Sokerit lääketieteessä

Transkriptio

1 Sokerit lääketieteessä Risto Renkonen Haartman Instituutti & Biomedicum, Helsingin yliopisto Syksy 2006

2 Johdanto GDP-mannose pathway GLUCOSE Golgi M1P M6P G6P Pentose phosphate pathway GDP-Man F6P GDP-Man Dol P-Man ER Glycolysis Synteesi Citrate cycle Energiaa

3 Sokerit energian lähteenä ja rakennusaineina - tärkkelys on glukoosin polymeeri - pilkkoutuu glukoosiksi, josta saadaan mm ATP:ta tai rakennuspalikoita

4 Sokerien eli hiilihydraattien kaava: (CH 2 O) n Monosakkaridit ovat aldehydejä TAI ketoneja

5 Bakteerien soluseinässä -penisilliini (betalaktaami antibiootit) estävät peptidoglykaanin ristisidokset (= soluseinän synteesin) - ihmisiltä puuttuu tämä rakenne ja siksi antibiooteilla ei ole paljon suoria sivuvaikutuksia

6 Sokeri-proteiini liitos kts esim lektiinit

7 Solujen tarttuminen toisiinsa

8 sukupuu

9

10 Glykosiidisen sidoksen syntyminen

11 Tavallinen pöytä sokeri - sukraasi entsyymi pilkkoo tämän

12 Maitosokeri - ongelmia tulee jos ei omaa laktaasia, joka purkaa sidoksen ja vapauttaa glukoosia -tutkitaan rasituskokeessa, jossa [gluc] tulisi kohota

13 Estää monien hiiva- ja bakteerisolujen jäätymistä

14 Lineearisia glukoosin polymeerejä Ravinto: - ihmiset voivat käyttää tärkkelystä (starch) ravintona, koska meillä on amylaasi, joka pilkkoo entsymaatisesti glukoosit irti - sellulosaa emme osaa itse hajottaa, pilkkova entsyymi puuttuu - märehtijät voivat syödä heinää sillä niillä on ruoansulatuskanavassa cellulase entsyymejä tuottavia bakteereja

15 Kitiini --GlcNacβ1,4GlcNAc-- lineaarinen polymeeri - luonnon yleisimpiä sokerirakenteita - selkärangattomat - äyriäiset, simpukat, kovakuoriaiset, jne

16 Haaroittuvia polymeerejä

17 Glucosamineglucans, GAGs

18 Lipopolysakkaridi - LPS LPS rakenne Gram-negastiivisella bakteerilla (Salmonella)

19 Sokeri-peptidi sidokset 1

20 Sokeri-peptidi sidokset 2

21 Sokerien syntetisointi proteiinien päälle N-linkatut: GlcNAc 2 - Mannoosi 9 - kompleksi kiinni proteiiniin sitten otetaan pois 3-5 Man yksikköä ja haaroitetaan GlcNAc yms sokereilla -- N--

22 N-linkatun sokerin core-rakenne

23 N-linkatun sokeriketjun pidennys

24 N-linkatuilla sokereilla koristeltu glykoproteiini

25 N-linkatun sokeriketjun synteesi ER:ssä

26 Synteesi O-linkatut: GalNAc liitetään entsyymillä seriini tai threoniini aminohappoon sokeriketjua voidaan kasvattaa suorana ja/tai haaroittaa

27 Sokereita biologiassa Nukleiinihapot, proteiinit ja sokerit ovat biopolymeereja Sokereiden erityispiirre on niiden rakenteiden monimuotoisuus: DNA:n neljästä nukleotidistä voidaan järjestää 64:llä eri tavalla kolmen nukleotidin ketju Neljästä monosakkaridista voidaan saada yli erilaista kolmikkoa

28 Sokeritutkimuksen ongelmat Yli 50% solujen pintaproteiineista on sokeroitu eli ne ovat glykoproteiineja Sokereita on ollut hyvin vaikea tutkia, 1990-luvulla tilanne alkoi nopeasti muuttua Kromatografialaitteet ovat kehittyneet nopeasti Ydinmagneettinen spektroskopia (NMR) sekä massaspektrometria ovat avanneet uusia mahdollisuuksia Ensimmäiset sokerirakenteiden synteesiin osallistuvat transferaasit kloonattiin jo 1980-l lopussa

29 Nuclear magnetic resonance (NMR)

30 Massaspektrometrometria mm KCl (33.904) TOF MS ES % m/z

31 Massaspektrometrometria 2

32 Glykoproteiinen tunnistus

33 Glykopeptidien analyysi N-432

34 ABO veriryhmä antigeenit ovat sokereita

35 Lektiinit Vicia cracca, (hiirenvirna) HY:ssä löydettiin lektiinit - proteiineja, jotka tunnistavat ja sitovat vain tiettyä sokerirakennetta - ABO veriryhmä spesifit lektiinit 1990 nisäkäslektiinit eli selektiinit näillä keskeinen osuus solujen tarttumisessa toisiinsa

36 Lektiineja ja niiden tunnistamia sokereita

37

38 Mitä glykoproteiinit tekevät? Esim. Neisseria ja Helicobacter naamioituvat" isäntää muistuttaviin sokereihin ja välttävät täten immunopuolustuksen Bakteerit, virukset ja parasiitit voivat kiinnittyä sokereilla isäntänsä soluihin - Terminaalinen sialihappo toimii reseptorina useiden virusten hemagglutiniineille - Limakalvoilla tietty sokerirakenne toimii spesifisen virtsatietulehdusten aiheuttajan eli E. colin reseptorina

39 Influenza-virus tarttuu epiteeliin

40 Sokerit voivat modifioida proteiineja - suojaavat hajottavia entsyymejä vastaan - suojaavat vasta-aineita vastaan (virusproteiinit) - auttavat proteiinien endoplastic reticulumissa (ER) tapahtuvassa laskostumisessa - calnexin-calreticulin reitti tunnistaa ja tuhoaa väärin sokeroidut ja laskostetut proteiinit

41 Sokerit voivat modifioida proteiineja 2 - Sokerointi vaikuttaa monien hormonien ja sytokiinien aktiivisuuteen - HCG, N-linkatut sokerit tässä tärkeitä signaalin välitykselle soluun - EPO ja GM-CSF, N-linkattuja sokereita tarvitaan näiden sytokiinien tarttumiseen solun pinnan reseptoriin

42 Sokerit voivat modifioida proteiineja 3 Immunoglobuliinit eli vasta-aineet ovat sokeroituja - toimivat paremmin jos oikein sokeroituja

43 Fukoosi Oleellinen solujen välisissä interaktioissa Inflammaatioissa eli tulehduksissa infektioissa syöpäsolujen metastaasien muodostuksessa Myös osana ABO-veriryhmäantigeenien runkoa

44 Syöpäsolujen metastasointi Fukosyloidut sokerit ja selektiinit usein mukana metastaasien leviämisessä

45 Sokereiden synteesi Golgissa GDP-Fucose GMP+ Pi α1,3-fucosyltransferase Sialyl lactosamine Sialyl Lewis x SAα2,3Galβ1,4GlcNAc SAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAc

46 Glykosyylitransferaasit Kloonattu jo >15 v. ajan Tänään jo n 200 ilmennettyä gt'tä Useita isoentsyymejä, jotka katalysoivat näennäisesti samaa reaktiota Ovat pääosin kiinni Golgin solumembraaneissa

47

48 Fukosyloitu glykaani sialyl Lewis x (slex) Neu5Acα2 3 Galβ1-4GlcNAc Fuc α1 3 SAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAc

49 Valkosolujen kierto Normaalisti valkosolut kiertävät verenkierrossa suurella nopeudella Valkosolut pääsevät tulehtuneeseen kudokseen tunkeutumalla verisuonen endoteelin läpi (ekstravasaatio) Normaalisti vain imusolmukkeissa tulehduspesäkkeissä tätä voi tapahtua missä elimessä tahansa

50 Valkosolujen siirtyminen kudoksiin

51 Valkosolujen rullaus Dynaaminen tapahtuma Vrt lentokoneen laskeutuminen kiitoradalle solujen kiinnittyminen ja irtoaminen vaativat nopeaa kinetiikkaa Tähän pystyy sokerit-proteiinit vuorovaikutus (sulfo)slex -selektiinit

52 Selektiinit ja niiden ligandit L-selektiini valkosoluissa ligandit: CD34 ja MAdCAM-1 endoteelissa, mikäli ovat sulfo slex koristeltuja E- ja P-selektiini endoteelissa ligandit: PSGL-1 ja ESL-1, mikäli ovat slex koristeltuja

53 Endoteelin (sulfo) slex lisääntyy voimakkaasti elinsiirteen hyljinnän alkaessa Vasta-aineita: - 2F3/ HECA-452 tunnistaa slex rakenteen MECA-79 tunnistaa sulfatoidun rakenteen - Mitä enemmän sulfo slex sokereita endoteelissa on sitä vakavampi tulehdusreaktio

54 Sokerit tulehdustilanteissa Lymfosyyttien tunkeutuessa elinsiirteisiin hyljinnän alkaessa slex sokerirakenteet ilmestyvät verisuonen sisäpintaan ko. sokerirakenteet houkuttelevat L-selektiini positiiviset lymfosyytit verenkierrosta kudoksiin

55 Multivalenttien slex sokereiden teho Linear t etra sln Linear tetrav. slex 100 Branched t et rav. sln 50 Branched t et rav. slex [Oligosacchar ide] nm

56 Keuhkotulehduksia 2F3 HECA-452 MECA * *** * *** ** *** 2 0 Co Ba Ards Cb Fa Gi Co Ba Ards Cb Fa Gi histological diagnosis Co Ba Ards Cb Fa Gi

57 Sokereita astmaatikon kehkojen verisuonten endoteelissä Astmapotilaan bronkusbiopsiassa on verisuonten endoteelissä sulfo slex sokeria normaali astma

58 Tulehduksen suuntanumerot (% of reactive vessels) Normal Inflammed 2F3/Heca452/Meca79 2F3/Heca452/Meca79 Skin Heart Lung Colon Thyr Toppila Set al. Am. J. Pathol. 1999, Am J. Respir. Cell Mol. Biol 2000, Kirveskari J et al. JASN 2000, Renkonen J et al Am. J. Pathol

59 Valkosolut alkavat rullata tulehduspesäkkeen verisuonissa

60 Valkosolut tulehduspesäkkeessä 1

61 Valkosoluja tulehduspesäkkeessä 2 a b

62 Yhteenvetoa a = sokerit-lektiinit b = influenza virus tarttuu epiteelin glykoproteiineihin c = pertussis toksiini tarttuu glykolipideihin d = Helicobacter pylori voi tarttua moniin sokerirakenteisiin e = selektiinit välittää valkosolujen tarttumista

63 Systeemibiologiasta - Parhaillaan luodaan osaluetteloita - On päästy high- throughput reduktionismin aikakaudelle Tarvitaan keinoja, joilla komponettidataa kasataan kokonaisuudeksi Systeemibiologia pyrkii luomaan järjestystä ja ymmärrystä monimutkaisiin biologisiin malleihin