Введение
Полный набор всех сахаров, свободных или связанных, в организме. Гликома — это совокупность всех сахаров, будь то свободные или химически связанные в более сложных молекулах, организма. Альтернативное определение — это все углеводы в клетке. Гликома может быть одним из самых сложных образований в природе. "Гликомика, аналогично геномике и протеомике, является систематическим изучением всех структур гликанов данного типа клетки или организма" и является частью гликобиологии. "Углеводы", "гликан", "сахарид" и "сахар" — это общие термины, используемые взаимозаменяемо в этом контексте, и включают моносахариды, олигосахариды, полисахариды и производные этих соединений. Углеводы состоят из "гидратированного углерода", то есть [CH2O]n. Моносахариды — это углевод, который нельзя гидролизовать до более простого углевода и является строительным блоком олигосахаридов и полисахаридов. Олигосахариды — это линейные или разветвленные цепи моносахаридов, соединенных друг с другом через гликозидные связи. Количество моносахаридных звеньев может варьироваться. Полисахариды — это гликоны, состоящие из повторяющихся моносахаридов, обычно содержащих более десяти моносахаридных звеньев. Гликома превосходит протеом по сложности из-за еще большего разнообразия составляющих ее углеводов и усложняется огромным количеством возможных комбинаций и взаимодействий углеводов друг с другом и с белками. "Спектр всех структур гликанов — гликома — огромен. У человека ее размер на порядки величины превышает число белков, закодированных геномом, один процент которого кодирует белки, создающие, модифицирующие, локализующие или связывающие сахарные цепи, известные как гликоны". Внешняя поверхность клетки представляет собой море липидов, в котором плавают молекулы сахара, многие из которых прикреплены к белкам, жирам или обоим, взаимодействуя с молекулами вне клетки и играя решающую роль в межклеточной коммуникации и адгезии клеток. "Гликаны — это природные биологические модификаторы", — говорит Джейми Март, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Калифорнийском университете в Сан-Диего. "Гликаны обычно не включают и не выключают физиологические процессы, а скорее изменяют поведение клетки, реагируя на внешние стимулы".
Массовая спектрометрия высокого разрешения (MS) и высокопроизводительная жидкостная хроматография (HPLC)
Наиболее часто применяемые методы – масс-спектрометрия (МС) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), при которых гликанная часть отщепляется от целевой молекулы либо ферментативно, либо химически и подвергается анализу. В случае гликолипидов, их можно анализировать непосредственно, без разделения липидного компонента. N-гликаны из гликопротеинов обычно анализируют с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) – в режиме обращенной фазы, нормальной фазы и ионного обмена – после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (редуктивное мечение). За последние годы было разработано большое разнообразие различных меток, среди которых 2-аминобензамид (AB), антраниловая кислота (AA), 2-аминопиридин (PA), 2-аминоакридон (AMAC) и 3-(ацетиламино)-6-аминоакридин (AA Ac) – лишь некоторые из них. O-гликаны обычно анализируют без меток, поскольку условия химического высвобождения не позволяют их метить. Фракционированные гликанные смеси, полученные с помощью ВЭЖХ, могут быть дополнительно проанализированы методом MALDI TOF MS(MS) для получения более подробной информации о структуре и чистоте. Иногда гликанные пулы анализируют непосредственно методом масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарических структур гликанов может быть затруднено или даже невозможно. В любом случае, прямой анализ методом MALDI TOF MS позволяет быстро и наглядно охарактеризовать гликанный пул. В последние годы широкое распространение получила ВЭЖХ, соединенная в линию с масс-спектрометрией. Использование пористого графитового углерода в качестве стационарной фазы для ВЭЖХ позволяет анализировать даже немодифицированные гликоны. Детектирование в этом случае осуществляется с помощью масс-спектрометрии, при этом электроспрей-ионизация (ESI) используется чаще, чем MALDI MS.
Массивы
Массивы лектинов и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг большого количества образцов, содержащих гликан. Этот метод использует как природные лектины, так и искусственные моноклональные антитела, оба из которых иммобилизуются на определенной матрице (чипе) и инкубируются с флуоресцентным образцом гликопротеина. Гликанные массивы, такие как предлагаемые Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC, содержат углеводные соединения, которые можно исследовать с помощью лектинов или антител для определения специфичности к углеводам и идентификации лигандов.
Метаболическая и ковалентная маркировка гликанов
Метаболическая маркировка гликонов может быть использована для выявления структур гликонов. Хорошо известная стратегия заключается в использовании сахаров, меченных азидом, которые могут вступать в реакцию с помощью лигации Штаудингера. Этот метод применялся для визуализации гликонов in vitro и in vivo.
Инструменты для гликопротеинов
Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для полного структурного анализа сложных гликанов – трудная и сложная область. Однако структура участков связывания многочисленных лектинов, ферментов и других белков, связывающих углеводы, позволила выявить широкое разнообразие структурных основ функционирования гликома. Чистота исследуемых образцов достигалась с помощью хроматографии (например, аффинной хроматографии) и аналитического электрофореза (PAGE (полиакриламидный электрофорез), капиллярного электрофореза, аффинного электрофореза и т.д.).