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Glycolipide, Glycoproteine, Proteoglycane und Glycosaminoglycane bilden die vier Hauptklassen von komplexen, heterogenen Kohlenhydrate als Glykane gemeinsam bekannt. So allgegenwärtig und integrale Bestandteile der Plasmamembran, Glykokalyx, und die extrazelluläre Matrix und Flüssigkeiten, teilzuhaben Glycane in so unterschiedlichen biochemischen Prozesse wie Endozytose intrazellulär Handel, Zellmotilität, Signaltransduktion, molekularen Erkennung, Rezeptoraktivierung, Zelladhäsion, Wechselwirkung Wirt-Pathogen , die interzelluläre Kommunikation, immunosurveillance und Immunantwort Initiation. 1 Präsent in fast jeder Domäne des Lebens, wie Glycosyltransferasen bekannte Enzyme , die Glykan Polymere wirken im Tandem bauen mit Glycosidhydrolasen (auch als Glycosidasen bekannt, die Glykane brechen) zu konstruieren, gestalten, und schließlich produzieren abgeschlossen Glykan Polymere 2. Obwohl jeder Glycosyltransferase auf verschiedenen Glycokonjugaten arbeiten kann, eine Glycosyltransferaseallgemein schmiedet eine linkage- und Anomer-spezifischen glykosidischen Bindung durch die Monosaccharid - Einheit eines bestimmten aktivierten Nucleotidzucker Donator übertragen (beispielsweise GDP-Fucose) zu einer bestimmten Kategorie von nucleophilen Akzeptoren (beispielsweise ein Lipid, Polypeptid, eine Nukleinsäure, oder wachsende Oligosaccharid). Es wurde geschätzt , dass mehr als 50% der Proteine (insbesondere Membran und sekretorischen Proteinen) sind post-translational durch Glykosylierung modifiziert 3 Rudimentäre kombinatorischen Berechnungen eine Anerkennung für die große Variabilität bieten, Vielseitigkeit und Spezifität an Glykoproteine durch Glykosylierung gewährt. Wenn ein Polypeptid Substrat 10 Glykosylierungsstellen zum Beispiel, hat , und jede Seite kann mit 1 von nur 3 verschiedene Monosaccharid des reduzierenden Enden, dann theoretisch die endgültige Glykoprotein kann 3 10 = 59.049 verschiedene Identitäten annehmen eine glycosidische Bindung bilden. In Glykoproteine bilden Glykosidbindungen gemeinsam mit der Seitenketten-Stickstoff of Asparaginresten in der Sequenz Asn-X-Ser / Thr (X ist eine beliebige Aminosäure außer Prolin sein kann) N zu ergeben Glycane 2 und Seitenketten - Hydroxylgruppen von Serin und Threonin - Resten O 4 - Glycane zu ergeben. Die Zusammensetzung einer glycome der Zelle (dh sein Komplement von Glykosylierungsprodukte) ist einzigartig und begrenzt , da mit wenigen Ausnahmen, Glycosyltransferasen strenge Spender zeigen, Akzeptor und Verknüpfung Spezifität. 5 Wichtige und reichlich Blutplasma Glykoproteine anomale Glykosylierung als nachgeschalteter Folge leiden viele pathologische Zustände abnormer Glycosyltransferase Expression und Aktivität aufgrund, insbesondere Krebs und entzündlichen Erkrankungen. 6-24
Vor allem aufgrund der epigenetischen Faktoren ist die glycome wesentlich vielfältiger, dynamischer und komplexer als das Proteom und Transkriptom. 25,26 Während etwa 1% des Säugetiergenoms , die Bildung, Modifikation kodiert, undMontage von Glycanen, 27 Glykosylierung erfolgt in einem nicht-template risch-ein deutlichem Gegensatz zu Polypeptid und Nukleinsäure - Biosynthese. Das Zusammenspiel zwischen der relativen Menge und Aktivität der Glycosylierungsenzyme und solche Umweltfaktoren als Nährstoff und Vorläufer Verfügbarkeit bestimmt letztendlich die Art, die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Glykosylierung. 5,28 Embryonalentwicklung (zB Bestimmung und Differenzierung), Zellaktivierung, und die Progression durch der Zellzyklus Einfluss Genexpression (dh Transkription und Translation) und die Identität und die Menge der verfügbaren Glycosyltransferasen ändern, deren Tätigkeit die unmittelbare stromauf Determinante des Glycans Profil der Zelle. Weil (einige) die proliferative, Klebstoff und invasive Eigenschaften von Krebszellen ähneln denen der gewöhnlichen embryogenen Zellen, spezifische Änderungen in Glykan Biosynthesewege (zB Vorläufer Akkumulation, deregulierten Expression aberrant Modifikation, strukturelle Abschneiden oder neuartige Bildung) dienen als universelle Krebs Biomarker , die verschiedenen Stadien der Tumorbildung zeigen, Progression, Migration und Invasion 29 Obwohl Glykosylierung sehr komplex ist, offenbar nur wenige Änderungen in der Glykosylierung der Karzinogenese und Metastasierung ermöglichen kann. offenbar gewisse "anomale" Glykosylierungsprodukte tatsächlich Krebszellen profitieren , indem ihnen die Immunerkennung zu entziehen und die Anforderungen der Migration in unwirtlichen intravaskulären und metastatischen Umgebungen überleben. 28,30,31 nicht überraschend, haben Versuche gezeigt , dass zu stören oder zu verhindern Muster verändert Genexpression und anomale Glykan Bildung kann tumorigenesis stoppen. 29 Dennoch sind die anomalen in einer Biofluid Probe nachgewiesen Glykane (zB Urin, Speichel und Blutplasma oder Serum) kann nicht sein , direkte Indikatoren für Krebs (oder eine andere Krankheit), sondern stromabwärts Ergebnisse der subtilen, aber signifikantVeränderungen im Immunsystem oder quantifizierbaren Auswirkungen eines schädlichen Zustand in einem unberechenbaren Organ. 32
Obwohl sie universal Informationen über die glycome viele molekulare Wechselwirkung basierenden glycomics Techniken (beispielsweise Lectin / Antikörper - Arrays und metabolische / kovalente Markierung) liefern , hängen von der Erkennung von ganzen Glykanstrukturen und liefern keine detaillierte Strukturinformationen zu den einzelnen Glykane. In deutlichem Gegensatz dazu kann der Massenspektrometrie (MS) identifizieren und individuelle Glykanstrukturen quantifizieren und solche strukturellen Informationen wie die Befestigungsstellen an Polypeptid Kerne aufzudecken. Deregulierten Expression oder Aktivität von nur einer Glycosyltransferase kann eine Kaskade von schädlichen molekularen Vorgänge in mehreren Glycosylierungswege initiieren. Da jeder Glycosyltransferase auf mehr als einem Glykokonjugat Substrat und in den verschiedenen wachsenden Glykan Polymere, dereguliert Biosyntheseketten ergeben dispropor arbeiten kanntional erhöhte Mengen von 33 jedoch nur ein Glykan Produkt , sondern mehrere heterogene Klassen von anomalen Glykane in intra- oder extrazellulären Flüssigkeiten., so einzigartig anomale Glykane manchmal gelten als unpraktisch als Biomarker für Krebs oder andere Glykan-affektiven Erkrankungen , da im Vergleich zu den großen Pool von gut regulierten Glykane, diese anomale Glykane nur ein sehr geringer Anteil, der kann oft nicht nachweisbar bleiben, auch durch solche hochempfindliche Techniken wie Massenspektrometrie. Beispielsweise in intra- und extrazellulären Körperflüssigkeiten, die breite Proteinkonzentrations - Spektrum (die acht Grßenordnungen umspannt) können Detektions knapper Glycoproteine zu verhindern , die durch die reichlicher Spezies maskiert sind. 32 Außerdem Glycosyltransferaseaktivität Bestimmung bleibt ein erheblicher praktischer und theoretische Herausforderung , weil viele Glycosyltransferasen fehlen in der klinischen biofluids oder inaktiv ex vivo. Trotz der Schwierigkeit, consistently Erfassung und extrem winzigen Mengen von einzigartigen Ganzen Glykane zu quantifizieren, Praktiker der Massenspektrometrie haben enorme Fortschritte in Richtung auf den Einsatz intakter Glykane als klinischer Marker gemacht. Wir haben vor kurzem einen komplementären Ansatz zur Analyse von intakten Glykane entwickelt, die GC-MS verwendet wird, die Erfassung aller konstituierenden Verzweigungspunkt und bindungsspezifischer Monosaccharide ( "Glykan Knoten"), die zusammen verleihen Einzigartigkeit jedes Glykan und in vielen erleichtert Fälle direkt als molekulare Surrogate dienen, die die relative Aktivität des schuldhaftem Glycosyltransferase (n) zu quantifizieren.
Seit seiner ersten 1958 die direkte Anwendung auf Glykananalyse berichtet, Gaschromatographie (GC) ist eine leistungsfähige Technik erwiesen per-methyliert Mono- und Disacchariden 34 zu analysieren, bestimmen ihre anomericity und absolute Konfiguration und sie für die nachfolgende massenspektrometrische Analyse trennen. 35 zwischen 1984 und 2007, Ciucanu und Kollegeneine Festphasen - Glycan Permethylierung Technik eingeführt und verfeinert , die Natriumhydroxid und Iodmethan verwendet wird , durch Flüssig / Flüssig - Extraktion von permethyliertem Glykane mit Wasser und Chloroform. 35,36 Zwischen 2005 und 2008, Kang und Mitarbeiter integriert , um eine zeitsparende Spin -column Ansatz in den Permethylierung Schritt. 37,38 im Jahr 2008 erarbeitete die Goetz Forschungsgruppe eine quantitative Festphasen - Permethylierung Glykan-Profilierungsverfahren unter Verwendung von Matrix-assistierte Laser - Desorptions-Ionisations (MALDI) Massenspektrometrie zu vergleichen und möglicherweise unterscheiden invasive und nicht -invasive Brustkrebszellen; 39 dann, im Jahr 2009, die Goetz Team kombiniert enzymatische und chemische Release - Techniken zu spalten O - Glycane aus intakten Glykoproteinen in einer stark alkalischen Festphasen Permethylierung Schema 40 Obwohl die Goetz Verfahren gleichzeitige Permethylierung und chemischen Freisetzung erleichtert. O - Glycane, wurde es nur auf vorisolierten Glyco angewendetProteinen. Wir diese Technik im Jahr 2013 modifiziert und angepasst für ganze unfraktioniertem Biofluiden und homogenisiert Gewebeproben von Trifluoressigsäure enthält (TFA) Hydrolyse, Reduktion und Acetylierung Schritte. 33 Diese zusätzlichen Schritte auch Glykane aus Glycolipiden und N lösen -verknüpfte Glykane aus Glykoproteinen und wandeln sie in teilweise methylierte Alditolacetate (PMAAs, Abbildung 1), dessen Unterscheidungs Methylierungs-and-Acetylierung Muster erleichtern die Analyse durch GC-MS und zu charakterisieren , in einzigartiger Weise die konstituierenden Glykan Knoten in der ursprünglichen intakten Glykan Polymer 41 (Abbildung 2). 33 letztlich diese Verfahren erzeugt ein zusammengesetztes Porträt aller Glykane in einem komplexen Biofluid basierend auf direkte, relative Quantifizierung von einzigartigen Glykan Funktionen wie "Kern Fukosylierung", "6-Sialylierung", "bisecting GlcNAc" und "beta 1-6 Verzweigung" - jeweils von einem einzigen GC-MS chromatographic Spitze. Dieser Artikel stellt eine weitere Optimierung der Permethylierung, Acetylierung, Isolation und Clean-up-Phasen zusammen mit Verbesserungen in der Art der relativen Quantifizierung.