グリコーム
生物中の遊離糖または結合糖の集合
グライコームとは糖タンパク質と糖脂質から構成されています。

グライコームとは、生物を構成するすべての糖（遊離糖またはより複雑な分子に化学的に結合したもの）の完全な集合体です。別の定義としては、細胞内の炭水化物全体があります。グライコームは、自然界で最も複雑な実体の一つと言えるかもしれません。「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、特定の細胞種または生物における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。[1]

「炭水化物」、「グリカン」、「糖類」、「糖」は、この文脈において互換的に使用される総称であり、単糖類、オリゴ糖、多糖類、およびこれらの化合物の誘導体を含みます。炭水化物は「水和炭素」、すなわち[CH 2 O]nで構成されています。単糖類は、より単純な炭水化物に加水分解されない炭水化物であり、オリゴ糖および多糖類の構成要素です。オリゴ糖は、グリコシド結合によって互いに結合した単糖の直鎖または分岐鎖です。単糖単位の数は様々です。多糖類は、一般的に10単位を超える長さの単糖が繰り返して構成されるグリカンです。[2]

グライコームは、その構成糖質の多様性によりプロテオームの複雑さを凌駕し、さらに糖質同士、そしてタンパク質との組み合わせや相互作用の可能性の多様さによって複雑化しています。「グリカン構造（グライコーム）のスペクトルは広大です。ヒトにおいては、その大きさはゲノムにコードされているタンパク質の数よりも桁違いに大きく、そのうちの1%は、グリカンと呼ばれる糖鎖を生成、修飾、局在化、または結合するタンパク質をコードしています。」[3]

細胞の外表面は脂質の海で、無数の糖分子が密集しています。その多くはタンパク質、脂肪、あるいはその両方に結合しており、細胞外の分子と相互作用し、細胞間のコミュニケーションや細胞の粘着性に重要な役割を果たしています。「グリカンは自然界の生物学的修飾因子です」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者であるジェイミー・マースは述べています。「グリカンは一般的に生理学的プロセスのオン/オフを切り替えるのではなく、むしろ外部刺激に反応することで細胞の挙動を変化させます。」[4]

グリコーム研究に使用されるツール

以下はグリカン分析で一般的に使用される技術の例です。[5]

高分解能質量分析法（MS）と高速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。[6]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）によって日常的に分析されます。[7] 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ています。[8]

O-グリカンは、化学的な放出条件によりラベル付けができないため、通常はタグなしで分析されます。

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）によってさらに分析することができ、構造と純度に関する更なる情報を得ることができます。グリカンプールは、分画せずに質量分析法で直接分析される場合もありますが、同重体グリカン構造の識別はより困難であり、必ずしも可能とは限りません。いずれにせよ、MALDI -TOF-MSによる直接分析は、グリカンプールの迅速かつ簡便な解析につながります。[9]

近年、高速液体クロマトグラフィーと質量分析を組み合わせたオンライン分析法が急速に普及しています。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可能となります。検出は質量分析法で行いますが、MALDI -MSではなく、エレクトロスプレーイオン化（ESI）がより一般的に用いられています。[10] [11] [12]

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において広く利用されていますが、その高い感度と広いダイナミックレンジにわたる直線性応答は、糖鎖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）装置で行われ、第一四重極で所定のプリカーサーイオン、コリジョン四重極でフラグメントイオン、そして第三四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ます。これは非スキャン方式であり、各遷移は個別に検出され、複数の遷移はデューティサイクル内で同時に検出されます。この技術は、免疫グライコームの特性評価に使用されています。[13] [14]

表1：糖鎖分析における質量分析法の利点と欠点

利点 デメリット
  • 少量のサンプル（fmol 未満の範囲）に適用可能
  • 複雑なグリカン混合物（さらなる分析次元の生成）に役立ちます。
  • 結合側はタンデム MS 実験 (側特異的グリカン分析) によって分析できます。
  • タンデム MS 実験によるグリカン配列決定。
  • 破壊的な方法。
  • 適切な実験設計の必要性。

配列

レクチン・抗体アレイは、糖鎖を含む多数のサンプルのハイスループットスクリーニングを可能にします。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、これらを特定のチップ上に固定化し、蛍光糖タンパク質サンプルと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利用できます。よく知られている戦略としては、アジド標識糖を用い、シュタウディンガーライゲーション反応を利用する方法があります。この方法は、グリカンのin vitroおよびin vivoイメージングに利用されています。

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。しかしながら、数多くのレクチン、酵素、その他の糖結合タンパク質の結合部位の構造は、グライコーム機能の多様な構造的基盤を明らかにしてきました。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）によって測定されています。

参照

出典と注釈

  1. ^ 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
  2. ^ 糖鎖生物学のエッセンス
  3. ^ Freeze, Hudson H. (2006-07-01). 「ヒトグリコームにおける遺伝的欠陥」 . Nature Reviews Genetics . 7 (7): 537– 551. doi :10.1038/nrg1894. ISSN  1471-0056. PMID  16755287.
  4. ^ Trivedi, Bijal P. (2001年5月14日). 「グリコーム・プロジェクト - 糖衣錠で覆われた提案」. Genome News Network. 2022年5月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  5. ^ 糖鎖生物学のエッセンシャル（第2版）. コールド・スプリング・ハーバー研究所出版. 2009年. ISBN 9780879697709。
  6. ^ Wada Y, Azadi P, Costello CE, et al. (2007年4月). 「糖タンパク質グリカンのプロファイリング法の比較—HUPOヒト疾患グリコミクス/プロテオーム・イニシアチブ多施設研究」. Glycobiology . 17 (4): 411–22 . doi : 10.1093/glycob/cwl086 . PMID  17223647.
  7. ^ 長谷 誠、池中 剛、松島 雄一 (1978年11月). 「還元末端糖への蛍光標識によるオリゴ糖の構造解析」. Biochem. Biophys. Res. Commun . 85 (1): 257–63 . doi :10.1016/S0006-291X(78)80037-0. PMID  743278.
  8. ^ Pabst M, Kolarich D, Pöltl G, et al. (2009年1月). 「オリゴ糖の蛍光標識の比較と新しい標識後精製法の導入」. Anal. Biochem . 384 (2): 263– 73. doi :10.1016/j.ab.2008.09.041. PMID  18940176.
  9. ^ Harvey DJ, Bateman RH, Bordoli RS, Tyldesley R (2000). 「マトリックス支援レーザー脱離／イオン化イオン源を備えた四重極飛行時間型質量分析計による複合グリカンのイオン化およびフラグメンテーション」Rapid Commun. Mass Spectrom . 14 (22): 2135–42 . Bibcode :2000RCMS...14.2135H. doi :10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-#. PMID  11114021.
  10. ^ Schulz, BL; Packer NH, NH; Karlsson, NG (2002年12月). 「ゲル電気泳動法による糖タンパク質およびムチンからのO結合型オリゴ糖の小規模分析」. Anal. Chem . 74 (23): 6088–97 . doi :10.1021/ac025890a. PMID  12498206.
  11. ^ Pabst M, Bondili JS, Stadlmann J, Mach L, Altmann F (2007年7月). 「質量 + 保持時間 = 構造：カーボンLC-ESI-MSによるN-グリカン分析戦略とフィブリンN-グリカンへの応用」. Anal. Chem . 79 (13): 5051–7 . doi :10.1021/ac070363i. PMID  17539604.
  12. ^ Ruhaak LR, Deelder AM, Wuhrer M (2009年5月). 「グラファイト化炭素液体クロマトグラフィー-質量分析法によるオリゴ糖分析」. Anal Bioanal Chem . 394 (1): 163– 74. doi : 10.1007/s00216-009-2664-5 . PMID  19247642.
  13. ^ Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin M, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (2015). 「免疫系におけるグリカンと自己免疫におけるグリカン変化理論」. J Autoimmun . 57 (6): 1– 13. doi :10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468  . 
  14. ^ Flowers, Sarah A.; Ali, Liaqat; Lane, Catherine S.; Olin, Magnus; Karlsson, Niclas G. (2013-04-01). 「関節リウマチにおける唾液MUC7タンパク質中の硫酸化および非硫酸化コア1 O-グリカンの異性体を識別し、相対定量するための選択反応モニタリング」Molecular & Cellular Proteomics 12 ( 4): 921– 931. doi : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN  1535-9484. PMC 3617339. PMID 23457413  . 

さらに読む

  • Bio-IT World グリコミクスを網羅した定期刊行物
  • 平林 淳、荒田 雄一、葛西 健一 (2001年2月). 「グライコームプロジェクト：概念、戦略、および線虫Caenorhabditis elegansへの予備的応用」.プロテオミクス. 1 (2): 295– 303. doi :10.1002/1615-9861(200102)1:2<295::AID-PROT295>3.0.CO;2-C. PMID  11680876. S2CID  42203562.（全ゲノム配列がすでに解読されている微小な線虫であるCaenorhabditis elegansをグライコームプロジェクトの基盤とする提案）
  • 「グリコチップ」
  • キャロリン・ベルトッツィ氏セミナー：「化学糖鎖生物学」
  • 「ヒトグリコームプロジェクト」。
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