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