Hücreler Evlerini Nasıl Temizler? Beril Bozdoğan, Seda Dağlı
Transkript
Hücreler Evlerini Nasıl Temizler? Beril Bozdoğan, Seda Dağlı
Hücreler Evlerini Nasıl Temizler? Beril Bozdoğan, Seda Dağlı, Gökçe Yağmur Efendi, Emine Temel, Doruk Demirel, Tuğçe Kandemir Danışman: Prof. Dr. F. Belgin ATAÇ ÖZET: Bir polipeptidin sentezi fonksiyonel proteinin üretimine eşdeğer değildir. Sentezlenen ürünün hücre tarafından kullanılabilmesi için translasyon sonrası modifikasyonların (kesim, karbohidrat ve lipitlerin eklenmesi, çoklu alt birimden oluşuyorsa polipeptit zincirlerinin bir araya gelmesi vb.) tamamlanması gerekmektedir. Küçük, hidrofobik indeksi düşük ve elektrik yükü fazla olan proteinlerin haricinde diğer proteinler katlanarak fizyolojik koşullarda mümkün olabilen en uygun aktif şekillerini alırlar. Katlanma hatası olan proteinlerin ortak özelliği dışa ekspoze olan hidrofobik amino asitlerdir ve sentezlenen peptidin prodüktif olmayan etkileşimini maskelemek, hasarlı ve/veya hatalı proteinlerin tespiti işlevinden de sorumlu olan şaperon proteinlerin hidrofobik amino asit tanıma kıskaçları tarafından yakalanarak hatanın düzeltilmesi temin edilmeye çalışılır. Hatanın düzeltilemediği durumda ise kısmi katlanmış, küçük ve kısa ömürlü proteinler lizin 48 pozisyonundan ubikütinlenerek poteazomlar tarafından imha edilirler. Proteazomun yoğun olduğu veya işlevinin yavaşladığı durumunda ise ubikütinlenen proteinler sekuestezomlarda bekletilirler. Proteazom işlevsel hale gelemediğinde ise proteazoma sığmayacak büyüklükte olan diğer ubikütinlenmiş (lizin 63) proteinler ve hatalı /hasarlı proteinler ile beraber fagozom oluşumunu takiben lizozomal yıkım yolu olarak tanımlanan otofaji ile parçalanır. Protein kalite kontrolünde işlevsel olan proteinleri kodlayan genlerdeki mutasyonlar, oksidatif stres, yaşlanma vb. faktörlere bağlı olarak hücrenin yanlış katlanmış proteini normale döndürme veya yok etmedeki yetersizliği konformasyon hastalıklarının (Ör: Parkinson Hastalığı, Gaucher Hastalığı gibi) ortak histopatolojik belirteci olan inklüzyon cisimcikleri şeklinde toksik protein agregatlarının oluşumunu tetikler. Bir nüve oluşturan ilk agregat, hücre içi trafiğinin ve organellerin işlevinin bozulmasına ek olarak aktif konformasyonunu doğru almış proteinler ile etkileşerek onların da işlevini bloke eder. Hatalı /hasarlı protein kleransında işlevsel olan Ubikütin-Proteazom Yıkım Yolu ve otofajinin manipülasyonu ile konformasyon hastalıklarının hücresel temelli tedavisi üzerinde ümit verici çalışmalar vardır. GENEL BİLGİ Proteinlerin yapı ve işlevlerinin temeli, içerdikleri amino asitler ve amino asit dizileridir. Her amino asitin kodu DNA üzerinde kodon adı verilen üçlü nükleotidlerde saklıdır. Adenin, timin, sitozin ve guanin bazlarından oluşan DNA, kalıtsal bilgiyi kromozomların üniteleri olarak sayabileceğimiz genlerin ekzon bölgelerinden m-RNA aracılığı ile proteinlere aktarır. Sonuç olarak nükleotidlerin dizisi amino asit dizisine yansımış olur. Bundan sonraki aşama ise kesim, karbohidrat ve lipitlerin eklenmesi; çoklu alt birimden oluşuyorsa polipeptit zincirlerinin bir araya gelmesi gibi translasyon sonrası modifikasyonlardır. Sentezlenen proteinin hücre tarafından kullanılabilirliği için fizyolojik şartlarda termodinamik olarak sabit kalabileceği aktif konformasyonu alması gerekmektedir. Hidrofobik indeksi düşük ve elektrik yükü fazla olan küçük proteinlerin (Ör: α-sinüklein) haricinde diğer proteinler katlanarak normal fizyolojik koşullarda mümkün olabilen en uygun aktif şekillerini alırlar. İşlevsel konformasyonunu alamayan bir protein sitoplazmada hızla yıkılabilir (Ör: Yağ asit oksidasyon bozuklukları) veya proteazlara dirençli agregat oluşturabilir (Ör: Parkinson Hastalığı gibi). Biyolojik aktiviteyi gösteremediği konformasyonda bulunan protein ise oligomerizasyon yatkınlığı nedeniyle inklüzyon cisimcikleri şeklinde agregat oluşturarak mikrotübülleri ve veziküler trafiği bozarak, hücre ölümüne neden olur (1, 2) ŞAPERONLAR: Aktif konformasyonunu alamayan proteinlerin ortak özellikleri proteinin dış kısmına lokalize olan hidrofobik amino asitlerin varlığıdır. Bu özellikleri nedeni ile hatalı katlanan proteinler hücre içinde protein agragatları oluşturarak hücre işlevini bozmaktadır. Bundan korunmak için hidrofobik amino asit tanıma kıskaçlarına sahip olan şaperon proteinler aracılığı ile proteinlerin yanlış katlanmasını önlemeye veya yanlış katlanmış proteini normale döndürmeye çalışırlar. Bu görevlerine ek olarak bazen proteinlerin işlev göreceği organele kadar da eşlik ederler (3) (Şekil 1). HATALI/HASARLI PROTEİN KLERANS MEKANİZMASI : 1. Ubikütin- Proteazom Yıkım Yolu (UPY) Gelişmiş ökaryotik hücrelerde bulunan, yüksek seçiciliğe sahip ATP bağımlı bir yıkım yoludur (4). Sitoplazmada serbest ribozomlarda sentezlenen proteinlere ek olarak endoplazmik retikulumda yanlış katlanmış hatalı/hasarlı proteinlerin yıkım yoludur. İki ana bileşeni vardır (5). A. UBİKÜTİNLENME : Hücresel proteinlerin translasyon sonrası modifikasyonlarından birisi de 76 amino asitten oluşan Ubikütin (UB) eklenmesidir. Bu modifikasyona uğrayan proteinler; hücre döngüsü regülasyonu, embriyogenez, apoptoz, sinyal iletimi, DNA tamiri, veziküler trafik ve immün yanıttaki rollerine ek olarak protein kalite kontrolünde de işlevseldir. İşlev çeşitliliğinin nedeni hedef proteine farklı lizinlerden (K: 6,11,27,31,33,48 ve 63) bağlanarak yarattığı farklı ubikütin sinyallerinde yatmaktadır Ör: Lizin 48 poziyonundan ubikütinlenen protein proteazomal degradasyon için işaretlenirken; lizin 63 pozisyonundan işaretlenen protein ise proteolitik olmayan yol ile yıkım için işaretlenmiş olur. Proteinlerin UB ile işaretlenmesi üç temel aşamadan oluşmaktadır. Aktivasyon : UB ATP bağımlı UB aktive edici enzim (E1) ile aktivasyonu Konjugasyon: Aktive olmuş UB’nin ubikütin konjuge edici enzime transfer edilmesi Ligasyon: Hedef protein ile UB arasında ubikütin ligazın (E3) katalizörlüğünde izopeptid bağının oluşmasıdır. K48 pozisyonundan gerçeleşen UB’lenme ile protein proteazomların hedefi haline gelmiştir. B. PROTEAZOM: Proteazom 2000 kDa’luk bir proteaz olup; sitoplazmada ve çekirdekte lokalizedir. 20 S katalitik bölgenin aktivitesi tripsin, kimotripsin ve peptidil glutamil peptid hidrolaz gibi enzimler aracılığı ile sağlanır. 19S’lik bölgeler ise ubikütinlenen proteinlerin yakalanmasından sorumludur. Deubikütinasyon sonrasında 20S‘lik birime oligopeptid fragmanlarına kadar yıkılan protein sitozoldeki peptidazlar tarafından amino asitlere kadar parçalanır (6) (Şekil 2). Hücreler UPY yetersiz kaldığı zaman ise UB ile işaretlenmiş proteini sekuestezom/P62’de bekletirler. Proteazomun işlevsel hale geçmesi gecikirse veya proteazom inhibe olursa bir diğer protein yıkım mekanizması olan otofaji aracılığı ile yıkım işlemi gerçekleşir. Bu veri de iki kalite kontrol mekanizması arasındaki iletişimi göstermektedir (7-9) (Şekil 3). 2. OTOFAJİ: Otofaji, hücre içi makromoleküllerin ve organellerin lizozomlarda parçalanmasına yol açan bir mekanizmadır. Kısa ömürlü proteinlerin ubikütin-proteazom sisteminde parçalanmasına karşın, uzun ömürlü proteinler ve hücre içi organeller otofaji sistemi tarafindan parçalanırlar. Otofaji uzun ömürlü proteinlerin, organellerin ve sitoplazmik parçacıkların lizozomal yıkımından sorumludur. Yıkımı takiben hücresel geri dönüşümü sağlar ve hücrenin açlık, büyüme faktörü yokluğu ve oksidatif stres gibi çeşitli koşullarda hayatta kalmasına yardımcı olur (9,10) . Paradoksal olarak bazı koşullar altında otofaji hücreyi kaspaz bağımsız yolak üzerinden, apoptotik olmayan hücre ölümüyle öldürebilmektedir. Substratların lizozoma getirilişi biçimine göre makrootofaji (Otofaji), şaperon aracılı otofaji ve mikrootofaji olarak üç grupta incelemek mümkündür. Bunlardan makrootofaji (4-1) , pek çok hücrede bazal düzeyde oluşmakta, protein parçalarının ve hasar görmüş organellerin parçalanmasında en önemli rolü üstlenmektedir. Mikrootofaji (4-2) , lizozom membranının içe çökmesi ile sitoplazmanın lizozom tarafindan doğrudan yenilmesi ve içeriğinin lizozom içinde hazmedilmesidir. Şaperon aracılı otofaji (4-3) ise KFERQ motifli proteinlerin lizozom zarına seçici biçimde taşınmasını sağlamaktadır (9,11). B’22 Otofaji mekanizmalarında rol oynayan proteinlerin çoğu "otofaji ile bağlantili proteinler" (Autophagy-related proteins) ya da kısaca Atg proteinleri olarak adlandırılmışlardır. Otofaji ile diğer yıkım yolu ise; K63 pozisyonundan ubikütinlenmedir. HDAC 6 dynein adaptör proteinidir. UB’lenen proteinleri çinko parmak yapısındaki UB bağlayıcı bölgesi ile bağlar. Dynein motor kompleksine bağlı retrograd transportunu gerçekleştirerek otofajik kesecikler aracılığı ile lizozoma aktarılır (12) (Şekil 5). KONFORMASYON HASTALIKLARI - PROTEİN KALİTE KONTROL BOZUKLUĞU Protein kalite kontrolünde işlevsel olan proteinleri kodlayan genlerdeki mutasyonlar, oksidatif stres, yaşlanma vb. faktörlere bağlı olarak hücrenin yanlış katlanmış proteini normale döndürme veya yok etmedeki yetersizliği konformasyon hastalıklarının (Ör: Parkinson Hastalığı, Gaucher Hastalığı gibi) ortak histopatolojik belirteci olan inklüzyon cisimcikleri şeklinde protein agregat oluşumunu tetikler. Bir nüve oluşturan ilk agregatın, hücre içi trafiği ve organellerin işlevini bozmasına ek olarak aktif konformasyonunu doğru almış proteinler ile etkileşerek onların da işlevini bloke etmesi ile çeşitli hastalıkların patogenezinde rol oynamaktadır. SONUÇ: Hatalı/hasarlı protein kleransında işlevsel olan Ubikütin-Proteazom Yıkım Yolu ve otofajinin manipülasyonu ile konformasyon hastalıklarının hücresel temelli tedavi stratejilerinin geliştirilmesi üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Kaynaklar: 1. He XH, Lin F, Qin ZH. Current understanding on the pathogenesis of polyglutamine diseases., Neurosci Bull. 2010 Jun;26(3):247-56 2. Krainc D. Clearance of mutant proteins as a therapeutic target in neurodegenerative diseases., Arch Neurol. 2010 Apr;67(4):388-92. 3. Voisine C, Pedersen JS, Morimoto RI. Chaperone networks: Tipping the balance in protein folding diseases. Neurobiol Dis. 2010 , epub. 4. Hershko A., Ciechanover A., The ubiquitin system, Annu. Rev. Biochem. 67 pp. 425–479, 1998 5. Willis MS, Townley-Tilson WH, Kang EY, Homeister JW, Patterson C. Sent to destroy: the ubiquitin proteasome system regulates cell signaling and protein quality control in cardiovascular development and disease.Circ Res. 2010 Feb 19;106(3):46378 Haririnia A., D’Onofrio M., Fushman D., Mapping the Interactions between Lys48 and Lys63-Linked Di-ubiquitins and a 6. Ubiquitin-Interacting Motif of Journal of Molecular Biology, , 2007 368, Issue 3, 4, 753- 766. 7. Zheng Q, Li J, Wang X.Int J Physiol Pathophysiol Pharmacol. 2009 May 8;1(2):127142. 8. Korolchuk VI, Menzies FM, Rubinsztein DC. Mechanisms of cross-talk between the ubiquitin-proteasome and autophagy-lysosome system FEBS Lett. 2010 Apr 2;584(7):1393-8. 9. Glick D, Barth S, Macleod KF. Autophagy: cellular and molecular mechanisms.J Pathol. 2010 May;221(1):3-12. 10. Platini F, Pérez-Tomás R, Ambrosio S, Tessitore L. Understanding autophagy in cell death control.Curr Pharm Des. 2010;16(1):101-13 11. Chin LS, Olzmann JA, Li L. Parkin-mediated ubiquitin signalling in aggresome formation and autophagy Biochem Soc Trans. 2010 Feb;38(Pt 1):144-9. 12. Olzmann JA, Chin LS. Parkin-mediated K63-linked polyubiquitination: a signal for targeting misfolded proteins to the aggresome-autophagy pathway.Autophagy. 2008 Jan 1;4(1):85-7 nnnn