tovább növelve.

A bonyolultságot növelő tényező még a szóba jövő fehérjék nagyon száma, melyek közül nem csak a szénhidrátok hordozói (a glikoproteinek) érdekesek, hanem a specifikusan szénhidrátokhoz kapcsolódó és velük való reakcióba lépő fehérjék is:

Szénhidrát-specifikus enzimek, melyek a szénhidrátok szintézisét, módosítását és lebontását végzik;
Lektinek, mindenféle szénhidráthoz kötődő fehérjék;
Receptorok, szabadon cirkuláló vagy sejthártyához között, szénhidrát-kötő receptorok.

Fontossága

A glikánok fontosságának megértéséhez egy nem teljes lista azok funkcióiról:

A sejtfelszínen megtalálható glikoproteinek kritikus szerepet játszanak a bakteriális és virális antigén-felismerésben.
Szerepet játszanak a sejt jelátviteli útjaiban és a sejtfunkció modulációjában.
Fontosak a veleszületett immunitásban.
Meghatározzák a rák kifejlődését.
Levezénylik a sejt sorsát, gátolják a sejt növekedését, szabályozzák a keringést és inváziót.
Befolyásolják a fehérjék stabilitását és felgombolyodását.
A glikoproteinek útvonalait és sorsát befolyásolják.
Számos glikánspecifikus betegség létezik, melyek gyakran örökletesek.

A glikomika aspektusainak fontos orvosi alkalmazásai:

a lektinek frakcionálják a sejteket, hogy vérképző őssejtek átültetésénél elkerüljék az átültetett szövet immunreakcióját (graft-versus-host betegség).
rákkezelés során a citolitikus hatású CD8 T-sejtek aktiválása és terjesztése.

A glikomika különösen fontos a mikrobiológia területén, mivel a glikánok sokféle szerepet játszanak a baktériumok fiziológiájában.^[6] A bakteriális glikomika áttörést hozhat a következő területeken:

új gyógyszerek
bioaktív glikánok
glikokonjugát vakcinák.

Eszközkészlete

A glikánok analízisében leggyakrabban alkalmazott technikák közé tartozik a nagy felbontóképességű tömegspektrometria (MS) és a nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC).^[3] Ezen módszereknél a glikánrészt enzimatikus módon vagy kémiailag leválasztják a célpontról, mielőtt analízisnek vetik alá.^[7] A glikolipideket a lipidkomponens leválasztása nélkül, közvetlenül is lehet vizsgálni.

A glikoproteinekből származó N- és O-glikánok rutinszerű vizsgálata úgy történik, hogy először a cukrok redukáló végét flureszcens komponenssel jelölik meg (reduktív címkézés), majd fordított fázisú, normál fázisú vagy ioncserés HPLC-vel analizálják azokat.^[8] Az elmúlt években számos címkeváltozat jelent meg, köztük a 2-aminobenzamid (AB), az antranilsav (AA), a 2-aminopiridin (PA), a 2-aminoakridon (AMAC) és a 3-(acetilamino)-6-aminoakridin (AA-Ac).^[9]

A HPLC-eszközökből származó frakcionált glikánok további analízise lehetséges MALDI-TOF-MS(MS) módszerekkel, hogy további információt nyerjenek azok struktúrájáról és tisztaságáról. Néha a glikán-poolok előzetes frakcionálás nélkül, közvetlenül analizálhatók a tömegspektrográfia módszereivel, bár ilyenkor nehéz, vagy nem is mindig lehetséges az izobár (azonos molekulatömegű) glikánszerkezetek megkülönböztetése. Mindenesetre a közvetlen MALDI-TOF-MS analízissel el lehet érni a glikán-pool gyors és egyszerű illusztrációját.^[10]

Az elmúlt években megnött az online tömegspektrometriás megoldásokhoz csatolt HPLC eszközök népszerűsége. A folyadékkromatográfia álló fázisának porózus grafitszenet választva még a nem derivatizált glikánok is analizálhatók. A vizsgálat tömegspektrometriával történik, de MALDI-MS helyett elektrospray ionizációs (ESI) interfésszel (PGC-LC-ESI-MS vagy PGCC-MS).^[11]^[12]

1. táblázat: A tömegspektrometria előnyei és hátrányai a glikánok analízisében

Előnyök	Hátrányok
Kis mennyiségű minta is elengedő (alacsonyabb fmol-értékek) Komplex glikánkeverékekre is megfelelő (további analízis-dimenziót hoz be). A csatolási oldalak analizálhatók tandem-MS kísérletekkel (oldalspecifikus glikánanalízis). Glikánszekvenálás tandem tömegspektrometriás kísérletekkel.	Destruktív módszer. Jól átgondolt, felépített kísérletet igényel.

Biocsipek

Az antitest/lektin szendvics biocsipek (antibody-lectin sandwich array, ALSA) a glikánokat tartalmazó sokfajta minta nagy átbocsátó képességű vizsgálatát teszik lehetővé. A módszer természetben előforduló lektineket vagy mesterséges, monoklonális antitesteket használ, melyeket vagy egy adott csipen immobilizálva, fluoreszcens glikoprotein mintával inkubálják.

A glikán-biocsipek, amiket a Consortium for Functional Glycomics is ajánl, olyan szénhidrátokat tartalmaznak, melyekkel a lektinek vagy antitestek tesztelhetők, hogy meghatározzák azok szénhidrát-specifikusságát és azonosítsák a ligandumaikat.

A glikánok metabolikus és kovalens címkézése

A glikánok metabolikus megjelölése felhasználható a glikánstruktúrák detektálására is. Egy jól ismert módszer szerint aziddal (N₃⁻) jelölt cukrokat reagáltatnak Staudinger-ligáció útján. Ezt a stratégiát a glikánok in vitro és in vivo meghatározása során is felhasználták.

Glikoprotein-eszközök

A komplex glikálnok röntgenkrisztallográfiával és fehérje-NMR spektroszkópiával történő teljes strukturális analízise nehéz és komplex tudományterület. Azonban a különböző lektinek, enzimek és más szénhidrádhoz kötődő fehérjék kötődési helyeinek struktúrája felfedte a glikom funkcióinak széles körű strukturális alapjait. A tesztminták tisztaságát kromatográfiával (affinitáskromatográfia stb.) és analitikai elektroforézissel (poliakril-amid elektroforézis, kapilláris-elektroforézis, affinitás-elektroforézis stb.) érték el.

Kapcsolódó szócikkek

Jegyzetek

↑ Aoki-Kinoshita KF (2008. május 1.). „An Introduction to Bioinformatics for Glycomics Research”. PLoS Comput. Biol. 4 (5), e1000075. o. [2015. január 11-i dátummal az eredetiből archiválva]. DOI:10.1371/journal.pcbi.1000075. PMID 18516240. PMC 2398734. (Hozzáférés: 2014. április 27.)
↑ Srivastava S (2008. május 1.). „Move over proteomics, here comes glycomics”. J. Proteome Res. 7 (5), 1799. o. DOI:10.1021/pr083696k. PMID 18509903.
↑ ^a ^b Essentials of Glycobiology, 2nd, Cold Spring Harbor Laboratory Press (2009). ISBN 978-087969770-9
↑ Essentials of Glycobiology
↑ ucsd news article Do 68 Molecules Hold the Key to Understanding Disease? published September 3, 2008
↑ Reid, CW; Twine, SM; Reid, AN (editor). Bacterial Glycomics: Current Research, Technology and Applications. Caister Academic Press (2012). ISBN 978-1-904455-95-0
↑ Wada Y, Azadi P, Costello CE, et al. (2007. április 1.). „Comparison of the methods for profiling glycoprotein glycans—HUPO Human Disease Glycomics/Proteome Initiative multi-institutional study”. Glycobiology 17 (4), 411–22. o. DOI:10.1093/glycob/cwl086. PMID 17223647.
↑ Hase S, Ikenaka T, Matsushima Y (1978. november 1.). „Structure analyses of oligosaccharides by tagging of the reducing end sugars with a fluorescent compound”. Biochem. Biophys. Res. Commun. 85 (1), 257–63. o. DOI:10.1016/S0006-291X(78)80037-0. PMID 743278.
↑ Pabst M, Kolarich D, Pöltl G, et al. (2009. január 1.). „Comparison of fluorescent labels for oligosaccharides and introduction of a new postlabeling purification method”. Anal. Biochem. 384 (2), 263–73. o. DOI:10.1016/j.ab.2008.09.041. PMID 18940176.
↑ Harvey DJ, Bateman RH, Bordoli RS, Tyldesley R (2000). „Ionisation and fragmentation of complex glycans with a quadrupole time-of-flight mass spectrometer fitted with a matrix-assisted laser desorption/ionisation ion source”. Rapid Commun. Mass Spectrom. 14 (22), 2135–42. o. DOI:<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-# 10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-#. PMID 11114021.
↑ Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (2007. július 1.). „Mass retention time = structure: a strategy for the analysis of N-glycans by carbon LC-ESI-MS and its application to fibrin N-glycans”. Anal. Chem. 79 (13), 5051–7. o. DOI:10.1021/ac070363i. PMID 17539604.
↑ Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (2009. május 1.). „Oligosaccharide analysis by graphitized carbon liquid chromatography-mass spectrometry”. Anal Bioanal Chem 394 (1), 163–74. o. DOI:10.1007/s00216-009-2664-5. PMID 19247642.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Glycomics című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk

Glycomics - Glycan Recognizing Proteins
List of Glycomics web sites Archiválva 2017. április 29-i dátummal a Wayback Machine-ben
Glycomics Portal at CCRC, Software for glycomics
Functional Glycomics Gateway, a collaboration between the Consortium for Functional Glycomics and Nature Publishing Group
glycosciences.de This site provides databases and bioinformatics tools for glycobiology and glycomics.
GlycomeDB, A carbohydrate structure metadatabase
EuroCarbDB^{[halott link]}
GlycoBase A web HPLC/UPLC resource that contains elution positions expressed as glucose unit values.
ProGlycAn A short introduction to glycan analysis and a nomenclature for N-Glycans

[pmid18516240-1] Aoki-Kinoshita KF (2008. május 1.). „An Introduction to Bioinformatics for Glycomics Research”. PLoS Comput. Biol. 4 (5), e1000075. o. [2015. január 11-i dátummal az eredetiből archiválva]. DOI:10.1371/journal.pcbi.1000075. PMID 18516240. PMC 2398734. (Hozzáférés: 2014. április 27.)

[pmid18509903-2] Srivastava S (2008. május 1.). „Move over proteomics, here comes glycomics”. J. Proteome Res. 7 (5), 1799. o. DOI:10.1021/pr083696k. PMID 18509903.

[Cold_Spring_Harbor_Laboratory_Press-3] Essentials of Glycobiology, 2nd, Cold Spring Harbor Laboratory Press (2009). ISBN 978-087969770-9

[4] Essentials of Glycobiology

[5] ucsd news article Do 68 Molecules Hold the Key to Understanding Disease? published September 3, 2008

[ReidCWTwineSM-6] Reid, CW; Twine, SM; Reid, AN (editor). Bacterial Glycomics: Current Research, Technology and Applications. Caister Academic Press (2012). ISBN 978-1-904455-95-0

[7] Wada Y, Azadi P, Costello CE, et al. (2007. április 1.). „Comparison of the methods for profiling glycoprotein glycans—HUPO Human Disease Glycomics/Proteome Initiative multi-institutional study”. Glycobiology 17 (4), 411–22. o. DOI:10.1093/glycob/cwl086. PMID 17223647.

[8] Hase S, Ikenaka T, Matsushima Y (1978. november 1.). „Structure analyses of oligosaccharides by tagging of the reducing end sugars with a fluorescent compound”. Biochem. Biophys. Res. Commun. 85 (1), 257–63. o. DOI:10.1016/S0006-291X(78)80037-0. PMID 743278.

[9] Pabst M, Kolarich D, Pöltl G, et al. (2009. január 1.). „Comparison of fluorescent labels for oligosaccharides and introduction of a new postlabeling purification method”. Anal. Biochem. 384 (2), 263–73. o. DOI:10.1016/j.ab.2008.09.041. PMID 18940176.

[10] Harvey DJ, Bateman RH, Bordoli RS, Tyldesley R (2000). „Ionisation and fragmentation of complex glycans with a quadrupole time-of-flight mass spectrometer fitted with a matrix-assisted laser desorption/ionisation ion source”. Rapid Commun. Mass Spectrom. 14 (22), 2135–42. o. DOI:<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-# 10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-#. PMID 11114021.

[11] Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (2007. július 1.). „Mass retention time = structure: a strategy for the analysis of N-glycans by carbon LC-ESI-MS and its application to fibrin N-glycans”. Anal. Chem. 79 (13), 5051–7. o. DOI:10.1021/ac070363i. PMID 17539604.

[12] Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (2009. május 1.). „Oligosaccharide analysis by graphitized carbon liquid chromatography-mass spectrometry”. Anal Bioanal Chem 394 (1), 163–74. o. DOI:10.1007/s00216-009-2664-5. PMID 19247642.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]