Yeni bir model, bir genin DNA dizilimini değiştiren ancak kodlanmış proteinini değiştirmeyen eşanlamlı mutasyonların yine de protein sentezini ve işlevini nasıl etkileyebileceğini gösteriyor.
Penn State’teki kimyagerler tarafından yönetilen bir grup araştırmacı, protein üretim hızını etkileyen ancak proteini oluşturan amino asitlerin sırasını etkilemeyen genetik değişikliklerin, proteinin aktivite seviyesini değiştiren yanlış katlanmaya nasıl yol açabileceğini analiz etti ve ardından deneysel sonuçlar simülasyonlarını destekledi.
Bulgular, üretilen proteinlerin aktivitesini ince ayarlamak için biyofarmasötik gibi alanlarda sonuçlara sahip olabilir. Aynı zamanda bu bulgular protein yapısını ve işlevini belirlemek için diziye ek olarak kinetiğin veya protein sentez hızının değerini gösterebilir.
Amino Asit Zincirlerinin Dizilimi
Uzun amino asit zincirleri, üç boyutlu, kullanışlı yapılara dönüşen proteinleri oluşturur. Her amino asit, DNA harfleri A, T, C ve G’den oluşan bir üçlü olan bir kodonla temsil edilir. Ancak, sistemik fazlalık nedeniyle, birden fazla kodon aynı amino asidi temsil edebilir.
Bu nedenle, bir mutasyon “eşanlamlı bir kodona” yol açsa bile, kodlanan proteinin dizisi mutasyonun bir sonucu olarak her zaman değişmeyecektir. Bir hücrenin çekirdeği önce DNA’yı mesajcı RNA’ya dönüştürür, bu da daha sonra bir proteine (mRNA) çevrilir.
Çekirdekten çıktıktan sonra mRNA, ribozom olarak bilinen hücresel bir bileşen tarafından gelişmekte olan bir proteine çevrilir. Protein, çeviriden sonra nihai işlevsel durumuna katlanır.
Penn State’te kimya profesörü ve Hesaplamalı ve Veri Bilimleri Enstitüsü üyesi ve ekibin liderlerinden biri olan Ed O’Brien, “eşanlamlı” ve “sessiz” terimlerinin bir zamanlar bir proteinin dizisini değiştirmeyen mutasyonları tanımlamak için birbirinin yerine kullanıldığını belirtti. Çünkü proteinin işlevselliğini etkilemeyeceklerine inanılıyordu. Ancak uzun zamandır bildiğimiz gibi, tüm eşanlamlı değişiklikler sessiz değildir.
Proteinlerin aktivitesinin eşanlamlı mutasyonlarla azaltılabileceği 20 yıldan uzun bir süre önce tespit edilmişti, ancak altta yatan biyokimyasal mekanizma hala belirsizdi.
Araştırma ekibi, protein üretimi sırasında moleküler düzeyde neler olduğunu taklit etmek için teori ve hesaplamayı kullanan çok ölçekli bir modelleme yöntemi kullanarak eşanlamlı mutasyonlardan kaynaklanabilecek ve daha sonra proteinin işlevini etkileyebilecek protein yapısındaki değişiklikleri tahmin etti. 5 Aralık’ta Nature Chemistry dergisi çalışmayı özetleyen bir makale yayınlandı.
Penn State’te yardımcı kimya profesörü ve makalenin ilk yazarı olan Yang Jiang, farklı kodonların ribozom tarafından çeşitli oranlarda çevrildiğini belirtti.
“Üç farklı enzim (biyokimyasal reaksiyonları katalize eden özelleşmiş proteinler) için mRNA’nın hızlı çevrilen kodonlardan oluşan bir versiyonunu ve yavaş çevrilen kodonlardan oluşan bir versiyonunu simüle ettik ve ardından yeni oluşan proteinin üretimini, translasyon sonrası nasıl katlandığını ve aktivitesini modelledik.”
Ekibin protein aktivitesindeki değişikliklere ilişkin tahminleri, enzimlerden biri için daha önce yapılan ölçümlerle uyumluydu. Daha sonra, modellemelerinin öngördüğü aktivite değişiklikleriyle benzer şekilde eşleşen diğer iki enzim için deneyler yapıldı.
Daha sonra, etkinlikteki değişikliklere neden olabilecek herhangi bir moleküler değişiklik olup olmadığını görmek için modelleri tarafından öngörülen protein yapılarına ve katlanma süreçlerine baktılar.
Jiang, “Modellerimizde ‘kovalent olmayan kement dolanması’ olarak adlandırdığımız yeni bir protein yanlış katlanma sınıfı keşfettik” dedi. Özünde, proteinin bir parçası kapalı bir döngü oluşturuyor ve proteinin bir ucu döngü boyunca uygunsuz bir şekilde ilerliyor ve uzun süreler boyunca sıkışıyor.
Araştırmacılar, bu tür bir protein yanlış katlanmasının neden işlevini azaltabileceğine dair iki potansiyel açıklama sunuyor. Birincisi, yanlış katlanma enzimin aktif bölgesine yakın gerçekleştiği için bir enzimin işlev görme yeteneğini bozabilir.
İkincisi, hücreler yanlış katlanmış proteinleri yeniden katlayabilen veya ortadan kaldırabilen şaperon olarak bilinen sistemlere sahip olsa da, bu spesifik yanlış katlanmış yapılar şaperon sistemi tarafından tespit edilemeyebilir ve hücrede kalabilirler çünkü gözlemlenen değişiklikler, düzeltilmeleri için önemli miktarda proteinin açılmasını gerektirecektir.
“Peki, bu nasıl oluyor?” sorusu bir sonraki sorudur.
O’Brien’a göre bunu, modellerimizi proteinin katlanma rotasını izlemek için kullanarak ele alabiliriz. “Proteinin ya doğru katlanmış bir proteinle sonuçlanan bir yönde ilerleyebileceği ya da kement dolaşıklığıyla sonuçlanan bir yön seçebileceği anları gözlemliyoruz. Bunun için kullandığımız terim “kinetik bölümleme”.
Proteinin hangi yolu izleyeceği, ne kadar hızlı ya da yavaş çevrildiğine bağlı gibi görünmektedir.
Protein sentez kinetiğinin protein yapısını ve işlevini nasıl etkileyebileceğine dair bu yeni anlayışın biyokimya, biyoteknoloji ve hatta tıp için etkileri olabilir.
O’Brien’a göre, protein katlanması çalışmalarında hakim olan paradigma, yapının dizilim tarafından belirlendiği yönündeydi.
“Bulgularımız, kinetiğin de protein yapısını ve işlevini düzenleyebileceğini açıklıyor ve gösteriyor. Bunun protein sentezini kullanan tüm alanlar üzerinde etkileri vardır. Araştırmamız, yeni ilaçların yaratılması için tamamen yeni bir terapötik hedef sınıfının mevcut olabileceğini göstermektedir, çünkü protein yanlış katlanması da çeşitli insan hastalıklarında rol oynamaktadır.”
Kaynak: Scitechdaily – “How synonymous mutations alter enzyme structure and function over long timescales” 5 December 2022, Nature Chemistry.
