beyaz logo.png

Yanlış Protein Kümelenmeleri Katlanması ve Protein Kümelenmeleri


 

Meriç Öztürk - Yüksek Lisans Öğrencisi/Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Bilimleri Enstitüsü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi

 

Canlı sistemleri tanımlayan en kritik özelliklerden bir tanesi moleküler boyutta kendilerini en iyi ve en doğru şekilde düzenleyebilmeleridir. Bu süreç bir sistemin canlılığını devam ettirebilmesi için önemli olduğundan sürekli olarak kontrol edilir ve hatalar hızlı şekilde düzeltilir. Belli bir genin okunup şifrelediği ürünün oluşturulması, oluşturulan ürünün işlenmesi ve hücrenin gerekli yerlerine taşınması; mutasyona sahip olan genlerin düzeltilmesi, yanlış ürünlerinin hücreden temizlenmesi bu kontrol sürecine örnek olarak gösterilebilir. Ne var ki, çevresel koşullar, yaşlanma, hücre tarafından düzeltilemeyen genetik bozukluklar kontrol sürecine ket vurabilir. Bu yaşanan aksaklıklar günün sonunda çok farklı bozukluklara ve rahatsızlıklara sebep olur. Yıllardan beri bilim insanları hem bu süreci daha iyi anlamak hem de sonucunda oluşan problemleri çözmek için çaba sarf ediyor. Bu çabaların en başında da proteinlerin katlanma mekanizmalarını keşfetmek ve yanlış katlanmalara çözüm üretmek var [1].


Protein Katlanması ve Yardımcı Elemanları


Proteinler, hücrelerde sudan sonra en fazla bulunan moleküllerdir; belli genler tarafından sentezlenirler ve hücrelerin hemen hemen bütün yaşamsal faaliyetlerinde rol alır. Ancak sentezlendikten sonra ve faaliyete geçmeden önce proteinler bir dizi işleme tabi tutulur ve bu işlemlerin ardından görevleri kesinlik kazanır. Üretilen proteinlerin katlanması bu işlemlerin en önemlilerinden bir tanesidir [2].


Protein katlanması fiziksel bir süreç olup proteinin biyolojik işlevini yerine getirmesini sağlar. Proteinlerin bir kısmı sentezlendiği esnada katlı olmayan bir formda bulunur ve sentezlenme bittiğinde katlanmış üç boyutlu yapısına kavuşmuş olur. Katlanma büyük oranda proteinlerin yapısını oluşturan amino asitlerin sırasına ve tiplerine göre farklılık gösterir. Her proteinin amino asit dizisi kendisine has olduğu için katlanma desenleri de kendisine hastır. Katlanma esas olarak hidrofobik etkileşimler, molekül içi hidrojen bağları ve van der Waals kuvvetleri tarafından yönlendirilmektedir. Kendiliğinden gerçekleşen bu süreç sonunda oluşan üç boyutlu protein yapısı, katlanmamış yapıya göre daha istikrarlı olma eğilimi göstermektedir. Bu yüzden, doğru katlanmış proteinlere sahip hücreler veya hücre grupları evrimsel süreçte desteklenmiştir [2].


Her ne kadar katlanma kendiliğinden gerçekleşse de bazı moleküller destek ve kontrol görevini üstlenir. O moleküllerden bir tanesi de şaperonlardır (chaperone). Çoğunlukla endoplazmik retikulumda (endoplasmic reticulum) bulunan şaperonlar hem proteinlerin katlanmasına yardımcı hem de katlanma sürecinde oluşmuş hataları kontrol ederek işlev kaybının oluşmasına engel olur. Genel olarak hücrelerin karşılaştığı çevresel etkilere göre sentezlenen bu proteinlerin oranı, ortamdaki stres seviyesinin artmasıyla artar. Böylece stres koşulları nedeniyle oluşacak yanlış katlanmaların önüne geçilmesi sağlanır [2].


Protein katlanmalarına yardımcı olan bir diğer molekül protein disülfit izomerazdır (protein disulfide-isomerase). Bu molekül proteinlerin üç boyutlu yapısının oluşumunda önemli yeri olan disülfüt bağlarının oluşmasını sağlar. Bu rolüyle protein katlanmasına doğrudan katkıda bulunur. Prolil izomeraz (prolyl isomerase) ve protein disülfit izomeraz A3 (protein disulfide-isomerase A3) da yine protein katlanmasına yardımcı olan moleküllerden bazılarıdır [2].


Hatalı Protein Katlanması ve Protein Kümelenmesi


Yapılan araştırmalara göre üretilen proteinlerin hemen hemen yarısı kalite kontrol şartlarını sağlayamadığı için yok edilir. Bu da kontrol mekanizmalarının önemini bizlere göstermektedir. Fakat kontrol mekanizmalarının yetersiz kaldığı durumlar da vardır. Patolojik sonuçlar doğuran bu durumlar neticesinde Alzheimer, Parkinson, Tip II Diyabet gibi hastalıklar oluşur [1,3].


Çevresel koşullar, amino asit dizilimi, proteinlerin üretildikten sonra işlenmesi nasıl katlanmalarını ve işlevlerini etkiliyorsa, yanlış katlanmalarındaki en büyük etkenleri de oluşturuyorlar. Örneğin bir amino asit değişimine neden olan mutasyon proteinin tam olarak katlanmasını engelleyerek işlevsizleşmesine veya hücreye zararlı bir işleve sahip olmasına enden olabiliyor. Ortam asitliğinin değişmesi ise proteinin katlanma desenini tamamen değiştirebiliyor. Ayrıca yanlış veya eksik katlanan proteinlerin işlevlerinin değişmesinin yanında, yapıları dolayısıyla bir araya gelerek hücre içinde zararlı kümelenmeler (aggregation) yapabiliyorlar. Bunlardan en bilindik örneği ise Alzheimer hastalığına sebep olan amiloid beta plaklarıdır [4].


Mutasyonlar


Baskın negatif mutasyonlar yanlış protein katlanmasının en önemli sebeplerinden birini oluşturuyor. Örneğin proinsulin proteinini hedef alan bir mutasyon proteinin yanlış katlanmasına sebep olarak şeker hastalığının (diabetes mellitus) oluşmasını tetikliyor. Pankreatik beta hücreleri için zararlı olan bu mutasyon proteinin farklı bölgelerinde de kendisini gösteriyor ve çoğunlukla proteinin yapısından sistein amino asidini uzaklaştırıyor veya aynı amino asitten farklı noktalara eklenmesine neden oluyor. Sonucunda ise normalde farklı katlanma bölgeleri beliriyor ve bu bölgelerde gerçekleşen amino asit eşleşmeleri neticesinde normalden farklı olan protein yapısı oluşuyor [3].


p53 proteini hücrelerin kanser ile savaşında oynadığı önemli rol ile biliniyor. Hücre döngüsü esnasında yanlış giden bir durumun oluşmasıyla bu protein aktivitesini kazanıyor ve hücre döngüsünü durdurarak veya hücreyi ölüme götürerek yanlış giden durumun önüne geçiyor. Bu yüzden p53 proteininin görev aldığı herhangi bir yolağın bozulması kansere sebebiyet verebiliyor. Bu protein üç farklı bölgeden oluşurken, katlanma sorunlarına neden olan mutasyonların %90’ı DNA bağlanma bölgesinde görülüyor ve proteinin tamamen işlevinin kaybolmasına neden oluyor. Ayrıca bu mutasyonlar p53 proteinin amiloid beta ile etkileşimini kolaylaştırarak kümelenmeler içerisinden yer almasına neden oluyor [3].


Translasyon Sonrası Modifikasyonlar


Translasyon sonrası modifikasyonlar (post-translational modifications) enzimatik olarak gerçekleşen, proteinlerin görevlerini ve yerlerini tayin eden bir işlem sürecidir. Son derece kontrollü şekilde gerçekleşen bu süreç stres koşullarında ve mutasyonlar sonucu işlevini kaybedebilir ve sonucunda protein kümelenmeleri oluşabilir.


Glikozilasyon ya da glikozillenme (glycosilation) translasyon sonrası modifikasyonlardan en sık görülenlerindendir. Proteinin yapısına karbonhidrat eklenmesi olan bu düzenleme, hücre zarında görev yapan ve/veya salgılanan proteinlere çeşitli yapısal ve işlevsel roller sağlar. Endoplazmik retikulumda sentezlenen proteinlerin büyük bir kısmı glikozillenmeye uğrar. Glikozilasyon ayrıca sitoplazmada ve çekirdekte de görülebilir [3].


Bazı proteinler glikozillenmeye uğramadan katlanamazken, bazıları işlev göreceği bölgeye iletilemez. Bazı virüsler ise bu süreci bulaştıkları canlının bağışıklık sistemine karşı zırh olarak kullanır. Tabii ki proteinlerin bu işlemden geçmemesi, ya da yanlış geçmesi istenmedik sonuçlar meydana getirir. Bunlardan en dikkat çekeni ise protein kümelenmelerine neden olmasıdır. Yapılan araştırmalara göre amiloid plaklarını oluşturan proteinlerin normalden daha fazla glikozillenme geçirdiği görülmüştür. Ayrıca yapılan bir çalışmaya göre glikozillenmeye normalden fazla maruz kalan proteinler, aynı proteinlerin birçok kopyasından oluşan birleşmiş yapılar oluşturmaktadır. Yani bu hata yalnızca amiloid plak oluşumuna özgü değildir [3].


Fosforilazyon (phosphorliation) translasyon sonrası görülen modifikasyonlardan en popüler olanıdır. Genel olarak proteinlere aktivite kazandıran bu süreç aynı zamanda protein yapısını da doğrudan değiştirir. Bu esnada oluşan hatalar ise eğer engellenemezlerse hastalıklara yol açmaktadır. Örneğin LRRK2 proteinine gereğinden fazla fosfor eklenmesi proteinin aktivitesini üç kat arttırır ve sonucunda Parkinson hastalığına sebep olmaktadır. Bu sadece bir örnektir ve süreç esnasındaki problemler birbirinden farklı birçok hastalığın sebebidir. Bunların yanında, glizkolizlenme gibi fosforilazyon da protein kümelenmelerine yol açmaktadır. Ayrıca yapılan çalışmalara göre, amiloid beta proteininde gerçekleşen bazı fosforilazyon tipleri plaklarda bulunan amiloidleri daha kararlı hale getirerek hücreye olan zararını arttırır [3].


Proteolitik Ayrışma ve Protein Parçalanmasındaki Hatalar


Proteinler sentezlendikten sonra aktivitelerini kazanmak ve gerek duyulmayan kısımların uzaklaştırılması için özel enzimler tarafından parçalara ayrılır. Bu ayrışma esnasında gerçekleşen hatalar ise proteinlerin düzgün katlanmalarını engeller ve işlevsel problemlere neden olur. Buna en iyi örnek yine amiloid beta proteini verilebilir. Bu protein bir enzim tarafından farklı bölgelerden kesilerek aktif hale getirilir. Fakat bu enzimin yanlış çalışması sonucu, proteinin zararlı ve kümelenmeye neden olan versiyonu olan amiloid beta 42 oluşmaktadır [1,4].


Bu süreç dahilinde ve yukarıda bahsettiklerimiz sonucunda oluşan hatalar hücrenin kontrol mekanizmaları tarafından tespit edilir ve protein ortamda parçalanarak uzaklaştırılır. Ne var ki hatalı molekülü parçalama görevi üstlenmiş yolaklar ve proteinlerde de sorunlar oluşabilir ve böylece zararlı protein gözden kaçabilir. Ayrıca, kontrollü hücre ölümü de (apoptosis) bu durumlarda aktif hale gelebilirken burada görev alan proteinlerin işlevsiz hale gelmesi de yine hatalı moleküllerin yok edilmesini engeller. Daha önce örnek olarak gösterdiğimiz p53 proteininin işlevini kaybetmesi kontrollü hücre ölümünün önüne geçmektedir [3].


Ancak yukarıdakilerden farklı olarak, yanlış katlanmış proteinlerin bu mekanizma sonucu yok edilmesi de bazı durumlarda hastalıklara yol açabilir. Kistik fibrozise (cystic fibrosis) sebep olan problem de budur. Kistik fibrozis transmembran düzenleyici proteininin (cystic fibrosis transmembrane regulator protein) bir amino asidinde meydana gelen mutasyon sonucu protein yanlış katlanmakta ve kontrol mekanizmaları sayesinde bu protein yok edilmektedir. Fakat başka bir protein tarafından görevi yerine getirilemediği için yokluğunda kistik fibrozis meydana gelir [3].


Çevresel Koşullar ve Oksidatif Stres


Yukarıda bahsettiğimiz tüm yanlış giden süreçlerin temeli ise düzenlenen proteinlerin, düzenleyici proteinlerin, okunan genlerin ve eklenen moleküllerin çevresel koşullardan doğrudan etkilenmesidir. Diyetin değişimi, psikolojik ve fiziksel stres, uyku düzeninin ve dolayısıyla hormonal düzenin değişimi, yaşlılık ve genetik bozukluklar çevresel koşulları tümden değiştirebilir. Tüm bunlar hücre içindeki dengeleri değiştirerek çoğu molekülün görevini tam olarak yerine getirmesini engelleyebilir [3].


Hücre içi asitliğin değişimi ve sıcaklık ve iyon dengesi değişimi en fazla çalışılmış stres faktörlerindendir. Hepsinin protein kümelenmesi üzerine doğrudan etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Bir diğer önemli stres faktörü ise oksidatif strestir. Oksidatif stres reaktif oksijen türlerinin (reactive oxygen species) oluşumu ile bu ürünlerin temizlenmesi yeteneği arasındaki dengesizliği yansıtır. Yani hücrenin yeterli seviyede temizleyememesi sonucu reaktif oksijen türlerinin artması oksidatif strese neden olur. Nörobiyolojik rahatsızlıklardan kansere kadar birçok biyolojik süreçte önemli rol oynayan bu stres türü, proteinlerin katlanması ve işlenmesine de doğrudan etki eder [4].


Oksidatif stresin neden olduğu problemlerden bir tanesi de tau proteini ile ilgilidir. Tau proteini Alzheimer’a neden olan en kritik moleküllerden bir tanesidir. Fareler üzerine yapılan çalışmalara göre bu protein oksidatif stresin artması ile daha fazla fosforilize olur ve artan fosforilazyon bu proteinin hücre için zararlı hale gelmesine neden olmaktadır. Aynı zamanda kümelenme oranını da arttırarak sinir hücrelerinin ölmesine sebep olduğu da iddia edilmektedir [2].





Referanslar

1. I. Moreno-Gonzalez ve C. Soto, “Misfolded Protein Aggregates: Mechanisms, Structures and Potential for Disease Transmission”, Semin. Cell Dev. Biol., c. 22, sayı 5, s. 482, 2011.

2. D. CM, “Principles of protein folding, misfolding and aggregation”, Semin. Cell Dev. Biol., c. 15, sayı 1, ss. 3–16, 2004.

3. P. Salahuddin, M. K. Siddiqi, S. Khan, A. S. Abdelhameed, ve R. H. Khan, “Mechanisms of protein misfolding: Novel therapeutic approaches to protein-misfolding diseases”, J. Mol. Struct., c. 1123, ss. 311–326, Kas. 2016.

4. S. C ve E. LD, “Protein misfolding and neurodegeneration”, Arch. Neurol., c. 65, sayı 2, ss. 184–189, Şub. 2008.