당생물학

3. 당결합체

당은 다른 유형의 생물학적 분자와 연결되어 당포합체를 형성할 수 있다. 글리코실화의 효소 과정은 글리코사이드 결합에 의해 자신과 다른 분자에 연결된 당 또는 당류를 생성하여 글리칸을 생성한다. 당단백질, 프로테오글리칸, 당지질은 포유류의 세포에서 발견되는 가장 풍부한 당포합체이다.^[23][24] 이들은 주로 외부 세포막과 분비된 액체에서 발견된다. 당포합체는 그 자체에 더하여 다양한 글리칸 결합 수용체의 세포 표면에 존재하기 때문에 세포-세포 상호작용에서 중요한 것으로 나타났다.^[23][24] 단백질 접힘 및 세포 부착 기능 외에도 단백질의 N-결합 글리칸은 단백질의 기능을 조절할 수 있으며 경우에 따라 스위치 역할을 한다.^[4]

4. 글라이코믹스

글라이코믹스는 유전체학, 단백질체학과 유사하게 특정 세포 유형 또는 유기체의 모든 글리칸 구조를 체계적으로 연구하는 분야이며, 당생물학의 하위 분야이다.^[25][26] 글라이콤은 어떤 생체의 모든 당질에 관한 종합적인 목록과 같은 것으로, 특정 장기나 특정 종류의 세포에 고유할 수 있다. 글라이콤은 기본 구성 요소의 다양성이 매우 크고, 결합과 상호작용 방식이 다양하기 때문에 프로테옴보다 훨씬 더 복잡하다.

5. 글리칸

글리칸은 글리코사이드 결합을 통해 당 단위체가 연결된 중합체로, 글리코실화라는 효소 과정을 통해 생성된다. 당단백질, 프로테오글리칸, 당지질은 포유류 세포에서 가장 흔하게 발견되는 당포합체이며, 주로 세포 외부 막과 분비액에서 발견된다.^[23][24] 이들은 세포 간 상호작용에 중요하며, 단백질 접힘과 세포 부착 외에도 단백질 기능을 조절하거나 스위치 역할을 할 수 있다.^[4]

히드록시기(-OH)의 입체적 배치에 따라 단당류는 여러 입체 이성질체를 갖는다. 히드록시기의 배치는 당 사이의 결합 성질을 결정하며, 카르복시기, 아미노기, N-아세틸기와 같은 다른 기로 치환될 수 있다.

글리칸은 일반적으로 다음 네 가지 그룹으로 분류된다.^[17]

과거에는 글리칸이 단순한 에너지 공급원이거나 구조적 역할만 하는 것으로 여겨졌다. 그러나 최근 연구에 따르면 글리칸은 세포 표면에서 지질, 단백질과 결합하여 세포 간 통신에 관여하고, 세포 내 단백질 배치를 조절하며, 세포 인식을 가능하게 하는 등 다양한 생물학적 기능을 수행한다.

6. 당 구조 연구의 어려움

글리칸 구조는 단백질의 아미노산이나 DNA의 뉴클레오타이드와는 달리 여러 가지 방식으로 결합될 수 있어 다양성이 매우 크다.^[27] 글리칸은 2차 유전자 산물이므로, 생합성을 위한 직접적인 주형(template)이 없어 연구가 더욱 복잡하다.^[28] 글리칸의 구조는 다양한 생합성 효소의 발현, 활성, 접근성에 따라 달라지므로, 재조합 DNA 기술을 사용한 대량 생산이 어렵다.

7. 최신 연구 도구 및 기술

고급 분석 기기와 소프트웨어 프로그램을 함께 사용하면 글리칸 구조의 신비를 풀 수 있다. 글리칸의 구조 및 분석을 위한 기술에는 액체 크로마토그래피(LC), 모세관 전기영동(CE), 질량 분석(MS), 핵자기 공명(NMR) 및 렉틴 어레이(Lectin Array)가 있다.^[29]

가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 질량 분석이다.

글리칸 어레이는 탄수화물 특이성을 정의하고 리간드를 식별하기 위해 렉틴 또는 항체로 스크리닝할 수 있는 탄수화물 화합물을 포함한다. 다중 반응 모니터링(Multiple Reaction Monitoring, MRM)은 위치 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 글리칸을 특성화하는 데 사용된다.^[4]

8. 의학적 응용

헤파린, 에리트로포이에틴 및 몇 가지 항독감 약물과 같이 이미 시장에 나와있는 약물은 효과가 입증되었으며 새로운 종류의 약물로서 글리칸의 중요성을 강조한다. 또한 새로운 항암제에 대한 연구는 당생물학에서 새로운 가능성을 열어주고 있다. 새롭고 다양한 작용 기전을 가진 항암제와 항염증제, 항감염제 등이 현재 임상 시험 중이다. 이러한 글리칸은 복잡한 구조로 인해 재현 가능한 방식으로 합성하기 어려운 분자이지만, 이 새로운 연구 분야는 미래를 위해 꼭 필요하다.^[30][12]

9. 피부와 당생물학

최근 기술 발전으로 당쇄생물학은 피부 노화에 대한 더 정확한 이해를 가능하게 한다. 글리칸은 피부의 주요 구성 성분이며, 항상성 유지에 중요한 역할을 한다. 글리칸의 역할은 다음과 같다.

• 분자 및 세포 인식: 세포 표면에서 생물학적 메시지를 전달한다.^[18]
• 세포 대사: 합성, 증식, 분화 등에 관여한다.
• 조직 구조 및 구성에 영향을 미친다.

참조

_[1] 서적 Essentials of Glycobiology https://www.ncbi.nlm[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[2] 서적 Essentials of glycobiology https://www.ncbi.nlm[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[3] 논문 Glycobiology
_[4] 웹사이트 Rosalind Kornfeld Award https://www.glycobio[...] 2021-11-05
_[5] 논문 CD28 T cell costimulatory receptor function is negatively regulated by N-linked carbohydrates
_[6] 논문 Role of N-glycans in growth factor signaling
_[7] 웹사이트 Essentials of Glycobiology, Second Edition http://www.cshlpress[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[8] 논문 Glycobiology simplified: diverse roles of glycan recognition in inflammation. 2016-06
_[9] 논문 Decoding heparan sulfate http://www.diva-port[...] 2008-01-11
_[10] 논문 A unified vision of the building blocks of life
_[11] 논문 Mass spectrometry for glycan biomarker discovery 2018-03
_[12] 서적 Function of glycoprotein glycans T.I.B.S.
_[13] 논문 The alpha-L-Rhamnose recognizing lectin site of human dermal fibroblasts functions as a signal transducer: modulation of Ca2+ fluxes and gene expression. 2008-12
_[14] 논문 Changes in glycosaminoglycans and related proteoglycans in intrinsically aged human skin in vivo 2011
_[15] 서적 Essentials of glycobiology Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[16] 논문 Glycobiology
_[17] 논문 Function of glycoprotein glycans
_[18] 논문 The α-L-Rhamnose recognizing lectin site of human dermal fibroblasts functions as a signal transducer: modulation of Ca²⁺ fluxes and gene expression
_[19] 논문 Changes in glycosaminoglycans and related proteoglycans in intrinsically aged human skin in vivo
_[20] 서적 Essentials of glycobiology https://www.ncbi.nlm[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition
_[21] 서적 Essentials of glycobiology https://www.ncbi.nlm[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[22] 논문 Glycobiology
_[23] 논문 CD28 T cell costimulatory receptor function is negatively regulated by N-linked carbohydrates
_[24] 논문 Role of N-glycans in growth factor signaling
_[25] 웹사이트 Essentials of Glycobiology, Second Edition http://www.cshlpress[...] Cold Spring Harbor Laboratory Press
_[26] 논문 Glycobiology simplified: diverse roles of glycan recognition in inflammation. 2016-06
_[27] 논문 Decoding heparan sulfate http://www.diva-port[...] 2008-01-11
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_[29] 논문 Mass spectrometry for glycan biomarker discovery 2018-03
_[30] 서적 Function of glycoprotein glycans T.I.B.S.