化学家裂纹糖代码吗?

在我们的身体内,单糖(如葡萄糖、甘露糖和海藻糖连接在一起来创建复杂的多糖或聚糖装饰所有细胞表面糖的厚外套。但与基因组和蛋白质组,glycome仍有些神秘——部分原因是化学聚糖这么复杂。我们的身体合成成千上万的独特聚糖,但是很少有分析方法可以有效地阐明他们的结构。与DNA和蛋白质不同,组装线性、聚糖高度支化,使他们很难合成。但聪明的化学提供解决方案,使我们更接近破解糖代码。

低聚糖,主要是蛋白质和脂质,一直被忽视的生物聚合物的生物研究。但基尔特•简•看从美国乔治亚大学说,这可能会改变。我认为在过去的10年里,它已成为明显,这些碳水化合物参与几乎所有的健康,以及疾病过程。“细胞”糖涂料提供了一个独特的手机条码,让免疫系统识别其他细胞,包括外国侵略者。建立了良好的异常糖基化似乎驱动癌症恶化,特别是hypersialylation——这个支柱的过于丰富糖唾液酸,发现在多糖链的最外层。

glycome不是直接由基因组编码

长期从事该领域的雄心壮志是完全定义glycome——成套聚糖的结构和功能产生在一个给定的细胞或有机体。但这是一个小比定义复杂基因组或蛋白质组,Sabine Flitsch解释说,碳水化合物在英国曼彻斯特大学的化学家。“glycome不是直接由基因组编码;你不能糖结构链接到一个特定的蛋白质或基因。糖基化-添加聚糖是翻译修饰和组装的200多个酶糖不提供一个模板,又说。(酶)和糖核苷酸的可用性决定什么类型的结构是生物合成。

缺乏代码,可能聚糖是压倒性的数量。从10个常见的单糖,潜在的结构是指数大于那些DNA或蛋白质。Hexasacchrides,由六个糖分子,可以采用1930亿种可能的结构。和有多个不同种类的聚糖,包括N有关寡糖氨基酸天冬酰胺,O有关寡糖连接到苏氨酸、丝氨酸和葡糖氨基葡聚糖-长高度极地多糖作为生物润滑剂(一个例子被肝素,防止凝结的血液稀释剂)。

合成的挑战

从自然中提取纯聚糖通常是不可能的,所以这是化学家也呼吁合成大量可能的聚糖。但这并不容易,因为他们表现出多种形式的异构现象。聚糖的单糖和变化有很多安排分支。同分异构体可以基于不同的戒指大小和不同取代位置(regioisomers)。你也[必须]获得正确的立体化学的联系——α或β链,这可能是最大的挑战之一,”Flitsch说。糖基化,碳水化合物(糖基供体)与羟基的糖(糖基受体)创建一个异头碳,它允许之间的转换两种可能的配置。最终产品可以在α或β构象。“你化学可以选择性只有如果你广泛的保护组织化学、“Flitsch解释道。的每个耦合步骤成本你7化学步骤。”

加快工作效率的一个方法是使用自动化坚实的支持。马克斯普朗克研究所的彼得·Seeberger胶体和界面在波茨坦,德国,成立GlycoUniverse在2013年。公司已经建立了Glyconeer,自动化低聚糖合成器,八个目前在世界上使用。¹固态合成的技巧是你的第一个构建块连着non-soluble聚合物,聚苯乙烯的小珠子在大多数情况下,“马里奥Salwiczek解释道,GlycoUniverse科学主管。”和的好处是,你可以洗掉所有没有反应的反应物或侧产品已经形成了,你不需要做一个纯化步骤之间的每一个耦合”。

最长的连锁店Seeberger用的方法是线性50-sugar寡糖但6 - 10糖链更典型。显然,技术本身不能解决化学问题,每个人都面临着“Salwiczek笔记。一个策略是开发通用构件多种糖。的解决方案,我们提出了构建块是聪明的选择,”又说。低聚糖的结构非常复杂,但如果你仔细看它们,你看到某些主题,以不同的方式组合在一起。”

又能和其他人合成这样的图案,可以以多种方式组装。合成肝素,由20双糖是合成这种方式;²这些20双糖组装最后从六个不同的单糖,”他说。

生物催化作用

另一重大进展是使用转移单糖的糖基转移酶,酶激活糖单链不饱和脂肪或是diphosphonucleotides寡糖链。在1980年代的做法被证明是有用的合成复杂聚糖与每个连杆受到不同的酶的合成。

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这些酶的优点是,他们完全照顾任何部位和立体选择性。他们把两个通用的构建块,把它们放在一起在一个非常具体的方式,”Flitsch说。两个α-或β-anomers可以根据核苷酸受体。”,你需要有七个步骤(化学合成的),你可以在一个步骤,“Flitsch补充道。化学家的数据库辅助设计合成CAZy酶——碳水化合物活性的酶。我不会说完整,Flitsch解释道。但我们有一个相当好的理解酶的参与这些从花色。

基本上什么合成五六年前获得一个博士学位,在周末,我们现在做的又说。但缺点是,如果你想让一个不自然的结构和结构可能有更多的药物如性质,酶不喜欢它。他一直试图绕过这与酶结合化学。例如,他有合成N聚糖与多达四个不同的分支只有10化学和酶步骤。

他的方法使用了一个对称bi-antennary糖基衍生物构建块,隔绝蛋黄粉。然后,他创建了一个中间结构添加一个不自然的糖核苷酸捐赠者,5 ' -disphospho -N-trifluoroacetyl氨基葡萄糖。当酶被用来进一步扩展多糖的树枝,不自然的分子是惰性酶作用,所以进一步反应选择性地在其他分支。然后转换成其自然不自然的葡萄糖胺,使酶进一步反应。又称“停和走”的战略。³我们真的相信酶和化学的结合方式使这些分子,”他说。

分析麻痹

合成聚糖只是故事的一部分,它还能够分析至关重要。除了帮助人类glycome定义,重要的是生物制药。许多生物药物糖化;例如,促红细胞生成素,臭名昭著的兴奋剂被称为EPO(促红细胞生成素),刺激红细胞生产。“如果你不glycosylate它,它只是在人类不活跃,“Flitsch说。但试图分析多糖的结构并不简单,使得复制生物药困难。通用(药物)公司非常热衷于获得更好的分析方法,“Flitsch补充道。

它可以非常具有挑战性的分析一个简单的三糖

大多数现有的分析技术有问题时聚糖。当前的方法通常涉及干扰质谱分离技术。但色谱协议设计时考虑到肽。的糖比肽极地和结果,建立了反相分离技术实际上不正常工作糖,”凯文·佩格尔说,在德国柏林自由大学的有机化学家。异构发现自己与单糖(葡萄糖,半乳糖和果糖具有相同的经验公式),在他们的组织使得质谱法分析质量/电荷比率有时是不可能的。核磁共振也不能区分立体化学的细节。这非常具有挑战性的分析一个简单的三糖,”佩奇说。

而N聚糖是更好的特征,O有关聚糖更有问题。黏蛋白、大密糖基化的蛋白质与多糖长链中发现粘液,是一个巨大的挑战。Glysoaminoglycans也很难分析,解释了与肝素经验的问题。2008年受污染肝素导致全球超过200人的死亡由于厂家用在一种稳定的化合物,不易察觉的例行检测。

“我们真正想要的是我们可以使用,这是普遍的,“Flitsch说。目前我们的尖端能够做到这一点。的一种技术,可以帮助离子迁移谱(IMS)——通过机场安检屏幕用于炸药。结合质谱能够区分的气相离子基于它们的质量,电荷,大小和形状。不同的同分异构体通常有不同的大小和形状的,由此解释道,从而使该方法适合聚糖。

离子被引导穿过气体(氦气或氮),疲软的电场的影响下,他们的碰撞率会有所不同,大截面分子碰撞更频繁和漂移较长时间。在串联质谱法,它可以区分不同异构体的较小的完整聚糖。

破碎前大聚糖进行离子迁移率的测量提供了接近一个通用排序方法,只用一套有限的标准片段指纹谱。“有点像鸟枪测序的方法,“Flitsch说。至关重要的是,碳水化合物的立体化学的片段似乎保留记忆。看起来不同,如果它来自一个α或β联系——这是另一个关键步骤排序协议,”她补充道。

人民glycomes之间存在巨大的个体差异

另一个重要的进展是红外多光子离解(IRMPD)光谱。使用高强度激光、红外光谱间接测量通过观察债券作为他们的分解吸收光子。测量分裂率(质谱)作为波长的函数生成一个振动光谱。但有一个缺点:在室温下获得的光谱特征往往不是诊断,因为他们通常是非常广泛的,“由此解释道。

“我们做的第一次是用糖做的实验在超冷的温度下,”佩奇说。我们获得振动指纹非常好解决,这实际上是很好解决的,我们可以解决任何在多糖结构详图。在superfluidic氦冷却离子滴他们达到0.4 k温度很低的能量状态,导致一个高分辨率的光谱。⁴由此能够明确区分一系列三糖的同分异构体,在某些情况下不同的立体化学无非一个羟基。

所以这些新方法,结合多糖测序将成为现实?我觉得我们开始合成能力胜任这个角色,”又说,佩奇虽然仍然认为测序整个人类glycome 20年来可能仍然是一个挑战。与DNA和蛋白质不同,glycome是高度动态的。有巨大的人民glycomes之间的个体差异,“Flitsch指出。而DNA差异仅发生每千残留物,glycome强烈依赖于环境。

微阵列

承认这个问题,劳拉来自加拿大阿尔伯塔大学的宫殿,微阵列的先驱聚糖识别方法,有不同的看法在glycome——她不确定,我们真的需要它。很长一段时间,社区是在我们需要谨慎的结构和每一位的结构,但如果你看看大自然,大自然并不关心一个离散结构,自然关心的集合结构做一个特定的功能,“认为泰姬陵。“问题是,我们需要每个结构[或]我们可以了解sub-structural变化吗?”

为此宫殿和其他人都专注于发展微阵列,可以使用高通量自动化研究glycan-protein交互。这种阵列安排各种聚糖在小点固定在一个坚实的支持,与glycan-binding孵化蛋白质,细胞或甚至整个病毒。绑定使用荧光标记观察。

第一个方法对付聚糖是由十Feizi伦敦大学帝国理工学院,英国在2000年代早期。她高度脂质基团聚糖创建“neoglycolipids”,这就可以被固定到一个nitocellulose表面。与共价数组,它不是很容易控制的密度聚糖在幻灯片上,“刘燕说,帝国的负责人碳水化合物微阵列设备。如果聚糖太拥挤,集群以正确的方式,条件可能不是正确的绑定。使用neoglycolipids,聚糖共价结合到基体表面,似乎能够移动和集群——更好的模仿多糖安排在细胞表面。这种类型的演讲非常好对于许多类型的内生和病毒聚糖结合蛋白和抗体非常敏感,”刘说。

我想这可能是真的可以说碳水化合物化学有机化学延伸到其局限性

第一种方法连接的脂质还原胺——伯胺组和多糖之间的缩合反应,但这导致核心单糖的开环,这对短链聚糖是一种劣势。刘在2007年设计了一个替代肟结扎的方法。⁵脂质被修改,以包括一个amino-oxy集团是共轭形成一个稳定的肟链接(RHC =和′)。用这种方法,我们大大扩大neoglycolipid-based微阵列系统通过提供访问的范围为配体结合短的寡糖和core-branched聚糖研究,”刘说。

聚糖库帝国在欧洲是最大的和有大约1000个序列,对所有研究人员测试可用。但也有差距,可能7000人类认可聚糖(实际数量不得而知)。我认为我们缺少很多,刘说。“另一方面,我们可以说这些聚糖的主要限制许多识别系统扮演了一个重要的角色。”

泰姬陵的方法已经使用微阵列找出疾病的生物标记物,包括癌症。⁶在2000年代中期开始发展高通量数组凝集素- carbohydrate-binding植物蛋白质。“自然进化的蛋白质已经非常具体的分子识别表面,”解释了泰姬陵。他们很擅长识别的区别,例如,唾液酸α2,六连杆半乳糖和唾液酸α2,3键。这可以告诉非常立刻这两个的区别,这是你不能告诉容易被质谱分析。使用这种方法不确定确切的结构但它给了我们一个非常快速的方法能够确定糖正在发生变化,”马哈尔说。”,这就是你关心。”

泰姬陵的团队也一直在试图了解糖基化在生物学和相关控制回微核糖核酸——沉默的小非编码RNA分子RNA和调节转录后基因表达。马哈尔认为这种机制控制转移酶酶糖基化。⁷我们试图找出完整的微型rna调节糖基化酶作为第一步解决其中的一些东西,”马哈尔说。

显然,无论是映射glycome和理解基础生物学,还有很长的路要走。“我想这可能是公平地说碳水化合物化学有机化学延伸至其局限性,“缪斯Flitsch。大但泰姬陵警告,看到作者作为一个难以负荷的科学。我认为的一个问题作者一直是人们认为它是困难的,我将挑战…因为实际(生物学)不是复杂?”

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国