G Proteinleri ve GPCRs
Yaşar Yurtsever – İstanbul Teknik Üniversitesi MBG
GPCR molekülleri yani G-Protein-Bağlı Reseptörleri en çok türe sahip olan membran proteinidir. Ayrıca nörotransmitter maddeler veya hormonlar gibi ligandlar aracılığıyla en çok hücre regülasyonunu sağlayan moleküllerdir. GPCR molekülleri genellikle membran boyunca uzanan 7 α-sarmal yapıda gösterilir ve bu sarmal yapılar hücre içi ve hücre dışı boşluk arasında köprü olarak kullanılır. GPCR molekülleri sadece ökaryot canlılarda bulunur.
GPCR molekülleri aktive olduktan sonra onlara bağlanan proteinlere G-Proteinleri denir. G proteinlerinin bir türü de “Heterotrimerik G Proteinleri” yani α, β ve Υ alt birimlerinden oluşan G proteinleridir (HTGP). Guanin nükleotidine bağlanabilirler. Protein sentezinde, membrana vezikül taşımada, hücre iskeletinde ve hücre büyümesinde görev alırlar. Biyokimyasal ve Moleküler Klonlama Tekniği ile bugüne kadar 35 HTGP tanımlanmıştır.
Bu etkileşimi basit bir şekilde anlatacak olursak, GPCR molekülüne bir ligand bağlandığı zaman reseptör TM7 ucunda bağlı olan G proteinini aktive eder. G proteini GDP’nin GTP’ye dönüşmesi ile aktive edilir ve ilk süreç başlar. Uyarılan heterotrimerik G proteinindeki β ve Υ alt birimleri ayrılır ve bu iki alt birim yakınındaki iyon kanalına bağlanarak kanalın aktifleşmesini sağlar ve bu kanaldan daha sonraki aşamalarda ligand olarak bağlanacak olan iyonların geçebilmesi mümkün olur. Kalan α alt birimi enzime bağlanır ve ilk sinyalin içeri girişi sağlanmış olur.
Farklı tipte G proteinleri farklı türde α alt birimi içerirler. Genellikle β ve Υ alt birimleri aynıdır ancak nadir olarak onların da farklı olduğu keşfedilmiştir. Bu sayede G proteinlerinde özelleşme oluşmaktadır.
GPCR molekülleri sekansları ve yapısal benzerliklerine göre genellikle altı ana başlık altında incelenir:
1. Rhodopsin (Family A)
2. Secretin (Family B)
3. Glutamate (Family C)
4. Fungal mating pheromone receptors (Family D)
5. Cyclic AMP receptors (Family E)
6. Frizzled/Smoothened (Family F)
Rhodopsin ailesi bu grupların en büyük ve en çeşitli olanıdır. Bu alt başlıklar birbirleri ile benzer sekansa, benzer aktivasyon mekanizmasına ve benzer yapısal özellikler içermesine rağmen GPCR molekülleri çok farklı sinyal iletim aktivitelerine sahiplerdir.
GPCR moleküllerinin genel anlamda işlevi agonist (hücredeki reseptörle birleşip sinyal iletimi başlatan madde) moleküller ile iş birliği yaparak özel heterotrimerik G proteinlerini (HTGP) aktifleştirmektir. Bu reseptörler aktivasyon için iyonlar, hormonlar, nörotransmitter maddeler, fotonlar ve diğer uyarıcıları kullanırlar. Bu sayede hücre içi ve hücre dışı bölgeler arasında iletişimde çok büyük rol oynarlar.
Ancak ligandın bağlandığı reseptörün türü ve özelliğine göre etkinliği de değişiklik göstermektedir. Bu konuda doğal veya yapay ligandlar dört temel gruba ayrılırlar.
1. Tam agonist: Maximum uyartı oluşmasını sağlarlar.
2. Yarı agonist: Doygun konsantrasyon bile olsa tam aktivite gösteremezler.
3. Nötral agonist: Herhangi bir etkisi yoktur ancak bağlandıklarında diğer ligandların
bağlanmasını engellerler.
4. Ters agonist: Reseptör aktivitesini düşürürler.
GPCR moleküllerinin sarmal yapısında N ve C uçları arasında yaklaşık olarak 24 hidrofobik amino asit vardır ve bu amino asitlerin bulunduğu yedi adet (TM1, TM2, TM3, TM4, TM5, TM6 ve TM7) bağlanma noktaları vardır. Bu sayede tek bir GPCR molekülüne birçok farklı ligand bağlanabilir ve her ligand kendi özelliğine göre reseptör üzerinde şekil değişikliğini yapabilir.
Örneğin, inaktif olan rhodopsin aktif olan opsine dönüşürken TM3, TM5 ve TM6 arasında bir boşluk yaratır ve bu boşluğa uygun olan bir G protein bağlanır.
Bir ligand GPCR molekülüne bağlandığında ve onu aktive ettiğinde proteinin şeklinde bir değişiklik oluşturur. Bu değişiklik çeşitli durumlara neden olabilir.
1. α alt biriminin GDP’ye olan isteği azalabilir.
2. β ve Υ alt birimleri α alt biriminden ayrılarak dimer oluşturabilir.
3. G proteininden reseptörü ayırabilir.
Ligand reseptörden ayrıldığında ve GTPaz α alt birimindeki GTP’yi GDP’ye hidroliz ettiğinde sistem eski formuna tekrar geri döner. Daha sonra serbest kalan alt birimler tekrar birleşerek eski heterotrimerik yapılarına dönerler.
Ancak GPCR ve G Proteinlerinin kristal yapıları ve özellikleri hala net bir şekilde belirlenebilmiş değil. Bunun sebebi teknolojinin yeterli düzeyde olmaması ve her araştırmacının bu teknolojiye ulaşamamasıdır. 2000 yılında ilk defa insanda GPCR molekülünün kristal yapısı keşfedilmiştir. 2012 yılında Brian Kobilka ve Robert Lefkowitz GPCR moleküllerininin fonksiyonlarını anlamak için yaptıkları çalışmalar ile Nobel Kimya Ödülü’nü kazanmışlardır. Daha sonra günümüze kadar da 7 Nobel Ödülü bu dalda yapılan araştırmalara verilmiştir. Yaklaşık olarak 750 GPCR molekülü bugüne kadar keşfedilmiş 350 kadarı hormonlarda ve büyüme faktörlerinde tanımlanmış, ancak 150 kadarının özellikleri belirlenememiştir.
Kaynakçalar
Huang H.C., Klein P.S., The Frizzled Family: receptors for multiple signal transduction pathways, 2004, doi: 10.1186/gb-2004-5-7-234, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC463283/
Byrne J.H., Roberts J.L., From Molecules To Networks: An Introduction To Cellular And Molecular Neuroscience, Elsevier Academic Press, 2004, p.320
Zachariou V., Duman R.S., Nestler E.J., Chapter 21: G Proteins, Basic Neurochemistry 8th edition, 2012, pp.411-421
Rosenbaum D.M., Rasmussen S.G.F., Kobilka B.K., The structure and function of G- protein-coupled receptors, 2009, doi:10.1038/nature08144