Translasyon ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar PDF

Translasyon ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar Prof. Dr. Emre TEPELİ Atlas Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji ve Genetik AD Santral Dogma DNA uzantısı (gen), belirli bir amino asit dizisi yapmak için bilgi içerir. DNA'daki bilgiler doğrudan amino asit...

Translasyon ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar Prof. Dr. Emre TEPELİ Atlas Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji ve Genetik AD Santral Dogma DNA uzantısı (gen), belirli bir amino asit dizisi yapmak için bilgi içerir. DNA'daki bilgiler doğrudan amino asit dizisine çevrilmez. DNA  RNA  protein Transkipsiyon ve Translasyon Transkripsiyon RNA polimeraz tarafından mRNA'ya kopyalanan (kopyalanan) DNA Translasyon mRNA proteine çevrilir (kodu çözülür) Nükleik asitlerin dili, proteinlerin diline dönüştürülür Genotipler fenotipler oluşturur Genotip ¤ Bir organizmanın DNA'sındaki baz dizisi Fenotip ¤ DNA'nın ürettiği proteinlerin ürünü Aleller ¤ Bir gen için farklı DNA dizisi olasılıkları ¤ Farklı aleller farklı proteinler üretir ¤ Farklı proteinler farklı fenotipler üretebilir Genotipler fenotipler oluşturur Genetik Kod mRNA dizisi bir proteindeki belirli amino asitleri nasıl kodlar? George Gamow: *Genetik kodda tahmin edilen her "kelime" üç baz içerir * 20 AA ve 4 RNA tabanı -en az 3 baz kod, tüm amino asitleri belirleyebilecek -4x4 = 16 -4x4x4 = 64 Genetik Kod Bazı AA'lar birden fazla üçlü ile belirtilmiş. Kodun özellikleri Gereksiz Çoğu AA birden fazla kodon tarafından kodlanır Korunmuş Birden fazla kodon aynı AA'yı belirttiğinde ilk 2 baz aynıdır Belirsiz Bir AA için bir kodon kodu Evrensel Tüm kodonlar, tüm organizmalarda aynı AA'yı belirtir Kodonlar Kodon Belirli bir AA'yı belirten üç bazlı grup Başlat Kodonu (start) mRNA'nın protein kodlama dizisinin başlangıcı AUG (metyonin) Dur Kodonu (stop) -Protein kodlama dizisinin sonunu gösterir -UGA, UAA, UAG Kodu kullanma Translasyon Genetik bilgiyi proteinlere dönüştürmek. mRNA, ribozomda sentezlenen proteinlerin kodudur. Transfer RNA (tRNA) Taşıyıcı RNA: Hücrelerde protein sentezi sırasında büyüyen polipeptit zincirine spesifik bir amino asit ekleyen küçük (yaklaşık 74-95 nükleotit uzunlukta) bir RNA molekülüdür. Amino asidin bağlanması 3' ucundadır. Bu kovalent bağlantı aminoaçil tRNA sentetaz tarafından katalizlenir. Transfer RNA (tRNA) Ayrıca, antikodon olarak adlandırılan üç bazlık bir bölge vardır, bu bölge mRNA üzerinde kendisine karşılık gelen üç bazlık bir kodon bölgesi ile baz eşleşmesi yapar. Her tip tRNA molekülü sadece tek tip bir amino asite bağlanabilir, ama genetik kod aynı amino asite karşılık gelen birden çok kodon bulunduğu için, farklı antikodonlara sahip tRNA'lar aynı amino asidi taşıyabilir. tRNA (Transfer RNA) Transfer ribonükleik asit (tRNA), bir haberci RNA (mRNA) dizisinin kodunu bir proteine ​çözmeye yardımcı olan bir RNA molekülü türüdür. tRNA'lar, bir mRNA molekülünden bir proteini sentezleyen bir işlem olan çeviri sırasında ribozomdaki belirli bölgelerde işlev görür. Proteinler, kodon adı verilen üç nükleotitli mRNA dizileri tarafından belirlenen amino asit adı verilen daha küçük birimlerden yapılır. Her kodon, belirli bir amino asidi temsil eder ve her kodon, belirli bir tRNA tarafından tanınır. tRNA molekülü, üç yapraklı bir yonca şeklini oluşturan üç saç tokası ilmeği ile belirgin bir katlanmış yapıya sahiptir. Bu saç tokası ilmeklerinden biri, bir mRNA kodonunu tanıyabilen ve kodunu çözebilen antikodon adı verilen bir dizi içerir. Her tRNA'nın ucuna bağlı karşılık gelen amino asidi vardır. Bir tRNA, ribozomdaki karşılık gelen kodonunu tanıdığında ve ona bağlandığında, tRNA uygun amino asidi büyüyen amino asit zincirinin sonuna aktarır. Daha sonra tRNA'lar ve ribozom, tüm dizi bir proteine ​çevrilene kadar mRNA molekülünün kodunu çözmeye devam eder. tRNA Yapısı tRNA’nın 3boyutlu yapısı yonca yaprağı şeklinde değil, L şeklindedir. Molekül kendi üzerine katlanarak D ve T kollarındaki eşleşmemiş bazların eşleşmesiyle çift sarmal oluşturur. tRNA Yapısı D loop: Dihidrouridin (D)* bazı içerdiğinden bu ismi alır. AA’lerin tRNA moleküllerine bağlanmalarını sağlayan amino açil sentetaz enzimini tanır. Antikodon kolu 5 baz çifti uzunluğunda bir saptır, ucundaki ilmikte antikodon bulunur. Ayrıca içinde bir Y sembolüyle gösterilen modifiye bir pürin nükleotit vardır. TψC kolu: tRNA’nın yapısı Timin (T), psödouridin (ψ) ve sitozin (C) bazları içerir. D kolunun zıt yönünde bulunur. Ribozomu tanıyan koldur. Değişken (ekstra) kol: tRNA’ların %75’inde değişken kol mevcuttur. tRNA’nın en değişken kısmıdır. Antikodon Bir antikodon, üç nükleotitten oluşan bir birimdir, mRNA'daki kodonundun üç bazına karşılık gelir. Her tRNA spesifik bir antikodon üçlü dizisine sahiptir, bu üçlü bir aminoasit için olan bir veya daha çok kodon ile baz çiftleşmesi yapabilir. Örneğin, lizin için kodonlardan biri AAA'dır; bir lizin tRNA'sının antikodonu UUU olabilir. Bazı antikodonlar birden fazla kodon ile baz eşleşmesi yapabilir, oynak baz eşleşmesi (İng. wobble base pairing) denen bir olgunun sonucu. Antikodon Çoğu zaman, antikodonun ilk nükleotidi, mRNA'da bulunmayan iki bazdan biridir: inozin ve psödouridin, bunlar birden fazla baz ile hidrojen bağı kurabilir. Genetik kodda bir aminoasit, üçüncü pozisyon olasılıklarının tüm dördü tarafından belirlenebilir. Örneğin glisin amino asidi GGU, GGC, GGA, ve GGG kodon dizileri tarafından kodlanır. tRNA molekülü ile amino asitleri belirleyen kodonlar arasında birebir bir ilişki sağlamak için hücrede 61 tip tRNA molekülü olması gerekir. Ancak, çoğu hücrede 61'den daha az sayıda tRNA vardır çünkü oynak baz belli bir amino asidi belirleyen birden fazla (ama mutlaka hepsi değil) kodona bağlanabilir. Aminoaçilasyon Aminoasilasyon bir bileşiğe bir aminoaçil grubu eklenme sürecidir. 3' CCA uçları bir amino aside kovalent bağlanmış tRNA molekülleri üretir. Her tRNA bir aminoaçil tRNA sentetaz tarafından ona spesifik bir amino asit ile aminoaçillenir (veya yüklenir) her bir amino asit için birden çok tRNA ve birden çok antikodon olabilirse de, normalde her bir amino asit için bir aminoaçil tRNA sentetaz vardır. Her bir amino asit için özgül amnioaçil-tRNA sentetaz enzimi vardır! Enzim katalizli tepkimede ATP hidrolizi ile aktive edilen amino asit, tRNA’nın 3’ ucundaki adenin bazına ait riboz şekerin 3’-OH grubuna bağlanır. Reaksiyon: amino asit + ATP → aminoaçil-AMP + PPi aminoaçil-AMP + tRNA → aminoaçil-tRNA + AMP Ribozoma bağlanma Ribozomda tRNA molekülleri için üç bağlanma yeri vardır: A ('aminoaçil'), P ('peptidil') ve E (İngilizce 'exit', yani "çıkış") konumları. Translasyon sırasında A konumuna, o anda bulunan kodon tarafından belirlenen şekilde, bir aminoaçil-tRNA bağlanır. Bu kodon büyümekte olan peptit zincirine bağlanacak olan bir sonraki amino asidi belirler. A konumu ancak P konumuna ilk aminoaçil-tRNA bağlandıktan sonra çalışır. Birden çok amino asidin bir zincir halinde birbirine bağlı olduğu bir peptidil- tRNA molekülü, P konumunda bulunan kodona bağlıdır. Aminoaçil tRNA'ya ilk bağlanan yer, P konumudur. P konumunda bulunan bu tRNA sentezlenmiş olan amino asit zincirini taşır. E konumunda ise, ribozomu terk etmek üzere olan boş tRNA yer alır. Ribozom Protein ve ribozomal RNA (rRNA) içerir Yapısı ¤ Küçük alt birim: çeviri sırasında mRNA'yı yerinde tutar ¤ Büyük alt birim: peptit bağları oluşur. Ribozom İşlev: proteinleri sentezlemek için moleküler makine Adımlar 1. tRNA'ya bağlı AA, A sitesine girer 2. Peptit bağı P bölgesini oluşturur 3. Ribozom 3 baz hareket eder 4. tRNA, E bölgesinden çıkar Translasyon Basamakları:Başlatma 1. AUG başlangıç kodonunda başlar; mRNA bağlanır 2. f-Met (başlangıç tRNA) bağlanması 3. Büyük alt birim bağları Translasyon Basamakları:Uzama 1. tRNA, bir siteye bağlanır (kodon antikodonu bağlar) 2. P tarafında peptit bağı oluşur 3. Translokasyon: tRNA, A'dan P'ye, E'ye hareket eder. Translasyon Basamakları:Sonlanma 1. Bir site bir durdurma kodonuyla karşılaşır 2. Proteinin (realese faktörü) girmesine neden olur 3. tRNA'yı P'de PP zincirine bağlayan bağı serbest bırakır. Posttranslasyonel Modifikasyonlar (PTM) Protein sentezi (protein translasyonu) fonksiyonel bir protein üretimi ile eş anlamlı değildir. Polipeptidler, fonksiyon gösterebilmesi için belirli üç boyutlu yapılara dönüşmek zorundadırlar. Buna ek olarak ta, birçok proteinin fonksiyonel özellik kazanabilmesi için PTM adı verilen işlemlere tabi tutulması gerekmektedir. Bu tip modifikasyonlar arasında örnek olarak fosfat ve metil gibi küçük moleküllerin ya da karbonhidrat ve lipit gibi büyük ve karmaşık moleküllerin kovalent olarak bağlanması sayılabilir.  Modifikasyon için kullanılan moleküller protein üzerindeki belirli amino asitlere enzimler aracılığı ile bağlanır. Genel olarak bu tip modifikasyonlar reversibl yani geri dönüşümlüdür. Modifikasyonların uzaklaştırılması spesifik enzimler tarafından gerçekleştirilir. Böyle bir strateji hücreye örneğin bir uyarı karşısında hızlı bir şekilde (genellikle saniyeler ve dakikalar içinde) proteinlerin aktivitesini regüle etme olanağını verir.  Bir diğer PTM tipi ise peptid bağının parçalanmasıdır ki (proteolitik parçalanma olarak ta bilinir) bu işlem irreversibl yani geri dönüşümsüzdür. Bu işlem çoğunlukla proteaz adı verilen enzimler tarafından daha az sıklıkla da otokataliz ile gerçekleştirilir. PTM işlemleri hücrenin farklı organellerinde (örneğin çekirdek, sitoplazma, golgi vs.) gerçekleşebilir. Modifikasyonun tipine de bağlı olarak, PTM genellikle çabuk, geri-dönüşümlü, zamana ve yere bağlıdır.  PTM farklı hücresel işlemlerde farklı amaçlarda kullanılır. Bunlar arasında en bilinenleri: (i) enzim regülasyonu (ii) proteinlerin hücre içi lokalizasyonu (iii) protein-protein etkileşimi (iv) hücre içi sinyal iletimi (v) hücre bölünmesi sayılabilir. Posttranslasyonel Modifikasyon Tipleri 1. Fosforilasyon Fosforilasyon (ve defosforilasyon) sinyal iletişiminde kullanılan proteinlerin regülasyonu için en fazla kullanılan PTM çeşidi olup, hücre biyolojisi ve organizmanın bütün yönlerini etkiler. Memeli hücrelerindeki proteinlerin % 30`unun kinaz adı verilen enzimler tarafından fosforlandığı bilinmektedir. Protein fosforilasyonu proteinin enzimatik aktivitesini, hücre içi lokalizasyonunu ve/veya diğer proteinlerle bağlanmasını etkileyerek protein fonksiyonunu düzenlemektedir. Fosforilasyon Ökaryotlarda, serin (Ser), treonin (Thr) ve tirozin (Tyr) amino asitleri fosforilasyona tabi olabilirler. ATP + protein fosfoprotein + ADP Fosforilasyon Amino asite çift negatif yüklü tetrahedral bir fosfat grubunun eklenmesi proteinlerin genellikle üç boyutlu yapısında bir değişikliğe yol açarak sinyal iletişiminin başlamasını ya da durmasını sağlar. Buna örnek olarak mitojen duyarılı protein kinaz (MAPK) ve insülin reseptörü (IR) gibi membrana bağlı reseptör tirozin kinazlar verilebilir. İnsülinin IR aracılığı ile sinyal iletisini başlatabilmesi için IR`nin karboksi-(C) ucunda belirli tirozin amino asitlerinde fosforlanması gerekmektedir. Deneysel ya da genetik olarak bu tirozin amino asitlerinin mutasyonu insulin direnci adı verilen kanda yüksek glikoz ve yağ asitleri ile karakterize bir duruma yol açmaktadır. 2. Glikozilasyon Glikozilasyon ökaryotlarda ikinci sıklıkla görülen PTM`dir. Glikoproteinlere (kovalent olarak bağlanmış karbonhidrat bulunduran proteinler) bakterilerde de rastlanmıştır. Hemen hemen bütün hücre yüzey proteinleri (örneğin kan grubu antijenleri) ve salgılanan proteinler glikozillenmiş durumdadır. Glikoproteinlerin translasyonu endoplazmik retikulum (ER)`da devam eder ve karbonhidratların eklenmesi translasyon ile eş zamanlı gerçekleşir. 2. Glikozilasyon Glikozilasyon ER`de proteinlerin katlanıp üç boyutlu yapısını kazanması, proteinlerin gerekli hücre içi kompartmanlara taşınması ve hücrelerin birbirleri ile etkileşiminde tanınma noktaları olarak rol alır. Glikozilasyonun önemi en iyi şekilde proteinlerin anormal glikozilasyonu ile karakterize hastalıklarda anlaşılabilir. Konjenital muskuler distrofi olarak bilinen hastalığın en belirgin özelliklerinden biri, kas hücrelerinin ekstrasellüler matriks ile bağlantısının azalması ya da yok olmasıdır. α-distrofin adlı proteinin glikozilasyonunun olmaması ya da eksikliği bu proteinin ekstrasellüler matrikste bulunan lamin proteinine bağlanmasını bozar. Bu durum, kas hücresi ile ekstrasellüler matriks arasındaki bağın zayıflamasına yol açar. 3. Asetilasyon Proteinlerin asetilasyonu fosforilasyona benzer bir işlev görür. Histon ve p53 gibi bazı proteinlerin belli amino asitlerdeki asetilasyonu gen transkripsiyoununu etkileyen epigenetik kodun bir parçası olarak görülmektedir. Histonların asetilasyonu, gen transkripsiyonunu ve DNA replikasyonunu etkiler. Örneğin asetillenmiş lizin aminoasitleri spesifik olarak transkripsiyon faktörleri olarak görev yapan bromo-domein proteinleri tarafından tanınır. Böylece, histon uçlarınının asetilasyonu, nükleozom bölgelerindeki genlerin transkripsiyonunu kontrol eden transkripsiyon ve replikasyon faktörlerinin aktivitesini etkiler. 3. Asetilasyon Kanser gibi bazı hastalıklarda histon asetilasyon seviyelerini kontrol eden enzimlerin (histon asetil transferazlar ve histon deasetilazlar) aktivitelerinde değişikliklikler gözlenmiştir. Bu nedenle bu enzimlerin aktivitesinin kimyasallar yardımı ile regüle edilmesi bir tedavi seçeneği olarak düşünülmektedir. 4. Açilasyon (Yağ Asidi Eklenmesi) Açilasyon ile proteinlerin PTM`si protein yapısını, lokalizasyonu ve fonksiyonunu etkilemektedir. En yaygın olarak miristik asit (C14) ve palmitik asit (C16) zincirleri açilasyon amacı ile kullanılmaktadır. Bir yağ asiti grubunun proteine eklenmesi, ilgili proteinin hücre membranının sitoplazmik yüzeyine yapıştırılmasında sıklıkla kullanılan bir stratejidir. Çoğunlukla yağ asiti ile proteinlerin modifikasyonu spesifik enzimlerin aktivasyonuna yol açar. 5. Prenilasyon(İzoprenil grupları eklenmesi) Bazı proteinlerin C-uçlarındaki belirli sistein amino asitlerine farnesil, dolikol ve geranil gibi prenil molekülleri eklenir. Bu proteinler çoğunlukla korunmuş CAAX-kutusu olarak bilinen bir amino-asit dizesi içerir (C: Sistein; A: Herhangi bir alifatik amino asit; X: Herhangi bir amino asit). Böyle bir modifikasyon membran proteinlerinde sıklıkla gözlemlenir. Prenilasyon, hidrofilik proteinlerin hidrofobik membrana bağlanmasını kolaylaştırır ve prenil grubunu tanıyan proteinlerle etkileşimini sağlar. Prenilasyon, Ras, Rho ve G protein ilişkili reseptörler gibi bazı proteinlerin aktivitesi için zorunlu bir adımdır. 5. Prenilasyon(İzoprenil grupları eklenmesi) Ras proteini, prenilasyona tabi olan proteinler arasında en iyi bilinenlerden biridir. Mutasyon çalışmaları prenilasyonunun ras onkoproteinin foksiyonu için ne kadar önemli olduğunu ortaya koymuştur. Çünkü prenilasyona tabi olamayacak şekilde mutasyona uğratılmış ras geni onkojenik transformasyon kabiliyetini kaybetmektedir. Bu nedenle, prenilasyonda rol oynayan enzimlerin kanser tedavisinde potansiyel bir hedef olarak düşünülmesi şaşırtıcı değildir. 6. Glikozil fosfatidil inozitol (GPI) ile modifikasyon GPI kompleksi bir glikofosfolipit olup proteinlerin hücre yüzeyine tutunmasında önemli rol oynar. GPI, amid bağı yardımı ile ER`de proteinlerin C-ucuna bağlanır. Böylelikle proteinler membrana iki yağ asiti yardımı ile bağlanmış olur. Proteinlerin hücre yüzeyine GPI ile bağlanması oldukça karmaşık, metabolik olarak pahalı ve enerji gerektiren bir işlemdir. 7. Metilasyon Proteinlerin metil transferaz enzimleri tarafından metillenmesi protein aktivite ve yapısını ektilemektedir. Lizin, arjinin ve löysin aminoasitlerinin metillendiği bilinmektedir. Histon gibi DNA`ya bağlanan proteinlerin metilasyonu iyi bilinmektedir. Histon uçlarının metilasyonu genetik kodun bir parçası olarak görülmektedir ve genlerin transkripsiyonal aktivitesini etkiler. 8. Ubiqutilasyon Ubiqutilasyon birçok hücresel faaliyetin düzenlenmesinde önemlidir. Bunlar arasında protein parçalanması, sinyal iletişimi, hücre içi lokalizasyon ve DNA tamiri sayılabilir. Ubiqutilasyon 76 aminoasitten oluşan ubiquitin adlı proteininin hedef proteine kovalent olarak bağlanması ile gerçekleşir. Hedef proteine bağlanma lizin amino asiti aracılığı ile olur 9. Proteolitik parçalanma Diğer PTM tiplerinin aksine proteolitik parçalanma amino asite kovalent bağlanma gerektirmez. Bu işlem proteaz adı verilen enzimler tarafından spesifik peptit bağlarının parçalanması ile gerçekleşir. Daha az sıklıkla da olsa proteolitik parçalanma otokataliz yolu ile de gerçekleşir. Bazı proteinlerin bu şekilde kısmen parçalanması onların lokalizasyon, aktivite ve yarı ömürlerinini etkiler. Bu şekildeki modifikasyon salgılanan enzimler arasında sıklıkla gözlemlenir. 9. Proteolitik parçalanma Bunlara örnek olarak sindirimde görevli tripsin ve kimotripsin verilebilir. Bu enzimler pankreasta zimojenler olarak ta bilinen inaktif prekürsörler olarak sentezlenir (tripsinojen ve kimotripsinojen). Proteazdan zengin barsak ortamına salgılanan zimojenler kısmi proteolitik parçalanmaya uğrayarak aktif formlarına dönüşürler. Bu şekilde etki yerlerine ulaşıncaya kadar aktif hale gelmelerinin önlenmesi yapıldıkları organ ya da dokuyu sindirmelerinin engellenmesi için gereklidir.