Sokerit lääketieteessä Risto Renkonen Haartman Instituutti & Biomedicum, Helsingin yliopisto Syksy 2006
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
Sokerit energian lähteenä ja rakennusaineina - tärkkelys on glukoosin polymeeri - pilkkoutuu glukoosiksi, josta saadaan mm ATP:ta tai rakennuspalikoita
Sokerien eli hiilihydraattien kaava: (CH 2 O) n Monosakkaridit ovat aldehydejä TAI ketoneja
Bakteerien soluseinässä -penisilliini (betalaktaami antibiootit) estävät peptidoglykaanin ristisidokset (= soluseinän synteesin) - ihmisiltä puuttuu tämä rakenne ja siksi antibiooteilla ei ole paljon suoria sivuvaikutuksia
Sokeri-proteiini liitos kts esim lektiinit
Solujen tarttuminen toisiinsa
sukupuu
Glykosiidisen sidoksen syntyminen
Tavallinen pöytä sokeri - sukraasi entsyymi pilkkoo tämän
Maitosokeri - ongelmia tulee jos ei omaa laktaasia, joka purkaa sidoksen ja vapauttaa glukoosia -tutkitaan rasituskokeessa, jossa [gluc] tulisi kohota
Estää monien hiiva- ja bakteerisolujen jäätymistä
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
Kitiini --GlcNacβ1,4GlcNAc-- lineaarinen polymeeri - luonnon yleisimpiä sokerirakenteita - selkärangattomat - äyriäiset, simpukat, kovakuoriaiset, jne
Haaroittuvia polymeerejä
Glucosamineglucans, GAGs
Lipopolysakkaridi - LPS LPS rakenne Gram-negastiivisella bakteerilla (Salmonella)
Sokeri-peptidi sidokset 1
Sokeri-peptidi sidokset 2
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--
N-linkatun sokerin core-rakenne
N-linkatun sokeriketjun pidennys
N-linkatuilla sokereilla koristeltu glykoproteiini
N-linkatun sokeriketjun synteesi ER:ssä
Synteesi O-linkatut: GalNAc liitetään entsyymillä seriini tai threoniini aminohappoon sokeriketjua voidaan kasvattaa suorana ja/tai haaroittaa
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 10.000 erilaista kolmikkoa
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
Nuclear magnetic resonance (NMR)
Massaspektrometrometria 1 200 mm KCl 27 918 (33.904) TOF MS ES+ 245.8783 100 301 % 0 246.8911 247.8866 396.4399 392.4337 396.9442 463.1402 463.6413 791.7853 600.1174 513.2612 658.2913 579.0390 658.7628 724.5426 792.7969 914.2244 925.1840 925.2213 963.2394 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 m/z
Massaspektrometrometria 2
Glykoproteiinen tunnistus
Glykopeptidien analyysi N-432
ABO veriryhmä antigeenit ovat sokereita
Lektiinit Vicia cracca, (hiirenvirna) - 1948 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
Lektiineja ja niiden tunnistamia sokereita
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
Influenza-virus tarttuu epiteeliin
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
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
Sokerit voivat modifioida proteiineja 3 Immunoglobuliinit eli vasta-aineet ovat sokeroituja - toimivat paremmin jos oikein sokeroituja
Fukoosi Oleellinen solujen välisissä interaktioissa Inflammaatioissa eli tulehduksissa infektioissa syöpäsolujen metastaasien muodostuksessa Myös osana ABO-veriryhmäantigeenien runkoa
Syöpäsolujen metastasointi Fukosyloidut sokerit ja selektiinit usein mukana metastaasien leviämisessä
Sokereiden synteesi Golgissa GDP-Fucose GMP+ Pi α1,3-fucosyltransferase Sialyl lactosamine Sialyl Lewis x SAα2,3Galβ1,4GlcNAc SAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAc
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
Fukosyloitu glykaani sialyl Lewis x (slex) Neu5Acα2 3 Galβ1-4GlcNAc Fuc α1 3 SAα2,3Galβ1,4(Fucα1,3)GlcNAc
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
Valkosolujen siirtyminen kudoksiin
Valkosolujen rullaus Dynaaminen tapahtuma Vrt lentokoneen laskeutuminen kiitoradalle solujen kiinnittyminen ja irtoaminen vaativat nopeaa kinetiikkaa Tähän pystyy sokerit-proteiinit vuorovaikutus (sulfo)slex -selektiinit
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
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
Sokerit tulehdustilanteissa Lymfosyyttien tunkeutuessa elinsiirteisiin hyljinnän alkaessa slex sokerirakenteet ilmestyvät verisuonen sisäpintaan ko. sokerirakenteet houkuttelevat L-selektiini positiiviset lymfosyytit verenkierrosta kudoksiin
Multivalenttien slex sokereiden teho 250 200 150 Linear t etra sln Linear tetrav. slex 100 Branched t et rav. sln 50 Branched t et rav. slex 0 0.1 1.0 10 [Oligosacchar ide] nm
Keuhkotulehduksia 2F3 HECA-452 MECA-79 6 4 * *** * *** ** *** 2 0 Co Ba Ards Cb Fa Gi Co Ba Ards Cb Fa Gi histological diagnosis Co Ba Ards Cb Fa Gi
Sokereita astmaatikon kehkojen verisuonten endoteelissä Astmapotilaan bronkusbiopsiassa on verisuonten endoteelissä sulfo slex sokeria normaali astma
Tulehduksen suuntanumerot (% of reactive vessels) Normal Inflammed 2F3/Heca452/Meca79 2F3/Heca452/Meca79 Skin 02-09-06 00-15-10 Heart 00-00-00 25-35-35 Lung 00-00-00 04-04-05 Colon 03-08-01 12-15-12 Thyr. 00-02-00 27-32-37 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. 2002.
Valkosolut alkavat rullata tulehduspesäkkeen verisuonissa
Valkosolut tulehduspesäkkeessä 1
Valkosoluja tulehduspesäkkeessä 2 a b
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
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