糖鎖生物学

最も狭義に定義すると、糖鎖生物学は、自然界に広く分布している糖類（糖鎖またはグリカン）の構造、生合成、生物学を研究する学問です。 ^[1]^[2]糖類はすべての生物にとって必須の成分であり、生物学における糖類のさまざまな役割は、医学、生化学、バイオテクノロジーのさまざまな分野で研究されています。

歴史

オックスフォード英語辞典によると、糖鎖生物学という特定の用語は、1988年にレイモンド・ドゥエック教授によって、糖質化学と生化学の伝統的な学問分野の融合を認めるために造られました。^{[3]この融合は、}グリカンの細胞生物学と分子生物学の理解が大幅に深まった結果でした。しかし、19世紀後半には、エミール・フィッシャーによっていくつかの基本的な糖分子の構造を確立するための先駆的な取り組みが行われていました。毎年、糖鎖生物学会は、糖鎖生物学の分野での生涯の功績に対してロザリンド・コーンフェルド賞を授与しています。 ^[4]

複合糖質

糖は他の種類の生物学的分子と結合して複合糖質を形成することがある。グリコシル化の酵素プロセスにより、糖/糖類がグリコシド結合によってそれ自体や他の分子と結合し、グリカンが生成される。糖タンパク質、プロテオグリカン、糖脂質は、哺乳類細胞で最も多く見られる複合糖質である。これらは主に外細胞膜上および分泌液中に見られる。複合糖質は、複合糖質自体に加えて、さまざまなグリカン結合受容体が細胞表面に存在するため、細胞間相互作用において重要であることが示されている。 ^[5]^[6]タンパク質の折り畳みと細胞接着における機能に加えて、タンパク質のN結合型グリカンは、タンパク質の機能を調節することができ、場合によってはオンオフスイッチとして機能する。^[7]

グリコミクス

「グライコミクスは、ゲノミクスやプロテオミクスと同様に、特定の細胞型または生物のすべてのグリカン構造の体系的な研究であり、糖鎖生物学のサブセットです。」^[8]^[9]

糖構造研究における課題

糖構造に見られる多様性の一部は、単糖単位がさまざまな方法で互いに結合することがあるためです。これは、常に標準的な方法で結合するタンパク質のアミノ酸やDNAのヌクレオチドとは対照的です。 ^{[10]グリカン構造の研究は、アミノ酸配列が対応する}遺伝子によって決定されるタンパク質の場合とは対照的に、生合成のための直接的なテンプレートがないため、複雑です。^[11]

グリカンは二次遺伝子産物であるため、細胞の細胞内区画における多くの酵素の協調作用によって生成されます。グリカンの構造は、さまざまな生合成酵素の発現、活性、およびアクセス可能性に依存する可能性があるため、タンパク質の場合のように、構造および機能研究のために大量のグリカンを生成するために組換え DNA技術を使用することはできません。

グリカン構造予測のための最新のツールと技術

高度な分析機器とソフトウェアプログラムを組み合わせて使用することで、グリカン構造の謎を解明することができます。グリカンの構造注釈と分析のための現在の技術には、液体クロマトグラフィー（LC）、キャピラリー電気泳動（CE）、質量分析（MS）、核磁気共鳴（NMR）、レクチンアレイなどがあります。^[12]

最も広く使用されている技術の 1 つは、イオン化装置、分析装置、検出器という 3 つの主要ユニットを使用する質量分析です。

Consortium for Functional Glycomics や Z Biotech LLC が提供するようなグリカンアレイには、レクチンや抗体でスクリーニングして炭水化物の特異性を定義し、リガンドを特定できる炭水化物化合物が含まれています。

多重反応モニタリング（MRM）

MRM は質量分析法に基づく技術で、最近は部位特異的なグリコシル化プロファイリングに使用されています。MRM はメタボロミクスやプロテオミクスで広く使用されていますが、その高い感度と広いダイナミックレンジにわたる線形応答により、グリカンバイオマーカーの研究と発見に特に適しています。MRM はトリプル四重極 (QqQ) 装置で実行され、最初の四重極で所定の前駆体イオン、衝突四重極でフラグメント化イオン、3 番目の四重極で所定のフラグメントイオンを検出するように設定されています。これは非スキャン技術であり、各遷移は個別に検出され、複数の遷移の検出はデューティサイクルで同時に行われます。^[7]この技術は免疫グリコームの特性評価に使用されています。^[7]

薬

ヘパリン、エリスロポエチン、いくつかの抗インフルエンザ薬など、すでに市場に出回っている薬は効果が実証されており、新しいクラスの薬としてのグリカンの重要性を浮き彫りにしています。さらに、新しい抗がん剤の探索は、糖鎖生物学の新たな可能性を切り開いています。^[13]新しい多様な作用機序を持つ抗がん剤、抗炎症薬、抗感染薬は現在、臨床試験中です。これらの薬は、現在の治療法を軽減または完了させる可能性があります。これらのグリカンは、その複雑な構造のために再現性のある方法で合成するのが難しい分子ですが、この新しい研究分野は将来に向けて非常に有望です。

肌

最新の技術進歩によって最近発展を遂げた糖鎖生物学は、皮膚の老化をより具体的かつ正確に理解するのに役立ちます。グリカンが皮膚の主要構成要素であり、皮膚の恒常性維持に決定的な役割を果たしていることが、現在では明確に立証されています。

これらは分子や細胞の認識において重要な役割を果たしており、特に細胞の表面で生物学的メッセージを伝達する働きをします。^[14]
細胞の代謝、合成、増殖、分化に重要な役割を果たします。
それらは組織の構造と構築において重要な役割を果たします。

皮膚の正常な機能に不可欠なグリカンは、加齢とともに質的・量的変化を起こします。^[15]コミュニケーションと代謝の機能が損なわれ、皮膚の構造が劣化します。

参照

参考文献

^ Varki A、Cummings RD、Esko JD、Stanley P、Hart GW、Aebi M、Mohnen D、Kinoshita T、Packer NH、Prestegard JH、Schnaar RL、Seeberger PH (2022)。糖鎖生物学の基礎（第4版）。Cold Spring Harbor Laboratory Press。doi : 10.1101/9781621824213（2024年11月1日現在非アクティブ）。ISBN 978-1-621824-21-3. PMID 35536922。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: DOI は 2024 年 11 月時点で非アクティブです (リンク)
^ Varki A、Cummings R、Esko J、Freeze H、Hart G、Marth J (1999)。糖鎖生物学の基礎。コールド・スプリング・ハーバー研究所出版。ISBN 0-87969-560-9。
^ Rademacher TW、Parekh RB、Dwek RA (1988)。「糖鎖生物学」。アンヌ。バイオケム牧師。57 (1): 785–838。土井：10.1146/annurev.bi.57.070188.004033。PMID 3052290。
^ 「ロザリンド・コーンフェルド賞」www.glycobiology.org . 2021年11月5日閲覧。
^ Ma BY、Mikolajczak SA、Yoshida T、Yoshida R、Kelvin DJ、Ochi A (2004)。「CD28 T細胞共刺激受容体機能はN結合炭水化物によって負に制御される」。Biochem . Biophys. Res. Commun . 317 (1): 60–7. doi :10.1016/j.bbrc.2004.03.012. PMID 15047148。
^ 高橋正之、津田孝、池田裕、本家功、谷口暢 (2004)。「成長因子シグナル伝達におけるN-グリカンの役割」。Glycoconj . J. 20 ( 3): 207–12. doi :10.1023/B:GLYC.0000024252.63695.5c. PMID 15090734. S2CID 1110879.
^ abc Maverakis E、Kim K、Shimoda M、Gershwin M、Patel F、Wilken R、Raychaudhuri S、Ruhaak LR、Lebrilla CB (2015)。「免疫システムにおけるグリカンと自己免疫のグリカン変化理論」。J Autoimmun。57 ( 6 ) : 1–13。doi :10.1016/ j.jaut.2014.12.002。PMC 4340844。PMID 25578468。
^ コールド・スプリング・ハーバー研究所出版糖鎖生物学の基礎、第 2 版
^ Schnaar, RL (2016年6月). 「糖鎖生物学の簡略化: 炎症におけるグリカン認識の多様な役割」. Journal of Leukocyte Biology . 99 (6): 825–38. doi :10.1189/jlb.3RI0116-021R. PMC 4952015. PMID 27004978 .
^ Kreuger, J (2001). 「ヘパラン硫酸の解読」2008年1月11日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
^ Marth, JD (2008). 「生命の構成要素の統一的ビジョン」Nature Cell Biology . 10 (9): 1015–6. doi :10.1038/ncb0908-1015. PMC 2892900 . PMID 18758488.
^ Aizpurua-Olaizola, O.; Sastre Toraño, J.; Falcon-Perez, JM; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (2018 年 3 月). 「グリカンバイオマーカー発見のための質量分析」. TrAC Trends in Analytical Chemistry . 100 : 7–14. doi :10.1016/j.trac.2017.12.015. hdl : 1874/364403 . ISSN 0165-9936.
^ Olden K, Bernard BA, Humphries M, et al. (1985).糖タンパク質グリカンの機能 TIBS . pp. 78–82.
^ Faury, G (2008年12月). 「ヒト真皮線維芽細胞のα-L-ラムノース認識レクチン部位はシグナルトランスデューサーとして機能する：Ca2+フラックスと遺伝子発現の調節」Biochimica et Biophysica Acta . 1780 (12): 1388–94. doi :10.1016/j.bbagen.2008.07.008. PMID 18708125.
^ Oh, Jang-Hee; Kim, Yeon Kyung; Jung, Ji-Yong; Shin, Jeong-eun; Chung, Jin Ho (2011). 「生体内での老化したヒト皮膚におけるグリコサミノグリカンおよび関連プロテオグリカンの変化」。実験皮膚科学。20 ( 5): 454–456。doi :10.1111/ j.1600-0625.2011.01258.x。ISSN 1600-0625。PMID 21426414。S2CID 34434784 。

外部リンク

ベンダー複合糖質、グリカン認識タンパク質
機能的グリコミクスゲートウェイ。Natureと機能的グリコミクスコンソーシアムの共同作業により毎月更新されるWebリソースです。
キャロリン・ベルトッツィのセミナー：「化学糖鎖生物学」
Emanual Maverakis 他「免疫システムにおけるグリカンと自己免疫のグリカン変化理論」(PDF)。
http://www.healthcanal.com/medical-breakthroughs/22037-UGA-scientists-team-define-first-ever-sequence-biologically- important-carboowned.html

[Varki_2008-1] Varki A、Cummings RD、Esko JD、Stanley P、Hart GW、Aebi M、Mohnen D、Kinoshita T、Packer NH、Prestegard JH、Schnaar RL、Seeberger PH (2022)。糖鎖生物学の基礎（第4版）。Cold Spring Harbor Laboratory Press。doi : 10.1101/9781621824213（2024年11月1日現在非アクティブ）。ISBN 978-1-621824-21-3. PMID 35536922。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: DOI は 2024 年 11 月時点で非アクティブです (リンク)

[Varki_1999-2] Varki A、Cummings R、Esko J、Freeze H、Hart G、Marth J (1999)。糖鎖生物学の基礎。コールド・スプリング・ハーバー研究所出版。ISBN 0-87969-560-9。

[rademacher-3] Rademacher TW、Parekh RB、Dwek RA (1988)。「糖鎖生物学」。アンヌ。バイオケム牧師。57 (1): 785–838。土井：10.1146/annurev.bi.57.070188.004033。PMID 3052290。

[4] 「ロザリンド・コーンフェルド賞」www.glycobiology.org . 2021年11月5日閲覧。

[Ma_2004-5] Ma BY、Mikolajczak SA、Yoshida T、Yoshida R、Kelvin DJ、Ochi A (2004)。「CD28 T細胞共刺激受容体機能はN結合炭水化物によって負に制御される」。Biochem . Biophys. Res. Commun . 317 (1): 60–7. doi :10.1016/j.bbrc.2004.03.012. PMID 15047148。

[Takahashi_2004-6] 高橋正之、津田孝、池田裕、本家功、谷口暢 (2004)。「成長因子シグナル伝達におけるN-グリカンの役割」。Glycoconj . J. 20 ( 3): 207–12. doi :10.1023/B:GLYC.0000024252.63695.5c. PMID 15090734. S2CID 1110879.

[immune_glycan-7] Maverakis E、Kim K、Shimoda M、Gershwin M、Patel F、Wilken R、Raychaudhuri S、Ruhaak LR、Lebrilla CB (2015)。「免疫システムにおけるグリカンと自己免疫のグリカン変化理論」。J Autoimmun。57 ( 6 ) : 1–13。doi :10.1016/ j.jaut.2014.12.002。PMC 4340844。PMID 25578468。

[8] コールド・スプリング・ハーバー研究所出版糖鎖生物学の基礎、第 2 版

[9] Schnaar, RL (2016年6月). 「糖鎖生物学の簡略化: 炎症におけるグリカン認識の多様な役割」. Journal of Leukocyte Biology . 99 (6): 825–38. doi :10.1189/jlb.3RI0116-021R. PMC 4952015. PMID 27004978 .

[kreuger-10] Kreuger, J (2001). 「ヘパラン硫酸の解読」2008年1月11日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です

[11] Marth, JD (2008). 「生命の構成要素の統一的ビジョン」Nature Cell Biology . 10 (9): 1015–6. doi :10.1038/ncb0908-1015. PMC 2892900 . PMID 18758488.

[12] Aizpurua-Olaizola, O.; Sastre Toraño, J.; Falcon-Perez, JM; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (2018 年 3 月). 「グリカンバイオマーカー発見のための質量分析」. TrAC Trends in Analytical Chemistry . 100 : 7–14. doi :10.1016/j.trac.2017.12.015. hdl : 1874/364403 . ISSN 0165-9936.

[olden_k-13] Olden K, Bernard BA, Humphries M, et al. (1985).糖タンパク質グリカンの機能 TIBS . pp. 78–82.

[Faury-14] Faury, G (2008年12月). 「ヒト真皮線維芽細胞のα-L-ラムノース認識レクチン部位はシグナルトランスデューサーとして機能する：Ca2+フラックスと遺伝子発現の調節」Biochimica et Biophysica Acta . 1780 (12): 1388–94. doi :10.1016/j.bbagen.2008.07.008. PMID 18708125.

[15] Oh, Jang-Hee; Kim, Yeon Kyung; Jung, Ji-Yong; Shin, Jeong-eun; Chung, Jin Ho (2011). 「生体内での老化したヒト皮膚におけるグリコサミノグリカンおよび関連プロテオグリカンの変化」。実験皮膚科学。20 ( 5): 454–456。doi :10.1111/ j.1600-0625.2011.01258.x。ISSN 1600-0625。PMID 21426414。S2CID 34434784 。