Glykomik - Glycomics

Glykomik ist die umfassende Untersuchung von Glykomen (die gesamte Menge an Zucker , ob frei oder in komplexeren Molekülen eines Organismus vorhanden ), einschließlich genetischer, physiologischer, pathologischer und anderer Aspekte. Glykomik "ist die systematische Untersuchung aller Glykanstrukturen eines bestimmten Zelltyps oder Organismus" und ist eine Untergruppe der Glykobiologie . Der Begriff Glykomik leitet sich von der chemischen Vorsilbe für Süße oder einem Zucker, "Glyko-" ab und wurde gebildet, um der Omics- Namenskonvention zu folgen, die von der Genomik (die sich mit Genen befasst ) und der Proteomik (die sich mit Proteinen befasst ) etabliert wurde.

Herausforderungen

  • Die Komplexität der Zucker: Von ihrer Struktur her sind sie nicht linear, sondern stark verzweigt. Darüber hinaus können Glykane modifiziert werden (modifizierte Zucker), dies erhöht die Komplexität.
  • Komplexe Biosynthesewege für Glykane.
  • Normalerweise werden Glykane entweder an Proteine ​​gebunden ( Glykoprotein ) oder mit Lipiden konjugiert ( Glykolipide ) gefunden.
  • Im Gegensatz zu Genomen sind Glykane hochdynamisch.

Dieser Forschungsbereich muss sich mit einer inhärenten Komplexität auseinandersetzen, die in anderen Bereichen der angewandten Biologie nicht zu finden ist. 68 Bausteine ​​(Moleküle für DNA, RNA und Proteine; Kategorien für Lipide; Arten von Zuckerbindungen für Saccharide) bilden die strukturelle Grundlage für die molekulare Choreographie, die das gesamte Leben einer Zelle ausmacht. DNA und RNA haben jeweils vier Bausteine ​​(die Nukleoside oder Nukleotide ). Lipide werden basierend auf Ketoacyl und Isopren in acht Kategorien eingeteilt . Proteine haben 20 (die Aminosäuren ). Saccharide haben 32 Arten von Zuckerbindungen. Während diese Bausteine ​​bei Proteinen und Genen nur linear angehängt werden können, können sie bei Sacchariden verzweigt angeordnet sein, was den Komplexitätsgrad weiter erhöht.

Hinzu kommt die Komplexität der zahlreichen Proteine, die nicht nur als Träger von Kohlehydraten, den Glykoproteinen , sondern auch Proteinen, die spezifisch an der Bindung und Reaktion mit Kohlenhydrat beteiligt sind, beteiligt sind:

  • Kohlenhydratspezifische Enzyme für Synthese, Modulation und Abbau
  • Lektine , kohlenhydratbindende Proteine ​​aller Art
  • Rezeptoren , zirkulierende oder membrangebundene Kohlenhydrat-bindende Rezeptoren

Bedeutung

Um diese Frage zu beantworten, sollte man die verschiedenen und wichtigen Funktionen von Glykanen kennen. Im Folgenden sind einige dieser Funktionen aufgeführt:

Es gibt wichtige medizinische Anwendungen von Aspekten der Glykomik:

Glykomik ist in der Mikrobiologie besonders wichtig, da Glykane verschiedene Rollen in der Bakterienphysiologie spielen. Die Erforschung bakterieller Glykomika könnte zur Entwicklung von:

  • neuartige Medikamente
  • bioaktive Glykane
  • Glykokonjugat-Impfstoffe

Benutztes Werkzeug

Im Folgenden finden Sie Beispiele für häufig verwendete Techniken bei der Glykananalyse

Hochauflösende Massenspektrometrie (MS) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)

Die am häufigsten angewandten Methoden sind MS und HPLC , bei denen der Glykananteil entweder enzymatisch oder chemisch vom Target abgespalten und einer Analyse unterzogen wird. Glykolipide können direkt ohne Abtrennung der Lipidkomponente analysiert werden.

N- Glykane aus Glykoproteinen werden routinemäßig durch Hochleistungs-Flüssigchromatographie (Reversed Phase, Normal Phase und Ionenaustausch-HPLC) analysiert, nachdem das reduzierende Ende der Zucker mit einer fluoreszierenden Verbindung markiert wurde (reduktive Markierung). In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Labels eingeführt, wobei 2-Aminobenzamid (AB), Anthranilsäure (AA), 2-Aminopyridin (PA), 2-Aminoacridon (AMAC) und 3-(Acetylamino)-6-aminoacridin (AA-Ac) sind nur einige davon.

O- Glykane werden normalerweise ohne Markierungen analysiert, da die chemischen Freisetzungsbedingungen ihre Markierung verhindern.

Fraktionierte Glykane aus Geräten der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) können mit MALDI- TOF-MS(MS) weiter analysiert werden , um weitere Informationen über Struktur und Reinheit zu erhalten. Manchmal werden Glykanpools ohne Vorfraktionierung direkt durch Massenspektrometrie analysiert, obwohl eine Unterscheidung zwischen isobaren Glykanstrukturen schwieriger oder sogar nicht immer möglich ist. Jedenfalls kann eine direkte MALDI- TOF-MS-Analyse zu einer schnellen und unkomplizierten Darstellung des Glykanpools führen.

In den letzten Jahren wurde die Online-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit der Massenspektrometrie sehr populär. Durch die Wahl von porösem Graphitkohlenstoff als stationäre Phase für die Flüssigkeitschromatographie können sogar nicht derivatisierte Glykane analysiert werden. Für diese Anwendung wird häufig die Elektrospray-Ionisation ( ESI ) verwendet.

Überwachung mehrerer Reaktionen (MRM)

Obwohl MRM in großem Umfang in der Metabolomik und Proteomik eingesetzt wird, ist es aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und linearen Reaktion über einen weiten Dynamikbereich besonders geeignet für die Erforschung und Entdeckung von Glykan-Biomarkern. MRM wird auf einem Triple-Quadrupol-(QqQ)-Instrument durchgeführt, das so eingestellt ist, dass es ein vorbestimmtes Vorläufer-Ion im ersten Quadrupol, ein im Kollisions-Quadrupol fragmentiertes und ein vorbestimmtes Fragment-Ion im dritten Quadrupol erfasst. Es handelt sich um eine nicht abtastende Technik, bei der jeder Übergang einzeln erfasst wird und die Erfassung mehrerer Übergänge gleichzeitig in Arbeitszyklen erfolgt. Diese Technik wird verwendet, um das Immunglykom zu charakterisieren.

Tabelle 1 : Vor- und Nachteile der Massenspektrometrie in der Glykananalyse

Vorteile Nachteile
  • Anwendbar für kleine Probenmengen (unterer fmol-Bereich)
  • Nützlich für komplexe Glykanmischungen (Erzeugung einer weiteren Analysedimension).
  • Bindungsseiten können durch Tandem-MS-Experimente (seitenspezifische Glykananalyse) analysiert werden.
  • Glykansequenzierung durch Tandem-MS-Experimente.
  • Zerstörerische Methode.
  • Notwendigkeit eines geeigneten experimentellen Designs.

Arrays

Lektin- und Antikörper-Arrays ermöglichen ein Hochdurchsatz-Screening vieler Proben, die Glykane enthalten. Dieses Verfahren verwendet entweder natürlich vorkommende Lektine oder künstliche monoklonale Antikörper , wobei beide auf einem bestimmten Chip immobilisiert und mit einer fluoreszierenden Glykoproteinprobe inkubiert werden.

Glycan-Arrays, wie sie vom Consortium for Functional Glycomics und Z Biotech LLC angeboten werden , enthalten Kohlenhydratverbindungen, die mit Lektinen oder Antikörpern gescreent werden können, um Kohlenhydratspezifität zu definieren und Liganden zu identifizieren.

Metabolische und kovalente Markierung von Glykanen

Die metabolische Markierung von Glykanen kann verwendet werden, um Glykanstrukturen nachzuweisen. Eine bekannte Strategie beinhaltet die Verwendung von Azid- markierten Zuckern, die unter Verwendung der Staudinger-Ligation umgesetzt werden können . Dieses Verfahren wurde für die In-vitro- und In-vivo-Abbildung von Glykanen verwendet.

Werkzeuge für Glykoproteine

Röntgenkristallographie und kernmagnetische Resonanz (NMR)-Spektroskopie zur vollständigen Strukturanalyse komplexer Glykane ist ein schwieriges und komplexes Gebiet. Die Struktur der Bindungsstelle zahlreicher Lektine , Enzyme und anderer Kohlenhydrat-bindender Proteine ​​hat jedoch eine große Vielfalt der strukturellen Grundlagen für die Glykomfunktion offenbart. Die Reinheit der Testproben wurde durch Chromatographie ( Affinitätschromatographie usw.) und analytische Elektrophorese ( PAGE (Polyacrylamidelektrophorese) , Kapillarelektrophorese , Affinitätselektrophorese usw.) bestimmt.

Software und Datenbanken

Für die glykomische Forschung stehen verschiedene Online-Software und Datenbanken zur Verfügung. Das beinhaltet:

Siehe auch

Verweise

Externe Links