Net als de mensen waaruit ze bestaan, communiceren cellen door tegen elkaar aan te botsen en handdrukken uit te wisselen. In tegenstelling tot mensen voeren cellen deze handdrukken uit met behulp van de uiteenlopende reeks suikermoleculen die hun oppervlak bedekken als bomen die een landschap bedekken. Handdrukken tussen deze suikermoleculen, of glycanen, zorgen ervoor dat cellen op specifieke manieren op elkaar reageren, zoals ontsnappen, negeren of vernietigen.

Het uitzoeken van de ‘lichaamstaal’ van glycanen tijdens deze handdrukken kan aanwijzingen opleveren over hoe kankers, infecties en immuunsystemen werken, evenals oplossingen voor de gezondheids- en duurzaamheidsuitdagingen waarmee de samenleving vandaag de dag wordt geconfronteerd.

Wat zijn glycanen?

Elk glycaanmolecuul bestaat uit een netwerk van individuele suikermoleculen die aan elkaar zijn gebonden. Het enorme aantal mogelijke glycaanstructuren dat kan worden opgebouwd door deze suikermoleculen met elkaar te verbinden, zorgt ervoor dat glycanen rijke informatie kunnen opslaan.

Omdat alle levende cellen bedekt zijn met suikers, fungeren glycanen als identiteitskaarten voor cellen. Ze tonen de identiteit van de cel, zoals of het een bacterie of een menselijke cel is, en de staat ervan, bijvoorbeeld of de cel gezond is of kanker, aan de rest van het lichaam en zorgen ervoor dat andere cellen de cel kunnen herkennen en erop kunnen reageren. Dankzij deze identificatiesignalen kunnen onze immuuncellen bijvoorbeeld schadelijke bacteriën en kankercellen herkennen en opruimen, terwijl gezonde cellen met rust worden gelaten.

Een voorbeeld van hoe in glycanen opgeslagen informatie belangrijk is voor het dagelijks leven is uw bloedgroep. Glycanen zijn chemisch gebonden aan eiwitten en lipiden op het oppervlak van rode bloedcellen. Met name het oppervlak van rode bloedcellen van type A heeft glycanen die verschillen van de glycanen op het oppervlak van rode bloedcellen van type B en type O. Weten welke bloedgroep u heeft, is belangrijk om een ​​ongewenste immuunreactie tijdens bloedtransfusies te voorkomen.

Eiwitten versierd met glycanen, of glycoproteïnen, en lipiden versierd met glycanen, of glycolipiden, zijn alomtegenwoordig van aard.

Kenmerkende glycoproteïnen bedekken bijvoorbeeld het oppervlak van de virussen die COVID-19, HIV en H1N1-griep veroorzaken en helpen hen cellen te infecteren. Glycolipiden omhullen ook veel bacteriën, waardoor ze zich aan hun gastheren kunnen hechten en ze kunnen beschermen tegen virussen en immuuncellen.

Meer recent ontdekten onderzoekers stukjes genetisch materiaal versierd met glycanen op de oppervlakken van zoogdiercellen, waardoor het al lang bestaande idee werd betwist dat genetisch materiaal alleen in de kern van cellen kon worden gevonden en onderzoek werd gelanceerd om de functies van deze glycanen te bepalen. Uit een recent onderzoek is gebleken dat deze moleculen essentieel zijn bij het aantrekken van immuuncellen naar geïnfecteerde of beschadigde weefsels.

Hoe lezen cellen glycanen?

Naast de rijke biologische informatie in glycanen, maken hun gemakkelijk toegankelijke locaties op celoppervlakken ze zeer aantrekkelijke doelwitten in wetenschappelijk onderzoek en de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Cellen detecteren glycanen op de oppervlakken van andere cellen door onder meer eiwitten te gebruiken die lectines worden genoemd. Elke lectine heeft een uniek gebied waardoor het zich kan binden aan glycanen met een specifieke bijpassende sequentie, waardoor complexe signalen worden geactiveerd die tot een biologische actie leiden.

Een subfamilie van lectines, genaamd C-type lectines, is bijvoorbeeld in staat de specifieke glycanen op de buitenmuren van schadelijke virussen, schimmels en bacteriën te herkennen. Deze lectines worden aangetroffen op oppervlakken van bepaalde immuuncellen en leveren de glycanen af ​​aan eiwitten op andere immuuncellen die nu selectief alle virussen of cellen kunnen vernietigen die dat glycaan dragen. Door dit proces kan het immuunsysteem het lichaam ontdoen van schadelijke ziekteverwekkers. Deze lectines herkennen bijvoorbeeld glycanen op de oppervlakken van kankercellen en sturen andere immuuncellen aan om deze kankercellen te elimineren.

Een ander type lectine, siglecs genaamd, wordt aangetroffen op het oppervlak van immuuncellen en helpt hen zichzelf van niet-zelf te onderscheiden, dat wil zeggen tussen de cellen waaruit het lichaam bestaat en de cellen die vreemd zijn aan het lichaam. Omdat siglecs betrokken zijn bij het controleren van de manier waarop het immuunsysteem reageert op veel vormen van kanker, allergieën, auto-immuunziekten en neurodegeneratie, bieden ze de mogelijkheid om deze aandoeningen te behandelen.

Het vroege succes van geneesmiddelen op basis van glycanen wordt geïllustreerd door het Prevnar-vaccin van Pfizer ter voorkoming van bacteriële longontsteking, dat in 2010 door de Food and Drug Administration werd goedgekeurd. Prevnar bevat glycanen van verschillende stammen van Streptococcus pneumoniae, de belangrijkste oorzaak van bacteriële longontsteking bij kinderen en volwassenen. volwassenen. De bacteriële glycanen in het vaccin veroorzaken een immuunreactie wanneer immuuncellen de glycanen als vreemde bedreigingen herkennen. Zodra immuuncellen leren hoe ze de dreiging kunnen neutraliseren, wordt het lichaam immuun voor toekomstige invasies door bacteriën met dezelfde glycanen.

Elk suikermolecuul onderzoeken

Omdat wetenschappers nog steeds niet in staat zijn alle biologische informatie uit glycanen te extraheren, is hun volledige potentieel als behandeling onbenut gebleven. Het volledig extraheren van alle informatie die is opgeslagen in glycanen is erg moeilijk omdat er momenteel geen technologie is die in staat is om de complexe en diverse structuren van glycanen te analyseren. Onderzoekers weten nog steeds niet hoe deze ‘suikercodes’ eruitzien en hoe ze functioneren.

Individuele glycanen zijn samengesteld uit suikermoleculen in unieke arrangementen, maar de huidige analytische hulpmiddelen kunnen slechts vele glycanen tegelijkertijd analyseren. Om te zien waarom dit een probleem is voor analyse, moeten we alle glycanen in een cel voorstellen als snoepjes in een pot. Sommige hebben dezelfde kleuren, andere niet. Het zou moeilijk zijn om de kleur van elk snoepje in de pot te identificeren en te kwantificeren als je niet in staat bent om ze uit te schenken en ze individueel te sorteren.

Mijn laboratorium gaat deze uitdaging aan door beeldtechnologie te ontwikkelen die de structuur van glycanen kan analyseren door elk afzonderlijk molecuul in beeld te brengen. In wezen ontwikkelen we een techniek om de pot te openen en elk snoepje één voor één te bestuderen.

Op de lange termijn streeft mijn team ernaar te onthullen hoe deze glycanen zich presenteren aan de eiwitten die ze herkennen, en uiteindelijk de taal te onthullen die cellen gebruiken om zichzelf uit te drukken.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.