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グライコミクスは、遺伝的、生理学的、病理学的およびその他の側面を含む、グライコーム[1] （遊離糖または生物のより複雑な分子中に存在する糖の総体）の包括的な研究です。 [2] [3]グライコミクスは「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。[4]グライコミクスという用語は、甘味または糖の化学接頭辞「グリコ-」に由来し、ゲノミクス（遺伝子を扱う）とプロテオミクス（タンパク質を扱う）によって確立されたオミクス命名規則に従って形成されました。
課題
- 糖の複雑さ: 糖の構造は直線的ではなく、高度に分岐しています。さらに、グリカンは修飾される可能性があり (修飾糖)、これにより複雑さが増します。
- グリカンの複雑な生合成経路。
- 通常、グリカンはタンパク質（糖タンパク質）に結合しているか、脂質（糖脂質）と結合しています。
- ゲノムとは異なり、グリカンは非常に動的です。
この研究分野は、応用生物学の他の分野には見られない固有のレベルの複雑さに対処する必要があります。[5] 68 個の構成要素 (DNA、RNA、タンパク質の場合は分子、脂質の場合はカテゴリ、糖の場合は糖結合の種類) が、細胞の生命全体を構成する分子の振り付けの構造的基礎を提供します。DNAとRNA にはそれぞれ 4 個の構成要素 (ヌクレオシドまたはヌクレオチド) があります。脂質は、ケトアシルとイソプレンに基づいて 8 つのカテゴリに分類されます。タンパク質には 20 個 (アミノ酸) があります。糖には32 種類の糖結合があります。[6]これらの構成要素は、タンパク質や遺伝子の場合は直線的にしか結合できませんが、糖の場合は分岐状に配置できるため、複雑さの度合いがさらに高まります。
これに加えて、炭水化物の運搬体である糖タンパク質だけでなく、炭水化物との結合や反応に特に関与するタンパク質など、 関与するタンパク質が多数あるという複雑さがあります。
重要性
この質問に答えるには、グリカンのさまざまな重要な機能を知っておく必要があります。次に、その機能の一部を示します。
- 細胞表面に存在する糖タンパク質と糖脂質は、細菌やウイルスの認識に重要な役割を果たします。
- それらは細胞シグナル伝達経路に関与し、細胞機能を調節します。
- それらは自然免疫において重要です。
- それらは癌の進行を決定します。
- それらは細胞の運命を調整し、増殖を抑制し、循環と侵入を調節します。
- それらはタンパク質の安定性と折り畳みに影響を与えます。
- それらは糖タンパク質の経路と運命に影響を与えます。
- グリカン特有の疾患は数多くあり、その多くは遺伝性疾患です。
グリコミクスの側面には重要な医学的応用があります。
- レクチンは造血幹細胞移植における移植片対宿主病を回避するために細胞を分画します。
- 癌治療における細胞傷害性CD8 T 細胞の活性化と増殖。
グリカンは細菌生理学において多様な役割を果たすため、グリコミクスは微生物学において特に重要です。[7]細菌グリコミクスの研究は、以下の発展につながる可能性があります。
- 新薬
- 生理活性グリカン
- 糖鎖ワクチン
使用されるツール
以下はグリカン分析で一般的に使用される技術の例である[4] [5]
高分解能質量分析法（MS）と高性能液体クロマトグラフィー（HPLC）
最も一般的に適用される方法はMSとHPLCであり、グリカン部分を酵素的または化学的に標的から切断して分析する。[8]糖脂質の場合、脂質成分を分離することなく直接分析することができる。
糖タンパク質由来のN-グリカンは、糖の還元末端に蛍光化合物を標識（還元標識）した後、高速液体クロマトグラフィー（逆相、順相、イオン交換HPLC）で日常的に分析されます。[9] 近年、2-アミノベンズアミド（AB）、アントラニル酸（AA）、2-アミノピリジン（PA）、2-アミノアクリドン（AMAC）、3-（アセチルアミノ）-6-アミノアクリジン（AA-Ac）など、多種多様な標識が導入されました。[10]
O-グリカンは、化学的な放出条件により標識が付かないため、通常はタグなしで分析されます。[11]
高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置から分画されたグリカンは、 MALDI -TOF-MS（MS）でさらに分析して、構造と純度に関するさらなる情報を得ることができます。グリカンプールは、前分画なしで質量分析法によって直接分析されることもありますが、同重体グリカン構造間の区別はより困難であり、常に可能であるとは限りません。いずれにしても、直接MALDI -TOF-MS分析は、グリカンプールの迅速かつ直接的な図示につながります。[12]
近年、質量分析と組み合わせた高速液体クロマトグラフィーが普及してきました。液体クロマトグラフィーの固定相として多孔質グラファイトカーボンを選択することにより、非誘導体化グリカンも分析できます。この用途では、エレクトロスプレーイオン化（ESI）がよく使用されます。[13] [14] [15]
多重反応モニタリング (MRM)
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、最初の四重極で所定のプリカーサー 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た三重四重極 (QqQ) 装置で実行されます。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。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。[16] [17] [18]
表1：糖鎖分析における質量分析法の利点と欠点
配列
レクチンおよび抗体アレイは、グリカンを含む多くのサンプルのハイスループットスクリーニングを提供します。この方法では、天然レクチンまたは人工モノクローナル抗体のいずれかを使用し、両方を特定のチップ上に固定し、蛍光糖タンパク質サンプルとともにインキュベートします。
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。
グリカンの代謝と共有結合標識
グリカンの代謝標識は、グリカン構造を検出する方法として使用できます。よく知られている戦略には、シュタウディンガー連結反応を使用して反応できるアジド標識糖の使用が含まれます。この方法は、グリカンの in vitro および in vivo イメージングに使用されています。
糖タンパク質のためのツール
複雑なグリカンの完全な構造解析のためのX線結晶構造解析と核磁気共鳴（NMR）分光法は、困難で複雑な分野です。しかし、多数のレクチン、酵素、その他の糖結合タンパク質の結合部位の構造は、グリコーム機能のさまざまな構造的基礎を明らかにしています。試験サンプルの純度は、クロマトグラフィー（アフィニティークロマトグラフィーなど）と分析電気泳動（PAGE（ポリアクリルアミド電気泳動）、キャピラリー電気泳動、アフィニティー電気泳動など）によって得られています。
ソフトウェアとデータベース
グリコミクス研究に利用できるオンライン ソフトウェアとデータベースがいくつかあります。これには以下が含まれます。
参照
参考文献
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外部リンク
- glycosciences.de このサイトは、糖鎖生物学と糖鎖科学のためのデータベースとバイオインフォマティクス ツールを提供します。
- GlycomeDB、糖構造メタデータデータベース
- GlycoBase グルコース単位値として表される溶出位置を含む Web HPLC/UPLC リソース。
- ProGlycAn グリカン分析とN-グリカンの命名法の簡単な紹介
- 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)。
- CD BioGlyco このサイトでは、グリカンの放出、分離、精製、グリカンの誘導体化からグリカンの特性評価および定量化まで、グリコミクスの分野におけるデータベースとツールを提供しています。