гликомика

Гликомика – это комплексное изучение гликомов. ^[1] (весь набор сахаров , как свободных, так и присутствующих в более сложных молекулах организма ), включая генетические , физиологические, патологические и другие аспекты. ^[2]^[3] Гликомика «является систематическим изучением всех гликановых структур данного типа клеток или организма» и является подразделом гликобиологии . ^[4] Термин «гликомика» происходит от химического префикса сладости или сахара «глико-» и был сформирован в соответствии с соглашением о наименовании омиков , установленным геномикой (которая занимается генами ) и протеомикой (которая имеет дело с белками ).

Проблемы

Сложность сахаров: их структура не линейна, а сильно разветвлена. Более того, гликаны могут быть модифицированы (модифицированные сахара), что увеличивает его сложность.
Сложные пути биосинтеза гликанов.
Обычно гликаны обнаруживаются либо связанными с белком ( гликопротеином ), либо конъюгированными с липидами ( гликолипидами ).
В отличие от геномов, гликаны очень динамичны.

Этой области исследований приходится иметь дело с присущим ей уровнем сложности, не встречающимся в других областях прикладной биологии. ^[5] 68 строительных блоков (молекулы ДНК, РНК и белков; категории липидов; типы сахарных связей сахаридов) обеспечивают структурную основу молекулярной хореографии, составляющей всю жизнь клетки. ДНК и РНК состоят из четырех строительных блоков ( нуклеозидов или нуклеотидов ). Липиды делятся на восемь категорий на основе кетоацила и изопрена . В белках их 20 ( аминокислот ). Сахариды имеют 32 типа сахарных связей. ^[6] Хотя эти строительные блоки для белков и генов могут быть присоединены только линейно, для сахаридов они могут быть расположены в разветвленном массиве, что еще больше увеличивает степень сложности.

Добавьте к этому сложность многочисленных белков, участвующих не только в качестве переносчиков углеводов ( гликопротеинов) , но и белков, специфически участвующих в связывании и реакции с углеводами:

, специфичные для углеводов Ферменты , для синтеза, модуляции и расщепления
Лектины , углеводсвязывающие белки всех видов.
Рецепторы , циркулирующие или мембраносвязанные углеводсвязывающие рецепторы.

Важность

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо знать различные и важные функции гликанов. Ниже приведены некоторые из этих функций:

Гликопротеины и гликолипиды, обнаруженные на поверхности клеток, играют решающую роль в распознавании бактерий и вирусов .
Они участвуют в клеточных сигнальных путях и модулируют функции 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 сворачивание белков .
Они влияют на путь и судьбу гликопротеинов .
Существует множество гликаноспецифичных заболеваний, часто наследственных .

Существуют важные медицинские применения аспектов гликомики:

Лектины фракционируют клетки, чтобы избежать реакции «трансплантат против хозяина» при трансплантации гемопоэтических стволовых клеток .
Активация и расширение цитолитических CD8 Т-клеток при лечении рака.

Гликомика особенно важна в микробиологии, поскольку гликаны играют разнообразную роль в физиологии бактерий. ^[7] Исследования в области 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 ферментативно или химически отщепляется от мишени и подвергается анализу. ^[8] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.

N- гликаны гликопротеинов регулярно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обратно-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, в том числе 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, поскольку условия химического высвобождения не позволяют их маркировать. ^[11]

Фракционированные гликаны из приборов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) можно дополнительно проанализировать с помощью MALDI -TOF-MS(MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда пулы гликанов анализируют непосредственно с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных гликановых структур является более сложным или даже не всегда возможным. 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. Выбрав пористый графитовый углерод в качестве неподвижной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже непроизводные гликаны. ионизация электрораспылением ( ESI ). Для этой цели часто используется ^[13]^[14]^[15]

Мониторинг множественных реакций (MRM)

Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, ее высокая чувствительность и линейный отклик в широком динамическом диапазоне делают ее особенно подходящей для исследований и открытий гликановых биомаркеров. MRM выполняется на приборе тройного квадруполя (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного иона-предшественника в первом квадруполе, фрагментированного при столкновении квадруполе и заранее определенного фрагментного иона в третьем квадруполе. Это метод без сканирования, в котором каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение нескольких переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Этот метод используется для характеристики иммунного гликома. ^[16]^[17]^[18]

Таблица 1 : Преимущества и недостатки масс-спектрометрии при анализе гликанов

Преимущества	Недостатки
Применимо для небольших объемов пробы (нижний диапазон фмоль) Полезно для сложных смесей гликанов (генерация дальнейшего измерения анализа). Стороны прикрепления можно анализировать с помощью тандемных экспериментов MS (анализ гликанов, специфичных для сторон). Секвенирование гликанов с помощью тандемных экспериментов МС.	Деструктивный метод. Необходимость правильного планирования эксперимента.

Массивы

Массивы лектинов и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. В этом методе используются либо природные лектины , либо искусственные моноклональные антитела , причем оба они иммобилизуются на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.

Гликановые массивы, подобные предложенным 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 предполагает использование меченных азидом сахаров, которые можно вводить в реакцию с помощью лигирования Штаудингера . 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 являются трудной и сложной областью. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других углеводсвязывающих белков выявила широкое разнообразие структурных основ функции гликомов. Чистота тестируемых образцов была получена с помощью хроматографии ( аффинная хроматография и т. д.) и аналитического электрофореза ( ПААГ (электрофорез полиакриламида) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. д.).

Программное обеспечение и базы данных

Существует несколько онлайн-программ и баз данных, доступных для исследований гликомии. Это включает в себя:

См. также

Ссылки

^ Радд, Полина; Карлссон, Никлас Г.; Ху, Кей-Хуи; Пакер, Николь Х. (2017). «Глава 51: Гликомика и гликопротеомика». В Варки, Аджит (ред.). Основы гликобиологии (Третье изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. ISBN 9781621821328 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Аоки-Киношита К.Ф.; Левиттер, Фрэн (май 2008 г.). Левиттер, Фрэн (ред.). «Введение в биоинформатику для исследований гликомики» . ПЛОС Компьютер. Биол . 4 (5): e1000075. Бибкод : 2008PLSCB...4E0075A . дои : 10.1371/journal.pcbi.1000075 . ПМЦ 2398734 . ПМИД 18516240 .
^ Шривастава С. (май 2008 г.). «Подвиньтесь протеомика, вот и гликомика». J. Протеом Рез . 7 (5): 1799. doi : 10.1021/pr083696k . ПМИД 18509903 .
^ Jump up to: ^а ^б Основы гликобиологии (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. 2009. ISBN 978-087969770-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Айзпуруа-Олайзола, О.; Тораньо, Дж. Састре; Фалькон-Перес, Дж. М.; Уильямс, К.; Райхардт, Н.; Бунс, Г.-Ж. (2018). «Масс-спектрометрия для открытия биомаркеров гликанов». TrAC Тенденции в аналитической химии . 100 : 7–14. дои : 10.1016/j.trac.2017.12.015 . hdl : 1874/364403 .
^ ucsd Новостная статья . Содержат ли 68 молекул ключ к пониманию болезней? опубликовано 3 сентября 2008 г.
^ Рид, Кристофер В. (2012). Бактериальная гликомика: текущие исследования, технологии и приложения . Норфолк, Великобритания: Caister Academic Press . ISBN 978-1-904455-95-0 .
^ Вада И., Азади П., Костелло С.Э. и др. (апрель 2007 г.). «Сравнение методов профилирования гликопротеингликанов - многоинституциональное исследование HUPO Human Disease Glycomics / Proteome Initiative» . Гликобиология . 17 (4): 411–22. дои : 10.1093/гликоб/cwl086 . ПМИД 17223647 .
^ Хасэ С., Икенака Т., Мацусима Ю. (ноябрь 1978 г.). «Анализ структуры олигосахаридов путем мечения редуцирующих концевых сахаров флуоресцентным соединением». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 85 (1): 257–63. дои : 10.1016/S0006-291X(78)80037-0 . ПМИД 743278 .
^ Пабст М., Коларих Д., Пёлтль Г. и др. (январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток олигосахаридов и внедрение нового метода очистки после мечения». Анальный. Биохим . 384 (2): 263–73. дои : 10.1016/j.ab.2008.09.041 . ПМИД 18940176 .
^ Карлссон, Никлас Г.; Цзинь, Чуньшэн; Рохас-Масиас, Мигель А.; Адамчик, Барбара (2017). «О-связанная гликомика следующего поколения» . Тенденции в гликонауке и гликотехнологии . 299 (166): Е35–Е46. дои : 10.4052/tigg.1602.1E .
^ Харви DJ, Бейтман Р.Х., Бордоли Р.С., Тилдесли Р. (2000). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, оснащенного источником ионов с матричной лазерной десорбцией/ионизацией». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 14 (22): 2135–42. Бибкод : 2000RCMS...14.2135H . doi : 10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-# . ПМИД 11114021 .
^ Шульц, БЛ; Пакер Нью-Хэмпшир, Нью-Хэмпшир; Карлссон, Н.Г. (декабрь 2002 г.). «Маломасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Анальный. Хим . 74 (23): 6088–97. дои : 10.1021/ac025890a . ПМИД 12498206 .
^ Пабст М., Бондили Дж.С., Стадлманн Дж., Мах Л., Альтманн Ф. (июль 2007 г.). «Масса плюс время удерживания равно структуре: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной ЖХ-ESI-MS и ее применение к N-гликанам фибрина». Анальный. Хим . 79 (13): 5051–7. дои : 10.1021/ac070363i . ПМИД 17539604 .
^ Рухаак Л.Р., Дилдер А.М., Вюрер М. (май 2009 г.). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии на графитированном угле» . Анальная биоанальная химия . 394 (1): 163–74. дои : 10.1007/s00216-009-2664-5 . ПМИД 19247642 . S2CID 43431212 .
^ Цветы, ЮАР; Лейн, CS; Карлссон, Н.Г. (11 июля 2019 г.). «Расшифровка изомеров с помощью метода мониторинга множественных реакций для полного обнаруживаемого репертуара О -гликанов кандидатного терапевтического средства, лубрицина». Аналитическая химия . 91 (15): 9819–9827. дои : 10.1021/acs.analchem.9b01485 . ПМИД 31246420 . S2CID 195759019 .
^ Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухаак Л.Р., Лебрилла CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами» . Дж. Аутоиммун . 57 (6): 1–13. дои : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . ПМЦ 4340844 . ПМИД 25578468 .
^ Цветы, Сара А.; Али, Лиакат; Лейн, Кэтрин С.; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (01 апреля 2013 г.). «Мониторинг выбранных реакций для дифференциации и относительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных основных 1 O-гликанов из белка MUC7 слюны при ревматоидном артрите» . Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. дои : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . ПМЦ 3617339 . ПМИД 23457413 .

Внешние ссылки

glicosciences.de На этом сайте представлены базы данных и биоинформатические инструменты для гликобиологии и гликомики.
GlycomeDB по структуре углеводов . — база метаданных
GlycoBase Веб-ресурс ВЭЖХ/УЭЖХ, который содержит позиции элюирования, выраженные как значения единиц глюкозы.
ProGlycAn Краткое введение в анализ гликанов и номенклатуру N-гликанов.
Эмануал Маверакис; и др. «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами» (PDF) .
CD BioGlyco Этот сайт предоставляет базу данных и инструменты в области гликомики, от высвобождения, разделения и очистки гликанов, дериватизации гликанов до характеристики и количественного определения гликанов.

[1] Радд, Полина; Карлссон, Никлас Г.; Ху, Кей-Хуи; Пакер, Николь Х. (2017). «Глава 51: Гликомика и гликопротеомика». В Варки, Аджит (ред.). Основы гликобиологии (Третье изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. ISBN 9781621821328 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[pmid18516240-2] Аоки-Киношита К.Ф.; Левиттер, Фрэн (май 2008 г.). Левиттер, Фрэн (ред.). «Введение в биоинформатику для исследований гликомики» . ПЛОС Компьютер. Биол . 4 (5): e1000075. Бибкод : 2008PLSCB...4E0075A . дои : 10.1371/journal.pcbi.1000075 . ПМЦ 2398734 . ПМИД 18516240 .

[pmid18509903-3] Шривастава С. (май 2008 г.). «Подвиньтесь протеомика, вот и гликомика». J. Протеом Рез . 7 (5): 1799. doi : 10.1021/pr083696k . ПМИД 18509903 .

[Cold_Spring_Harbor_Laboratory_Press-4] Jump up to: ^а ^б Основы гликобиологии (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. 2009. ISBN 978-087969770-9 .

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Айзпуруа-Олайзола, О.; Тораньо, Дж. Састре; Фалькон-Перес, Дж. М.; Уильямс, К.; Райхардт, Н.; Бунс, Г.-Ж. (2018). «Масс-спектрометрия для открытия биомаркеров гликанов». TrAC Тенденции в аналитической химии . 100 : 7–14. дои : 10.1016/j.trac.2017.12.015 . hdl : 1874/364403 .

[6] ucsd Новостная статья . Содержат ли 68 молекул ключ к пониманию болезней? опубликовано 3 сентября 2008 г.

[ReidCWTwineSM-7] Рид, Кристофер В. (2012). Бактериальная гликомика: текущие исследования, технологии и приложения . Норфолк, Великобритания: Caister Academic Press . ISBN 978-1-904455-95-0 .

[8] Вада И., Азади П., Костелло С.Э. и др. (апрель 2007 г.). «Сравнение методов профилирования гликопротеингликанов - многоинституциональное исследование HUPO Human Disease Glycomics / Proteome Initiative» . Гликобиология . 17 (4): 411–22. дои : 10.1093/гликоб/cwl086 . ПМИД 17223647 .

[9] Хасэ С., Икенака Т., Мацусима Ю. (ноябрь 1978 г.). «Анализ структуры олигосахаридов путем мечения редуцирующих концевых сахаров флуоресцентным соединением». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 85 (1): 257–63. дои : 10.1016/S0006-291X(78)80037-0 . ПМИД 743278 .

[10] Пабст М., Коларих Д., Пёлтль Г. и др. (январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток олигосахаридов и внедрение нового метода очистки после мечения». Анальный. Биохим . 384 (2): 263–73. дои : 10.1016/j.ab.2008.09.041 . ПМИД 18940176 .

[11] Карлссон, Никлас Г.; Цзинь, Чуньшэн; Рохас-Масиас, Мигель А.; Адамчик, Барбара (2017). «О-связанная гликомика следующего поколения» . Тенденции в гликонауке и гликотехнологии . 299 (166): Е35–Е46. дои : 10.4052/tigg.1602.1E .

[12] Харви DJ, Бейтман Р.Х., Бордоли Р.С., Тилдесли Р. (2000). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, оснащенного источником ионов с матричной лазерной десорбцией/ионизацией». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 14 (22): 2135–42. Бибкод : 2000RCMS...14.2135H . doi : 10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-# . ПМИД 11114021 .

[13] Шульц, БЛ; Пакер Нью-Хэмпшир, Нью-Хэмпшир; Карлссон, Н.Г. (декабрь 2002 г.). «Маломасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Анальный. Хим . 74 (23): 6088–97. дои : 10.1021/ac025890a . ПМИД 12498206 .

[14] Пабст М., Бондили Дж.С., Стадлманн Дж., Мах Л., Альтманн Ф. (июль 2007 г.). «Масса плюс время удерживания равно структуре: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной ЖХ-ESI-MS и ее применение к N-гликанам фибрина». Анальный. Хим . 79 (13): 5051–7. дои : 10.1021/ac070363i . ПМИД 17539604 .

[15] Рухаак Л.Р., Дилдер А.М., Вюрер М. (май 2009 г.). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии на графитированном угле» . Анальная биоанальная химия . 394 (1): 163–74. дои : 10.1007/s00216-009-2664-5 . ПМИД 19247642 . S2CID 43431212 .

[16] Цветы, ЮАР; Лейн, CS; Карлссон, Н.Г. (11 июля 2019 г.). «Расшифровка изомеров с помощью метода мониторинга множественных реакций для полного обнаруживаемого репертуара О -гликанов кандидатного терапевтического средства, лубрицина». Аналитическая химия . 91 (15): 9819–9827. дои : 10.1021/acs.analchem.9b01485 . ПМИД 31246420 . S2CID 195759019 .

[immune_glycan-17] Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухаак Л.Р., Лебрилла CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами» . Дж. Аутоиммун . 57 (6): 1–13. дои : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . ПМЦ 4340844 . ПМИД 25578468 .

[18] Цветы, Сара А.; Али, Лиакат; Лейн, Кэтрин С.; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (01 апреля 2013 г.). «Мониторинг выбранных реакций для дифференциации и относительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных основных 1 O-гликанов из белка MUC7 слюны при ревматоидном артрите» . Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. дои : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . ПМЦ 3617339 . ПМИД 23457413 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

v т и Геномика
Поля	Когнитивная геномика Вычислительная геномика Сравнительная геномика Функциональная геномика Геномный проект Проект «Геном человека» Метагеномика Проект микробиома человека Пангеномика Персональная геномика Популяционная геномика Социальная геномика Структурная геномика
Биоинформатика	Биочип Хеминформатика Хемогеномика Коннектомика Проект человеческого коннектома Эпигеномика Проект эпигенома человека гликомика Иммуномика Липидомика Метаболомика Микробиомика Нутригеномика Палеополиплоидия Фармакогенетика Фармакогеномика Системная биология Токсикогеномика Транскриптомика
Структурная биология	Протеомика Проект протеома человека Протеомика карты вызовов Структурно-ориентированный дизайн лекарств Экспрессионная протеомика
Инструменты исследования	2-D электрофорез Масс-спектрометр Ионизация электрораспылением Лазерная десорбция ионизация с помощью матрицы Матрично-активированная лазерная десорбция ионизационно-времяпролетный масс-спектрометр Микрофлюидные инструменты Метки изотопного сродства Захват конформации хромосомы
Организации	Банк данных ДНК Японии (JP) Европейская лаборатория молекулярной биологии (ЕС) Национальные институты здравоохранения (США) Wellcome Sanger Institute (Великобритания)
Список Категория