Protein Trafiğini Düzenleyen Etiketler

Tıp Fakültesi Biyokimya Anabilim Dalı

Protein Trafiğini

Düzenleyen Etiketler

İnsan organizmasında 100 trilyon civarında hücre ve her bir hücrede yaklaşık bir milyar protein bulunuyor.

Ribozom denen özel yapılarda sentezlenen proteinler hiç bekletilmeden görev yapacakları yerlere gönderiliyor.

Kimileri hücre içindeki birimlere, kimileri de hücre dışına. Peki, bu kadar protein nasıl oluyor da

Bilim ve Teknik Haziran 2012

>>>

F

so-runun yanıtını henüz tam olarak bilmiyoruz. Ancak gen sayımız-dan çok daha fazla olduğu bir gerçek. İn-san genom projesinde, beklenenin aksi-ne, protein kodlayan çok sayıda genimi-zin olmadığı anlaşıldı. Bulunan sayı 20-25 bin civarındaydı. Oysa proje sonuç-lanmadan önce bu sayının 80-100 bin ci-varında olduğu düşünülüyordu. Gen sa-yısının canlının büyüklüğü ile orantı-lı olmadığı artık biliniyor. Yani insanın gen sayısı fareninkinin yüzlerce katı de-ğil; büyüklükleri, güçleri ve yetenekleri çok farklı olsa bile gen sayıları pek fark-lı değil. Bir gen sadece bir protein de-ğil çok sayıda farklı protein sentezleye-biliyor. Bu nedenle farklı proteinlerimiz genlerimizden çok daha fazla.

Proteinler, 100 trilyon bireyin yaşadı-ğı devasa bir imparatorluğun en önem-li yapısal ve işlevsel unsurları. Bunların çoğu da tıpkı hücreler gibi birlikte çalı-şıyor ve belli yerlerde bulunuyor. Kuş-kusuz tüm proteinler hücre içinde dur-muyor, bir kısmı hücre dışına gönderi-liyor. Bunlardan bazıları uzak bölgeler-deki hücrelere mesaj götürüp yapmala-rı gereken işleri bildirirken, diğerleri sa-vunma ve benzeri işlere katılır.

Vücudumuzda şekerler ve yağlar da-ha sonra kullanılmak üzere depolanabi-liyor, ancak aynı durum proteinler için söz konusu değil. Proteinler depolanmaz ve onlar için istirahat söz konusu değil-dir. Tüm yaşamları boyunca gece gün-düz durmadan kendilerine verilen göre-vi yapmakla meşguldürler. Protein sen-tezi hayli zahmetli ve pahalı bir iş. Hüc-reye faturası çok yüksek, o nedenle de hiç biri depolanmak üzere sentezlen-mez. Gereksinim varsa sentezlenir yok-sa sentezlenmez. Zamanı gelince de uy-gun bir şekilde yıkılıp ortadan kaldırılır. İnsan vücudunda yaklaşık 100 trilyon civarında hücre ve her hücrede de 1 mil-yar kadar protein var. Bu sayılar dikka-te alındığında insan organizmasında çok yoğun bir protein trafiğinin yaşandığı açık. Karmaşa yaşanmayan hücrede, yo-ğun protein trafiğini düzenleyen temel kurallar var.

Protein Trafiği

Mitokondride sentezlenen birkaç pro-teini saymazsak hücredeki tüm proteinle-rin yapım yeri sitoplazmadaki ribozom-lardır. Sentezlenen hiçbir protein bekle-tilmez, hemen gitmesi gereken yere gön-derilir. Sentezi tamamlandığı halde bekle-tilen bir protein varsa, işe yaramaz oldu-ğu kabul edilir ve yıkılıp ortadan kaldırı-lır. Bu nedenle protein dünyasında trafik hiç durmaz, sürekli akar.

Sentezlenen bir proteinin hücre için-deki organellere veya hücre dışına gön-derilmesi üç temel yoldan gerçekleşir. Bunlardan ilki özel kanallarla geçiştir. Bu yöntemde proteinler, sitoplazmadan başka bir organele geçerken organel

za-rındaki özel kanalları kullanır. Geçiş sı-rasında proteinin yapısı bozulmaz. Si-toplazma ile çekirdek arasındaki pro-tein taşımacılığında bu yöntem kulla-nılır. Ancak sitoplazmadaki her prote-in bu yöntemi kullanamaz. Geçişte seçi-cilik esastır. Örneğin çekirdeğe geçecek olan bir protein önce onu tanıyan bir al-maca bağlanır. Almacı, sadece kendisine bağlanan protein değil geçecekleri ka-naldaki proteinler de tanır. Böylece, al-maç sayesinde doğru protein doğru ka-nala yönlendirilmiş olur. Protein almaç kompleksi kanaldan karşı tarafa geçer, çekirdekte almaç proteinden ayrılır ve yeni proteinleri getirmek üzere yeniden sitoplazmaya geri döner.

Proteinlerdeki etiketler Çizim: R abia A laba y Katlanmamış protein

Katlanmış protein (işlevsel)

Sinyal (etiket) peptidi

Sinyal bölgesi (etiket) Etiketi oluşturan küçük alt birimler

H₂N H₂N (A) (B) COOH COOH COOH NH₂ H₂N COOH

İkinci yöntemde ise protein zardan ge-çerken üç boyutlu yapısı açılır ve karşı ta-rafa zincir şeklinde geçer. Tıpkı bir yumak iplik küçük bir delikten geçerken olacağı gibi, yumak şeklinde geçmek zor olaca-ğından yumağın açılması gerekir. Prote-inler sitoplazmadan mitokondriye bu şe-kilde geçer. Zincir şeklinde karşıya geçiş beraberinde bazı sorunlar da getirir, çün-kü proteinler kendilerine has üç boyutlu yapılarını kazanmadıkça işlevsel olamaz. Bu amaçla, mitokondrilerde bulunan şa-peron adı verilen yardımcı proteinler ge-çen proteinlerin gereken üç boyutlu yapı-ya kavuşmasını sağlar. Ribozomlarda sen-tezlenen her protein çekirdeğe geçemedi-ği gibi mitokondriye de geçemez. Geçebil-mek için öncelikle mitokondri tarafından tanınması gerekir.

Üçüncü yöntemde ise proteinler vezi-kül adı verilen özel baloncuklar (ambalaj-lar) içinde taşınır. Burada bireysel taşıma değil toplu taşıma söz konusudur. Bu du-rum kargo taşımacılığına çok benzer. Bel-li bir bölgeye gitmesi gereken çok sayıda protein özel bir ambalaj içinde o bölgeye sevk edilir.

Hangi yoldan olursa olsun proteinlerin hedef şaşırmadan istenilen yere gönderil-mesi çok önemli. O zaman şu soruları sor-mak lazım: Bu kadar protein nasıl oluyor da hedef şaşırmadan ilgili yerlere gönderi-liyor? Hangi proteinin nereye gideceği na-sıl belirleniyor? Taşıma işi nana-sıl gerçekleşi-yor? Sentezlenen her protein adrese nasıl teslim ediliyor? Kuşkusuz tüm bunlar için çok güçlü bir alt yapı, iletişim ve koordi-nasyon gerekli. Bu devasa organizasyonun anahtarı proteinlerdeki etiket yapılarda.

Etiketler genellikle proteinlerin uç kısmında bulunan ve 10-60 kadar ami-no asitten oluşan yapılardır. Ancak ba-zen etiket proteinin iç kısmında da ola-bilir. Daha da ilginç olanı ise bazen eti-keti oluşturan amino asitlerin protei-nin iç kısmında birkaç farklı yerde bu-lunmasıdır. Protein üç boyutlu yapısını alınca etiketi oluşturan bölgeler bir ara-ya gelerek özel bir şekil alır ve bu özel şe-kil etiket rolü üstlenir.

Yapılarındaki etiketler sayesinde tüm proteinlerin kendilerine has kimlikleri vardır. Böylece her protein diğer protein ya da proteinler tarafından tanınır. Eti-ketler proteinlerin sadece nereye gidece-ğini değil nerede sentezlenecegidece-ğini ve ne kadar süre sonra ortadan kaldırılacağı-nı da belirler. Bu nedenle her proteinde farklı yerlerde bir veya birden fazla eti-ket bulunabilir.

Tüm proteinler aynı yerde sentezlen-mez, bir kısmı sitoplazmadaki serbest ri-bozomlarda diğeri de endoplazmik reti-kulum adı verilen organele bağlanan ri-bozomlarda sentezlenir. Bu ayrım çok önemli, çünkü sentezin nerede yapıldığı proteinin nerede görev yapacağını belir-leyen bir ön aşamadır. Hücre içinde gö-rev alan proteinler serbest ribozomlar-da, diğerleri endoplazmik retikuluma bağlanan ribozomlarda sentezlenir. En-doplazmik retikulumu hücrenin dışarı-ya açılan kapısı gibi düşünebiliriz. Bu-rada sentezlenen proteinler daha son-ra golgi kompleksine, oson-radan da paket-lenerek hücre dışına, lizozomlara veya hücre zarı gibi göreve yapacakları yerle-re gönderiliyor. O zaman şu soruyu sor-mak lazım. Hangi proteinin serbest ribo-zomlarda ya da endoplazmik retikulu-ma bağlanan ribozomlarda sentezlene-ceğine nasıl karar veriliyor? Bu sorunun yanıtı yeni sentezlenen proteinin uç kıs-mındaki etikette. Yani protein daha doğ-madan nereye gideceği belli. Sentezi de-vam eden proteinin ucundaki özel etike-te göre okuma serbest ya da endoplaz-mik retikuluma bağlanan ribozomlarda gerçekleşiyor. Eğer protein endoplazmik

zi gerçekleştiren ribozomlar etiket saye-sinde endoplazmik retikuluma bağlanır. Böylece sentezlenen proteinler endoplaz-mik retikulum kanalına geçer. Artık bu proteinlerin önünde uzun bir yolculuk vardır. Adeta fabrikadaki bir bant üzerin-de hareket eüzerin-den ürünler gibi, endoplaz-mik retikulumda başlayan ve golgi komp-leksinde devam eden bir işleme, etiketle-me ve paketleetiketle-me sürecinden geçerler.

Etiketleme süreci sentezle sınırlı değil-dir, sentez sonrasında da endoplazmik re-tikulumda ve golgi kompleksinde devam edebilir. Çünkü etiketler sadece protein yapısında bulunan amino asitlerden oluş-maz. Sentez sonrasında ilgili etikete şe-kerler, yağ asitleri, fosfatlar gibi çok sayıda başka molekül de eklenebilir. Böylece eti-kete bir kimlik kazandırılır ve etiketin ta-nınması kolaylaşır.

Proteinler gidecekleri yerlerde aktif gö-rev alacaklarına göre doğru adrese gitme-leri yaşamsal önem taşır. Bu nedenle bir proteinin başına gelebilecek en kötü olay-lardan biri etiketinde bir sorun olmasıdır. Bazen bir mutasyon etiketin değişmesine ve proteinin adresini kaybetmesine neden olabilir. Bu durumda proteinler gitmele-ri gereken yere değil başka adreslere gön-derilebilir veya endoplazmik retikulum-da kalabilir. Tıpkı üzerindeki adres yanlış olan veya hiç olmayan kolilerin kargodaki durumu gibi. Yapılan çalışmalarda etiket-leri değiştirilen proteinetiket-lerin etiketin ait ol-duğu yeni adrese gittiği gözlenmiştir. Ör-neğin A bölgesinde görev yapan bir prote-inin etiketi, B bölgesinde görev yapan bir proteinin etiketiyle değiştirildiğinde pro-tein A bölgesi yerine B bölgesine gider,

Bilim ve Teknik Haziran 2012

>>>

tıpkı hava alanında yanlış etiketlemeden dolayı bavulun yanlış yere gitmesi gibi. 100 trilyon hücrenin yaşadığı insan orga-nizmasında her hücrede bir milyar kadar protein bulunduğunu söylemiştik. Tüm proteinlerin şifreleri DNA’da saklı ve tü-mü ribozomlarda sentezlenip adreslerine teslim ediliyor. Tabii ki yapılarındaki eti-ketler sayesinde. Şimdi etiketin ne kadar önemli olduğunu daha iyi anlıyoruz.

Etiketler proteinlerin yapısında sürek-li kalır mı? Bu durum etiketin bulunduğu yere bağlı. Eğer etiketler proteinin ucun-da ise kesilip atılabilir. Tıpkı kargoucun-dan pa-ketimizi aldığımızda etiketini söküp atığı-mız gibi adrese teslim edilen proteinlerin etiketleri de gerektiğinde özel enzimlerle kesilip uzaklaştırılır. Etiketi uzaklaştırılan protein artık çalışmaya hazırdır.

Kuşkusuz sentez kadar yıkım da orga-nizmada gerçekleşen doğal bir süreç. Or-ganizmanın kendisi gibi onu oluşturan proteinlerin de belli yaşam süreleri var. Proteinlerin belli bir görev süresinin ol-ması aslında organizmanın yararınadır. Çünkü yıpranan yapıların yenisiyle de-ğişmesi, hücrenin ve doğal olarak orga-nizmanın daha uzun ömürlü olmasını sağlar. Hücre içinde görev yapan binler-ce protein var. Bunların yaşam süreleri birbirlerinden farklı. Peki hangi protein-lerin ne zaman ve nasıl yıkılacağına kim, nasıl karar veriyor. Proteinler nerede yı-kılıyor? Yıkım ürünleri nasıl uzaklaştırı-lıyor? Tüm bu soruların yanıtı yine pro-teinlerdeki etiketlerde.

Protein Yıkımı

Hangi canlının ne kadar yaşayacağı az çok bellidir. Bu durum proteinler için de geçerli. Ancak hiçbir canlının ortala-ma yaşam süresi tüm bireylerin o kadar yaşayacağı anlamına gelmez. Hastalıklar ve kazalar gibi organizmanın yaşam sü-resini kısaltan etkenler proteinler için de geçerli. Eğer bir protein yanlış sentezlen-mişse ya da yapısı istenen özellikleri kar-şılamıyorsa sentezden sonra hemen yı-kılıp ortadan kaldırılır. Yanlış sentez ve-ya katlanmayı doğumsal bir kusur gi-bi düşünegi-biliriz. Doğru sentezlenen gi-bir

protein de eğer oksitlenirse ya da bazı enzimlerin saldırısına uğrarsa zamanın-dan önce yıkılıp ortamzamanın-dan uzaklaştırılır. Hatta çeşitli nedenlerle görev yağacağı

yere geç giden ya da hiç gidemeyen pro-teinler de hemen yıkılıp ortadan kaldı-rılır. Kısacası, organizmada çalışmayan proteinlere yaşam hakkı tanınmaz.

Bu iki hastalık, proteinlerdeki etiketleme ve taşıma sisteminde bir sorun olması duru-munda nelerle karşılaşabileceğimizi göste-ren sadece iki örnektir.

I-Cell nadir görülen genetik bir hasta-lıktır. Bu hastalıkta lizozomlara gitmele-ri gereken enzimler hücre dışına göndegitmele-ri- gönderi-lir. Lizozomlar hücrenin sindirim organeli-dir. Çok sayıda protein, hücreler arası atık-lar, hatta bakteriler, mantarlar gibi dev ya-pılar lizomlarda parçalanıp etkisiz hale ge-tirilir. Kuşkusuz parçalanma işlemleri için lizozomların özel enzimlere (biyolojik ka-talizörlere) gereksinimi var. Bu enzimle-re asit hidrolaz diyoruz; bunlar lizozomla-ra alınan yapıları parçalayan biyolojik ma-kaslardır. Bu enzimler ribozomlarda sen-tezlenir ve endoplazmik retikulum yoluy-la golgi kompleksine, oradan da lizozom-lara gönderilir. Ribozomlarda sentezlenen enzimlere endoplazmik retikulumda özel şeker birimleri eklenirr ve golgiye gönde-rilir. Golgide de bu enzimlere özel bir şeker birimi olan mannoza fosfat grubu eklenir. Mannoz kalıntısına fosfat eklenmiş prote-inleri tanıyan özel bir taşıma aracı bunları alıp lizozomlara götürür.

I-Cell hastalığında, minik bir aksaklık dı-şında aslında her şey yolundadır. Bu hasta-larda, golgide enzimlerin mannoz kalıntısı-na fosfat eklenemiyor. Fosfat eklenemediği için onları lizozoma götürecek taşıma ara-cı bu enzimleri tanımıyor. Tüm bu enzim-ler ribozomlarda kusursuz olarak sentez-lenmiş, ardından endoplazmik retikulum-da şeker birimleri de eksiksiz takılmış ve ar-dından golgiye gönderilmiştir. Buraya ka-dar her şey yolundadır. Ancak golgide eti-kete son bir ekleme yapılacağı sırada yaşa-nan bir aksaklık bunca emeğin heba olma-sına neden olabilir. Lizozomlara gitmesi ge-reken enzimler yolunu şaşırıp hücre dışına gönderilir. Sonuçta lizozmlara alınan atıkla-rı parçalayacak enzimler bulunmadığı için atıklar yıkılamaz ve lizozomda birikir, bu da beraberinde ciddi sorunlar getirir.

Kistik fibrozis I-Cell hastalığına göre çok daha yaygın bir hastalık. Bu hastalıkta hüc-re zarındaki bir kanalın yapısında bozukluk görülür. Hastaların çoğunluğunda, kanalı oluşturan proteinin yapısında, 508 numara-lı amino asit olan fenilalanin eksiktir. Bu has-talık, devasa büyüklükteki bir proteindeki tek bir amino asidin neler yapabileceğine tipik bir örnektir. Bu kanalın görevi klor ve bikarbonat gibi anyonların taşınmasını sağ-lamaktır. Ancak hastalıklı bireylerde kanal proteini yapısal olarak düzgün olmadığı için hücre zarına ulaşamaz ve endoplazmik re-tikulumdaki kalite kontrol testlerinden ge-çemez. Bu tip proteinlerin sonu amino asit-lerine ayrılmaktır. İşte tek bir amino asidin neden olduğu yapısal bozukluk ve hedefi-ne ulaşamayan bir protein. Sonuç ise kistik fibrozis denen hastalık ve maalesef çok sayı-da hastasayı-da erken yaşta ölüm. Gen nakli, son yıllarda bazı hastalıkların tedavisinde kulla-nılmaya başlanmıştır. Kistik fibrozis de gen nakli ile etkin olarak tedavi edilebilen nadir hastalıklardan biridir.

I-Cell hastalığında golgiden lizozoma gitmesi gereken enzimler etiketlemedeki bir sorundan dolayı hücre dışına gönderiliyor.

süresinin gerektiğinde biraz uzatılabil-mesidir. Organizma, bir yapıya gereksi-nimi varsa ve bu yapının yenisini oluştu-racak olanakları yok ya da kısıtlı ise, es-kiyen yapıları bir süre daha kullanmaya devam eder. Bu durumu, özellikle bazı yapıları temin etmekte zorlanan hücre-lerde görebiliyoruz.

Gerek hücre içi gerek hücre dışı tüm proteinler hücre içinde yıkılır. Hücreler arası ortamda normal şartlarda protein yıkımı olmaz. Proteinlerin yaşam sürele-ri birbirlesürele-rinden farklıdır. Bir kısmı sani-yeler ya da 1-2 dakika içinde yıkılırken di-ğer bir kısmı günler hatta aylarca çalışma-ya devam eder. Ama hangi proteinin ne zaman yıkılacağı nasıl bilinir? Bu sorunun yanıtı yine proteinlerdeki etiketlerde.

Hücre dışındaki proteinler yıkılacak-ları zaman endositoz denen bir yöntem-le özel baloncuklar içinde (vezikül) hüc-re içine alınır. Ancak bunların yıkım yeri hücre içinde görev yapan proteinlerden farklıdır. Zar proteinleri, hücre dışı teinler ve yaşam süresi uzun olan pro-teinler hücrenin sindirim organeli olan lizozomlarda yıkılır. Yaşam süresi kı-sa olan, yanlış sentezlenen veya sentez-den sonra zarar gören proteinler ise pro-teozom denilen hücre içi yapılarda yıkı-lır. Yıkılacak proteinlerin seçimi ve işa-retlenmesi çok önemlidir. Etiketlerinde-ki bilgiye göre seçilen proteinlerin işa-retlenmesi için yine bir protein olan ubi-kuitin kullanılır.

Ubikuitin

Ubikuitin yıkılacak proteinlere sıkı-ca bağlanan bir proteindir. Tıpkı kesile-cek hayvanların işaretlenip kesimevine götürülmesi gibi, ubikuitinin bağlandı-ğı proteinler de hücrede özel bir yıkım merkezi olan proteozomlara çekilir. Ubi-kuitin ve proteozom ikilisi birlikte bir yı-kım sistemi oluşturur. Biri yıkılacak pro-teinleri belirlerken diğeri yıkımı gerçek-leştirir. Proteinin uç kısmındaki amino asitlerin çeşidi (etiketin yapısı) protei-nin yaşam süresini de belirler. Örneğin uç kısmında serin amino asidi bulunan proteinler hücrede daha uzun süre kalır-ken, aspartat isimli amino asidi taşıyan-lar daha kısa sürede yıkılır.

Kısa bir süre öncesine kadar ubiku-itinin sadece hücre içi proteinlerin yı-kımında rol aldığı düşünülüyordu, oy-sa yapılan son çalışmalar gerçeğin fark-lı olduğunu gösteriyor. Ubikuitinle bağ-lanan proteinler sadece proteozom sis-temine değil lizozomlara da yönlendiri-lir. Proteinlerin endositozla hücre içine alınması ve lizozomlara yönlendirilme-sinde düzenleyici rol oynayan ubikutin, aynı zamanda golgiden veziküllerle gön-derilen proteinlerin yönlendirilmesinde de önemli rol oynar.

Proteinlerde kusur olabileceği gi-bi kusurlu proteinleri yıkan sistemlerde de sorunlar olabilir. Ubikuitin proteo-zom sisteminin zamanla işlevlerini kay-betmeye başlaması yıkım

mekanizması-ğal olarak işlev görmeyen ya da az gören proteinler ortamda birikecek ve bu du-rum yaşlanmaya giden yolu açacaktır.

Tıpkı kargo taşımacılığında olduğu gibi kuşkusuz her şey etikette bitmez; sistemin kusursuz işleyebilmesi yüzler-ce aracın ve bireyin işbirliğine bağlıdır. Benzer şekilde protein trafiğinde de her şey sadece etiket değildir. İşin temelinde başta lipitler (yağlar) olmak üzere, farklı yüzlerce protein ve protein olmayan mo-lekülün katıldığı organize bir sistem var. Sonuç olarak, nasıl trafiğin düzenli akışı bir kentin düzeni için vazgeçilmez ise protein trafiği de yaşam için vazgeçil-mezdir. Günümüzde modern tıbbın en önemli sorunlarından biri, protein trafi-ğinde yaşanan aksamaların neden oldu-ğu hastalıklardır. Trafik akışındaki so-runlar giderildiği zaman, başta yaşlanma olmak üzere nörodejeneratif hastalıklar ve kanser için sonun başlangıcı olacaktır. Kaynaklar

Schekman, R., “How sterols regulate protein sorting and traffic”, Proceedings of the National Academy of Sciences, Cilt 104, s. 6496-6497, 2007.

Greaves, J. J., Chamberlain, L. H., “Palmitoylation-dependent protein sorting”, The Journal of Cell Biology, Cilt 176, Sayı 3, s. 249-254, 29 Ocak 2007.

Tang, B. L., Gee, H. Y., Lee, M. G., “The Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator’s expanding SNARE Interactome”, Traffic, Cilt 12, s. 364-371, 2011. Hoppe, T., “Life and destruction: ubiquitin-mediated proteolysis in aging and longevity”, F1000 Biology Reports, Cilt 2, Sayı 79, s. 1-3, 2010.

Riordan, J. R., “Cystic Fibrosis as a Disease of Misprocessing of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator Glycoprotein”, The American Journal of Human Genetics, Cilt 64, s. 1499-1504, 1999.

International Human Genome Sequencing Consortium, “Finishing the euchromatic sequence of the human genome”, Nature, Cilt 431, s. 931-945, 2004. http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/ faq/compgen.shtml#stubbs Çizim: R abia A laba y