당생물학: 두 판 사이의 차이

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'''당생물학'''(糖生物學, glycobiology)은 새로운 과학 연구분야로 [[생화학]]과 [[분자생물학]]을 기본지식을 바탕으로 글리칸의 구조, 생합성, 생물학적 기능에 대한 연구 학문이다. 글리칸은 생체의 주요 성분으로 자연에 넓게 존재한다.<ref>Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Stanley P, Bertozzi C, Hart G, Etzler M (2008). ''Essentials of glycobiology''. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition. {{ISBN|0-87969-770-9}}. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=glyco2. </ref><ref>Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Hart G, Marth J (1999). ''Essentials of glycobiology''. Cold Spring Harbor Laboratory Press. {{ISBN|0-87969-560-9}}. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.TOC&depth=2.</ref>


'''당생물학'''(Glycobiology)은 생물학의 새로운 과학 분야로, [[생화학]]과 [[분자생물학]]을 바탕으로 [[당사슬]](Glycan)의 구조, 생합성, 생물학적 기능에 대한 학문이다.<ref name="Varki_2008">{{서적 인용|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=glyco2|제목=Essentials of glycobiology|연도=2008|출판사=Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition|isbn=978-0-87969-770-9}}</ref><ref name="Varki_1999">{{서적 인용|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.TOC&depth=2|제목=Essentials of glycobiology|연도=1999|출판사=Cold Spring Harbor Laboratory Press|isbn=0-87969-560-9}}</ref> 생물체에서 당은 필수 구성 요소이며, 이들이 수행하는 다양한 기능과 역할을 연구한다.
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== 종류 ==
생물학에서는 고분자를 크게 4 개의 종류로 나누어 볼 수 있다: 유전자, 단백질, 지방질 그리고 글리칸이나 또는 당질.


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== 역사 ==
글리칸<ref>Rademacher TW, Parekh RB and Dwek RA. (1988). "Glycobiology". ''Annu. Rev. Biochem.'' '''57''' (1): 785–838. doi:10.1146/annurev.bi.57.070188.004033. PMID 3052290.</ref>은 특별한 특성을 보유하는 고분자 그룹인데, 아주 다양한 분자구조, 올리고메트릭 또는 폴리메트릭, 선형 또는 발달한 분지형을 보유하고 있어 단위체 사이에 여러 타입으로 결합이 가능하다.
[[옥스포드 영어사전]]에서의 당생물학은 [[탄수화물]]의 화학과 생화학의 결합접 학문이라 기록하였다.(1988년 Raymond Dwek)<ref name="rademacher">{{저널 인용|제목=Glycobiology|저널=Annu. Rev. Biochem.|연도=1988|권=57|호=1|쪽=785–838|doi=10.1146/annurev.bi.57.070188.004033|pmid=3052290}}</ref> 이러한 결합은 당사슬의 [[세포생물학]]과 [[분자생물학]]에 대한 훨씬 더 큰 이해의 결과이다.


== 당 접합체 ==
; 글라이콤:
당은 다른 유형의 생물학적 분자와 연결되어 당 접합체(Glycoconjugate)를 형성 할 수 있다. [[글리코실화]]의 효소 과정은 글리코시드 결합에 의해 자신과 다른 분자에 연결된 당 또는 당류를 생성하여 당사슬을 생성한다. [[당단백질]], [[프로테오글리칸]], [[당지질]]은 [[포유류]] 세포에서 발견되는 가장 풍부한 당 접합체이다. 이들은 주로 외부 세포막과 분비된 액체에서 발견된다. 당 접합체는 그 자체에 더하여 다양한 당사슬 결합 수용체(Glycan-binding Receptor)의 세포 표면에 존재하기 때문에 세포-세포 상호 작용에서 중요한 것으로 나타났다.<ref name="Ma_2004">{{저널 인용|제목=CD28 T cell costimulatory receptor function is negatively regulated by N-linked carbohydrates|저널=Biochem. Biophys. Res. Commun.|연도=2004|권=317|호=1|쪽=60–7|doi=10.1016/j.bbrc.2004.03.012|pmid=15047148}}</ref><ref name="Takahashi_2004">{{저널 인용|제목=Role of N-glycans in growth factor signaling|저널=Glycoconj. J.|연도=2004|권=20|호=3|쪽=207–12|doi=10.1023/B:GLYC.0000024252.63695.5c|pmid=15090734}}</ref> [[단백질 접힘]] 및 세포 부착 기능 외에도 단백질의 [[N 연결 당사슬]](N-linked Glycan)은 단백질의 기능을 조절할 수 있으며 경우에 따라 스위치 역할을 한다.
글라이콤은 어떤 유기체의 모든 글리코시드 복합체를 전반적으로 대표하는 식별 카드로 간주될 수 있다. 기관 또는 세포 타입에 따라서 달라진다. 글라이콤은 프로테움보다 훨씬 더 복잡하다 왜냐하면 글라이콤은 기본 구성요소들의 아주 풍부한 구조적 다양성과 복합적인 상호작용에 의한 결합의 결과이기 때문이다.


== 당쇄체학 ==
; 글리칸<ref>Olden K, Bernard BA, Humphries M ''et al.'' (1985).Function of glycoprotein glycans T.I.B.S., February, 78-82.</ref>:
[[당쇄체학]]은 [[유전체학]], [[단백체학]]과 마찬가지로 특정 세포 유형 또는 유기체의 모든 [[당사슬]] 구조의 체계적인 연구 및 당생물학의 하위 집합이다.<ref>[http://www.cshlpress.com/default.tpl?action=full&--eqskudatarq=666 Cold Spring Harbor Laboratory Press] Essentials of Glycobiology, Second Edition</ref><ref>{{저널 인용|제목=Glycobiology simplified: diverse roles of glycan recognition in inflammation.|저널=Journal of Leukocyte Biology|성=Schnaar|이름=RL|날짜=June 2016|권=99|호=6|쪽=825–38|doi=10.1189/jlb.3RI0116-021R|pmc=4952015|pmid=27004978}}</ref>
단당류는 단당류의 하이드록실 (-OH) 그룹의 공간적 방위성에 유인하여, 여러 입체 이성체를 나타낸다. 하이드록실 그룹의 포지션은 당류 사이의 결합 성격을 결정짓는다. 하이드록실 그룹은 카르복실, 아민, 또는N-아세틸 그룹같은 다른 그룹으로 대체될 수 있다.


== 당 구조 연구의 과제 ==
글리칸은 보통 크게 4 개의 종류로 나뉜다:
당 구조에서 볼 수 있는 가변성은 [[단당류]] 단위가 항상 표준 방식으로 함께 결합되는 [[단백질]]의 [[아미노산]] 또는 [[DNA]] 의 [[뉴클레오타이드]]와는 반대로 여러 가지 방식으로 서로 결합되는 것에서 관찰된다.<ref name="kreuger">{{저널 인용|제목=Decoding heparan sulfate|성=Kreuger, J|url=http://www.diva-portal.org/demo/theses/abstract.xsql?dbid=1499|연도=2001|확인날짜=2008-01-11}}</ref> 당사슬 구조에 대한 연구는 [[단백질의 1차 구조|아미노산 서열]]이 상응하는 [[유전자]]에 의해 결정되는 [[단백질]]의 경우와는 달리 생합성을 위한 직접적인 주형이 없기 때문에 복잡하다.<ref>{{저널 인용|제목=A unified vision of the building blocks of life|저널=Nature Cell Biology|성=Marth|이름=JD|연도=2008|권=10|호=9|쪽=1015–6|doi=10.1038/ncb0908-1015|pmc=2892900|pmid=18758488}}</ref>


[[당사슬]]은 2차 유전자 산물이므로 많은 효소의 작용에 의해 생성된다. 당사슬의 구조는 다양한 생합성 효소의 발현, 활성 및 접근성에 따라 달라질 수 있기 때문에 단백질과 마찬가지로 구조 및 기능 연구를 위해 다량의 당사슬이 필요하지만 이를 생산하기 위한 [[재조합 DNA]] 기술을 사용할 수 없다.
* 글루코스, 갈락토스, 또는 과당같은 단당류. 이 당류들은 간단한 분자구조를 가지고 있고 가수분해가 안되며 결정체를 이룬다.


== 당사슬의 구조 예측 및 당사슬 결합 리간드 연구를 위한 최신 도구 및 기술 ==
* 말토스, 락토스 또는 자당 같은 이당류
고급 분석 기기와 소프트웨어 프로그램을 함께 사용하면 당사슬 구조의 신비를 풀 수 있다. 당사슬의 구조 및 분석을 위한 기술에는 [[크로마토그래피|액체 크로마토그래피]] (LC), 모세관 전기영동 (CE), [[질량 분석]] (MS), [[핵자기 공명]] (NMR) 및 렉틴 어레이(Lectin Array)가 있다.<ref>{{저널 인용|제목=Mass spectrometry for glycan biomarker discovery|저널=TrAC Trends in Analytical Chemistry|성=Aizpurua-Olaizola|이름=O.|성2=Sastre Toraño|이름2=J.|날짜=March 2018|권=100|쪽=7–14|doi=10.1016/j.trac.2017.12.015|issn=0165-9936|성3=Falcon-Perez|이름3=J.M.|성4=Williams|이름4=C.|성5=Reichardt|이름5=N.|성6=Boons|이름6=G.-J.}}</ref>


가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 질량 분석이다.
* 반복된 유닛과 글리코사이드 브리지로 연결되어 선형 구조 또는 분지형 구조를 이루는 일반적으로 가수 분해성이 있는 올리고사카라이드와 폴리사카라이드.


당사슬 어레이는 탄수화물 특이성을 정의하고 [[리간드]]를 식별하기 위해 [[렉틴]] 또는 항체로 스크리닝 할 수 있는 탄수화물 화합물을 포함한다.
* 비반복성이며 일반적으로 단백질 또는 지방질에 결합되는 올리고사카라이드 복합체.


=== 다중 반응 모니터링 (MRM) ===
최근까지, 이 분자 그룹,
다중 반응 모니터링(Multiple Reaction Monitoring, MRM)은 장소 특이적 [[글리코실화]] 프로파일링에 사용된다. MRM은 [[대사체학]] 및 [[단백체학]]에서 광범위하게 사용되었지만 넓은 범위에 대한 높은 감도와 선형 반응으로 인해 당사슬 바이오 마커 연구 및 발견에 적합하다. MRM은 삼중/사중 극자 (QqQ) 기기에서 수행되는데,이 장비는 첫 번째 사중 극자에서 미리 결정된 [[전구체]] 이온, 충돌 사중 극자에서 조각화, 세 번째 사중 극자에서 미리 결정된 조각 이온을 감지하도록 설정된다. 이는 비스캐닝 기법으로, 각 전이가 개별적으로 감지되고 여러 전이의 감지가 듀티 사이클에서 동시에 발한다. 이 기술은 면역 당사슬을 특성화하는데 사용된다.
글리칸은 단지 에너지 공급원으로 구조적인 역할만 수행하는것으로 간주되었었다. 몇 년 전부터 생체내에서 글리칸의 구조 조직형태 그리고 기능에 관한 관심이 높아지고 있다. 오늘 날 연구 결과는 세포 표면에서 단백질과 지방질과 같이 세포사이 대화에 참가하는것이 알려졌다. 특히 글리칸의 콘트롤을 통해 세포내 단백질의 분배가 이루어지고 기관내에 세포와 세포가 서로 구별되는 것이 가능해진다.


== 의학 ==
; 당 생물학과 의학<ref>Pohlmann, La glycobiologie, une nouvelle arme pour la médecine ?, Arte다큐 특집, ZDF, '''2007'''. 43mn http://video.google.com/videoplay?docid=-7663079290156002221#</ref> :'''
[[헤파린]], [[에리트로포이에틴]] 및 몇 가지 항독감 약물과 같이 이미 시장에 나와있는 약물은 효과가 입증되었으며 새로운 종류의 약물로서 당사슬의 중요성을 강조한다. 또한 새로운 [[항암제]]에 대한 연구는 당생물학에서 새로운 가능성을 열어주고 있다.<ref name="olden_k">{{서적 인용|제목=Function of glycoprotein glycans T.I.B.S.|연도=1985|쪽=78–82}}</ref> 새롭고 다양한 작용 기전을 가진 항암제와 [[항염증제]], 항감염제 등이 현재 임상 시험 중이다. 이러한 [[당사슬]]은 복잡한 구조로 인해 재현 가능한 방식으로 합성하기 어려운 분자이지만, 이 새로운 연구 분야는 미래를 위해 꼭 필요하다.


== 참고 ==
이미 시장에 출시된 헤파린, 적혈구 생성 촉진 호르몬 그리고 유행성 감기 치료제 같은 약품들은 효율성을 입증하여 새로운 종류의 약품으로서 글리칸의 중요도를 강조하고 있다. 또한 새로운 암 치료제에 대한 연구도 이 당 생물학 분야에서의 새로운 가능성을 인정하고 있다.<ref>https://web.archive.org/web/20130530025337/http://falling-walls.com/lectures/peter-seeberger/</ref> 새로운 치료 메커니즘의 암 치료제뿐만 아니라 소염제 분야에도 다양하게 현재 임상 실험이 진행되고 있다. 당 생물학 분야는 현존하는 약품들을 보완 하거나 또는 새로운 약품 개발에 기여할 수 있을것이다. 물론 글리칸이 아주 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 생산을 위해 합성이 어려운 문제가 남아있지만 이 새로운 연구분야는 미래를 위해 상당히 고무적인 분야이다.


; 당 생물학과 피부:
* 당 신호 변환
* 당사슬리 칸-단백질 상호 작용
최근 기술의 발달 덕분으로 인해 당 생물학은 피부 노화 메커니즘에 대한 이해를 더욱 수준높게 할 수 있게 되었다.

인제 글리칸은 피부를 구성하는 주요한 요소로 피부의 항상성에 결정적인 역할 수행이 명확하게 입증되었다. 글리칸은:

* 분자와 세포 인식에 결정적인 역할을 담당하며 또한 세포 표면에 생물학적 메시지 전달<ref>Faury, G.,Ruszova,E.,Molinari,J.,Mariko,B.,Raveaud,S.,Velebny,V.,Robert,L., The alpha-1-rhamnose recognizing lectin site of human dermal fibrolasts functions as a signal transducer. Modulation of Ca++ fluxes and gene expression. Biochim.Biophys.Acta, '''2008, '''1780,1388–1394.</ref>을 위해 작용한다,

* 세포 신진대사에
작용한다: 합성, 번식, 구별,…

* 세포 조직 구조와 형성에 참여한다,

피부의 양호한 신진대사에 불가결한 요소인 글리칸은 노화<ref>Jang-Hee Oh, Yeon Kyung Kim, Ji-Yong Jung, Jeong-eun Shin, Jin Ho Chung, Changes in glycosaminoglycans and related proteoglycans in intrinsically aged human skin in vivo Experimental Dermatology, '''2011'''</ref>에 따라 질적 그리고 양적 변화가 동반된다. 대화와 신진대사의 능력이 떨어지고 피부의 구조조직이 손상된다.


== 각주 ==
== 각주 ==
 
<references />
[[분류:탄수화물]]

[[분류:당생물학| ]]
[[분류:생화학]]
[[분류:생물학의 분과]]
[[분류:생물학의 분과]]
[[분류:생화학]]
[[분류:당생물학]]

2021년 4월 20일 (화) 16:27 판

당생물학(Glycobiology)은 생물학의 새로운 과학 분야로, 생화학과 분자생물학을 바탕으로 당사슬(Glycan)의 구조, 생합성, 생물학적 기능에 대한 학문이다.[1][2] 생물체에서 당은 필수 구성 요소이며, 이들이 수행하는 다양한 기능과 역할을 연구한다.

역사

옥스포드 영어사전에서의 당생물학은 탄수화물의 화학과 생화학의 결합접 학문이라 기록하였다.(1988년 Raymond Dwek)[3] 이러한 결합은 당사슬의 세포생물학과 분자생물학에 대한 훨씬 더 큰 이해의 결과이다.

당 접합체

당은 다른 유형의 생물학적 분자와 연결되어 당 접합체(Glycoconjugate)를 형성 할 수 있다. 글리코실화의 효소 과정은 글리코시드 결합에 의해 자신과 다른 분자에 연결된 당 또는 당류를 생성하여 당사슬을 생성한다. 당단백질, 프로테오글리칸, 당지질은 포유류 세포에서 발견되는 가장 풍부한 당 접합체이다. 이들은 주로 외부 세포막과 분비된 액체에서 발견된다. 당 접합체는 그 자체에 더하여 다양한 당사슬 결합 수용체(Glycan-binding Receptor)의 세포 표면에 존재하기 때문에 세포-세포 상호 작용에서 중요한 것으로 나타났다.[4][5] 단백질 접힘 및 세포 부착 기능 외에도 단백질의 N 연결 당사슬(N-linked Glycan)은 단백질의 기능을 조절할 수 있으며 경우에 따라 스위치 역할을 한다.

당쇄체학

당쇄체학은 유전체학, 단백체학과 마찬가지로 특정 세포 유형 또는 유기체의 모든 당사슬 구조의 체계적인 연구 및 당생물학의 하위 집합이다.[6][7]

당 구조 연구의 과제

당 구조에서 볼 수 있는 가변성은 단당류 단위가 항상 표준 방식으로 함께 결합되는 단백질의 아미노산 또는 DNA 의 뉴클레오타이드와는 반대로 여러 가지 방식으로 서로 결합되는 것에서 관찰된다.[8] 당사슬 구조에 대한 연구는 아미노산 서열이 상응하는 유전자에 의해 결정되는 단백질의 경우와는 달리 생합성을 위한 직접적인 주형이 없기 때문에 복잡하다.[9]

당사슬은 2차 유전자 산물이므로 많은 효소의 작용에 의해 생성된다. 당사슬의 구조는 다양한 생합성 효소의 발현, 활성 및 접근성에 따라 달라질 수 있기 때문에 단백질과 마찬가지로 구조 및 기능 연구를 위해 다량의 당사슬이 필요하지만 이를 생산하기 위한 재조합 DNA 기술을 사용할 수 없다.

당사슬의 구조 예측 및 당사슬 결합 리간드 연구를 위한 최신 도구 및 기술

고급 분석 기기와 소프트웨어 프로그램을 함께 사용하면 당사슬 구조의 신비를 풀 수 있다. 당사슬의 구조 및 분석을 위한 기술에는 액체 크로마토그래피 (LC), 모세관 전기영동 (CE), 질량 분석 (MS), 핵자기 공명 (NMR) 및 렉틴 어레이(Lectin Array)가 있다.[10]

가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 질량 분석이다.

당사슬 어레이는 탄수화물 특이성을 정의하고 리간드를 식별하기 위해 렉틴 또는 항체로 스크리닝 할 수 있는 탄수화물 화합물을 포함한다.

다중 반응 모니터링 (MRM)

다중 반응 모니터링(Multiple Reaction Monitoring, MRM)은 장소 특이적 글리코실화 프로파일링에 사용된다. MRM은 대사체학 및 단백체학에서 광범위하게 사용되었지만 넓은 범위에 대한 높은 감도와 선형 반응으로 인해 당사슬 바이오 마커 연구 및 발견에 적합하다. MRM은 삼중/사중 극자 (QqQ) 기기에서 수행되는데,이 장비는 첫 번째 사중 극자에서 미리 결정된 전구체 이온, 충돌 사중 극자에서 조각화, 세 번째 사중 극자에서 미리 결정된 조각 이온을 감지하도록 설정된다. 이는 비스캐닝 기법으로, 각 전이가 개별적으로 감지되고 여러 전이의 감지가 듀티 사이클에서 동시에 발한다. 이 기술은 면역 당사슬을 특성화하는데 사용된다.

의학

헤파린, 에리트로포이에틴 및 몇 가지 항독감 약물과 같이 이미 시장에 나와있는 약물은 효과가 입증되었으며 새로운 종류의 약물로서 당사슬의 중요성을 강조한다. 또한 새로운 항암제에 대한 연구는 당생물학에서 새로운 가능성을 열어주고 있다.[11] 새롭고 다양한 작용 기전을 가진 항암제와 항염증제, 항감염제 등이 현재 임상 시험 중이다. 이러한 당사슬은 복잡한 구조로 인해 재현 가능한 방식으로 합성하기 어려운 분자이지만, 이 새로운 연구 분야는 미래를 위해 꼭 필요하다.

참고

  • 당 신호 변환
  • 당사슬리 칸-단백질 상호 작용

각주

 

  1. ↑ 《Essentials of glycobiology》. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition. 2008. ISBN 978-0-87969-770-9. 
  2. ↑ 《Essentials of glycobiology》. Cold Spring Harbor Laboratory Press. 1999. ISBN 0-87969-560-9. 
  3. ↑ “Glycobiology”. 《Annu. Rev. Biochem.》 57 (1): 785–838. 1988. doi:10.1146/annurev.bi.57.070188.004033. PMID 3052290. 
  4. ↑ “CD28 T cell costimulatory receptor function is negatively regulated by N-linked carbohydrates”. 《Biochem. Biophys. Res. Commun.》 317 (1): 60–7. 2004. doi:10.1016/j.bbrc.2004.03.012. PMID 15047148. 
  5. ↑ “Role of N-glycans in growth factor signaling”. 《Glycoconj. J.》 20 (3): 207–12. 2004. doi:10.1023/B:GLYC.0000024252.63695.5c. PMID 15090734. 
  6. ↑ Cold Spring Harbor Laboratory Press Essentials of Glycobiology, Second Edition
  7. ↑ Schnaar, RL (June 2016). “Glycobiology simplified: diverse roles of glycan recognition in inflammation.”. 《Journal of Leukocyte Biology》 99 (6): 825–38. doi:10.1189/jlb.3RI0116-021R. PMC 4952015. PMID 27004978. 
  8. ↑ Kreuger, J (2001). “Decoding heparan sulfate”. 2008년 1월 11일에 확인함. 
  9. ↑ Marth, JD (2008). “A unified vision of the building blocks of life”. 《Nature Cell Biology》 10 (9): 1015–6. doi:10.1038/ncb0908-1015. PMC 2892900. PMID 18758488. 
  10. ↑ Aizpurua-Olaizola, O.; Sastre Toraño, J.; Falcon-Perez, J.M.; Williams, C.; Reichardt, N.; Boons, G.-J. (March 2018). “Mass spectrometry for glycan biomarker discovery”. 《TrAC Trends in Analytical Chemistry》 100: 7–14. doi:10.1016/j.trac.2017.12.015. ISSN 0165-9936. 
  11. ↑ 《Function of glycoprotein glycans T.I.B.S.》. 1985. 78–82쪽. 
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