Enzimlerin evrimsel süreçte kazandığı yeni işlevler - II

Genetik bilginin ifade edilmesinde görevli aminoaçil-tRNA sentetaz (AARS) enzimleri, evrimsel süreçte damar oluşumuna katılmaktan metabolizmanın yönetiminde görev almaya kadar birçok yeni işlev kazanmış görünüyor.

Birinci bölümü okumak için lütfen tıklayın....

Bağışıklık hücrelerinin göçü

Scripps Araştırma Enstitüsü'nde biyokimya alanındaki araştırmacı Paul Schimmel ve grubu,  AARS üzerinde çalışıp bu enzimlerin genlerini diziliyor. Ayrıca bu enzimleri hedefleyip bunların faaliyetlerini belirli şekillerde yok edecek küçük moleküller geliştirmek üzerine de çalışıyorlar.

Schimmel’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Keisuke Wakasugi, tirozin amino asitinin AARS'si olan tirozin RNA sentetazı (TyrRS)kodlayan genin dizisini araştırdı. İnsanlarda TyrRS, enzimin karboksil ucunda, prokaryotlarda veya basit yapılı ökaryotlarda bulunmayan, ekstra bir segment içerir. Proteinin bu kısmında yer alan amino asit dizisi, inflamasyonu teşvik etmek için bağışıklık hücrelerini dokulara aktaran bir insan sitokini (hücrelerin birbirleriyle iletişimini sağlayan protein ve peptidlerin bir grubu) olan EMAP II'ye benziyordu. Dolayısıyla Wakasugi, karboksil alanını sitokin benzeri aktivite açısından test etmeye karar verdi.

Wakasugi TyrRS karboksil alanının fagosit ve lökosit kültürlerinin göçünün ve enflamatuar sinyallerinin salınmasının uyarılması açısından EMAP II gibi davrandığını düşünerek çalışmalarına devam etti. Ancak TyrRS’nin tüm uzunluğu hücrelerin davranışlarını etkilemedi. Yani bu durum karboksil alanının bağışıklık fonksiyonları için TyrRS'den kopma olasılığının olduğuna işaret ediyor.

Aynı çalışmanın bir başka bölümünde bağışıklı sistemi hücreleriyle ilgili elde edilen bulgular şöyle gözlemlendi: TyrRS'nin katalitik alanı olan amino terminalini hücre göçüne etkisi araştırıldı ve bu bölgenin hücrede nötrofil kemotaksisinde (kimyasal bir uyarana karşı hareket) görevli interlökin-8 (IL-8) sitokinine (bağışıklık sistemi hücrelerinin çoğalıp farklılaşmasında ve hücreler arası iletişimde görevli biyolojik yapı) benzer bir şekilde davrandığı görüldü. Hem TyrRS amino terminal parçası hem de IL-8, belirli lökositler üzerindeki IL-8 reseptörüne bağlanır ve bu da kültürde göç etmelerine neden olur.

Sentetazlar Schimmel’in grubunda olduğu gibi hücre göçü ve inflamasyon çalışmalarında kullanılabilir. Ancak sentetazların bunların dışında aşağıdaki tabloda özetlenen pek çok alanda görevleri var.

Damar oluşumu

Sentetazlar, damar sistemi ve yeni damar oluşumu açısından da önemli görevlere sahip. Damar oluşumu büyüme, gelişme, yara iyileşmesi, tümör gelişimi gibi pek çok biyolojik işleyişte yer alırlar. Damar oluşumu canlılarda sürekli olması gereken bir süreçtir. Bu fizyolojik süreçte yeni damarlar, önceden var olan damarlardan oluşur.

Schimmel’in labında bir diğer doktora sonrası araştırmacı olan Xiang-Lei Yang, TyrRS çalışmalarına devam ederek bu sentetazın alternatif işlevleri nasıl yönetebileceğini araştırdı. Yang, sentetaz fragmanının sitokin aktivitesi için gerekli olan belirli bir amino asit dizisi olan glutamik asit-lösin-argininüzerine çalıştı. Aynı dizi, IL-8 ve ilgili sitokinlerde de bulundu. Kristal yapılarda, tam uzunluktaki TyrRS'nin bu motifi gömdüğünü, ancak sitokin benzeri fragmana maruz kaldığını buldu.

IL-8'in kan damarlarının oluşumunda ve büyümesinde yardımcı olduğu biliniyor, bu nedenle Wakasugi ayrıca TyrRS amino terminal parçasını yeni damar oluşturma aktivitesi açısından test etti. Fragmanı içeren bir miktar jeli farelere enjekte ettiğinde, kan damarlarının büyüdüğünü ve jelin yayıldığını gördü. Schimmel’in meslektaşı Martin Friedlander ise fare göz damarlanma modellerinde TyrRS fragmanını test etti. Kontrol grubu olarak insan TyrRS fragmanı ile birlikte, Wakasugi, triptofan enzimi TrpRS'nin glutamik asit-lösin-arginin motifinden yoksun doğal bir varyant sağlandı.

Sonuç olarak kontrol olarak varsayılan TrpRS’nin çok daha güçlü bir etkiye sahip olduğu görüldü. Ancak bu etki TyrRS aktivitesinin tersiydi: Wakasugi'nin jelde gördüğü gibi TrpRS fragmanı, memeli hücre kültüründe, tavuk embriyolarında ve fare gözlerinde damar oluşumunu teşvik etmek yerine engelledi. Dolayısıyla Wakasugi, TyrRS ve TrpRS’nin damar oluşumunun karşıt düzenleyicileri olarak evrilmiş olabileceğini düşünüyor.

Enflamasyonu ve metabolizmayı yönetmek

Cleveland’ta Lerner Araştırma Enstitüsü'nden biyokimyacı Paul Fox makrofajlardaki inflamasyonun kontrolünü inceliyordu. Ekibi özel olarak, hücreler interferon-γ sitokinine maruz kaldığında oluşan bir kompleksi araştırıyordu. Makrofajlar içinde üretilen ve interferonla aktive edilen translasyon (ribozomlarda gerçekleştirilen amino asit zinciri veya polipeptit sentezi süreci) inhibitörü için kullanılan GAIT adlı bir protein kompleksi, inflamasyon ile ilişkili olan mRNA'lara bağlanır ve bunları bloke eder. Araştırmacılar kompleksin içinde glutamik asit ve prolin için AARS'leri içeren bir enzim olan GluProRS'i buldular. Aynı zamanda Fox’un ekibi, interferon-γ'nın GluProRS'in fosforile edilmesine, çeviri sırasında görevini bırakmasına ve inflamatuar proteinlerin üretimini durdurmak için diğer GAIT üyeleriyle birleşmesine neden olduğunu buldu.

Glutamik asit ve prolin sentetazlarının yaklaşık 800 milyon yıl önce neden eşleştiği açık değildir, ancak Fox'un 2018'de yayımladığı bir hipotezi vardır. Prolin, glutamik asitten sentezlenir ve evrimsel sürecin o döneminde ortaya çıkan hayvan proteinleri daha çok prolin içermeye başlar. Bu, mevcut tüm prolinleri parçalayan ve glutamik asitten daha fazla yapılması gereken ProRS üretiminde artışa yol açmış olabilir. Bu da glutamik asit seviyelerinde bir eksikliğe yol açarak protein sentezini bozmuş olabilir. Fox, bu sorunun çözümü için iki sentetazın tek bir gene kaynaşmış olması gerektiği ve böylece aynı miktarda yapılmaları gerektiğini söylüyor.

Daha sonra Fox’un ekibi, GAIT yolağının makrofajların yanı sıra diğer hücrelerde de çalışıp çalışmayacağı sorusuna cevap aradılar. Araştırmacılar, yağ hücrelerine baktıklarında, insülin tedavisinin GluProRS'in fosforile olmasına ve protein sentezi işleminden çıkmasına neden olduğunu gördüler. GluProRS diğer GAIT üyelerine katılmıyordu. Bunun yerine, yağ asidi taşıma proteini 1 (FATP1) adı verilen normal bir sitozolik protein ile eşleşiyordu. Bu moleküller birlikte taşıyıcıların hücre içerisine yağ asidi getirdiği yağ hücresinin zarına gidiyordu.

Araştırmacılar hayvan deneylerinde, FATP1'i bulmak için GluProRS'yi serbest bırakması gereken fosforilasyon (fosfat grubu eklenmesi) bölgesinden yoksun bir fare tasarladılar. Daha az yağ asidi depolama kabiliyetine sahip fareler, kontrol farelerinden yaklaşık %15 ile %20 daha az ağırlığa sahipti. Ayrıca %15 oranında artan bir yaşam süresi ile yaklaşık dört ay daha uzun yaşadılar. İnsanlarda bu süre on yıl veya daha fazlasına karşılık gelebilir. Dolayısıyla Fox, bu fosforilasyon bölgesi hedeflenebilirse belki de insanların yaşam süresinin uzatılabileceğini düşünüyor.

İlaç geliştirme

AARS'lerin genel görevlerinin dışında üstlendiği çeşitli işlevlerde Schimmel ve meslektaşları başka bir şey daha gördüler: hücreleri ve molekülleri sabit tutmaları. Biocon ve aTyr adlı ilaç şirketleri bünyesinde konuyla ilgili çalışmalar yürütülüyor. aTyr’den bir araştırma yöneticisi, bunun modüler bir rol oynayan ve homeostaza (çevresinde gerçekleşen olumsuzluklar karşısında hücrenin kendi dengelerini koruma çabası, değişen koşullarda iç dengenin aktif düzenlemesi) yardımcı olan bir görev olabileceğini düşünüyor.

Kardiyak fibrozis, alopesi areata (saç dökülmesine neden olan otoimmün bir hastalık) ve inflamasyonu tedavi etmek için moleküller test ediliyor. Faz 1 çalışması altındaki bir fibroz tedavisi, amino asidi tRNA'sına bağlayan prolin sentetaz üzerindeki alanı hedefliyor. Fibrozis, üçte iki prolin olan kollajen birikiminden kaynaklanır. Araştırmacılar, bir ilacın bu aktif bölgeden sonra, diğer proteinlerin veya hücre proliferasyonunun sentezini büyük ölçüde etkilemeden sağlıklı kültür hücrelerinde normal fonksiyonu % 90'dan fazla düşürdüğünü buldular.

Kanser ve diğer hastalıklarla ilgili yapılan çalışmalarda hücredeki protein sentezini olumsuz etkilenmemek için tRNA-amino asit bağlanma bölgesinden kaçan veya salgılanan AARS'lerin hücre dışı aktivitelerini hedefleyen küçük protein adayları geliştirilmekte. Nangle ve meslektaşları doğal AARS işlenme varyantlarını ayırarak daha sonra çeşitli insan hücresi temelli analizlerde ilginç biyolojik aktiviteleri tarama yapmak amacıyla çalışmaya başladılar. Bunların hücre çoğalmasında ve korunmasında, immünomodülasyonda ve inflamasyonda, hücre farklılaşmasında, transkripsiyonel düzenlemede ve kolesterol taşınması üzerindeki etkilerini araştırdılar.

Yürütülen çalışmalarda Histidin enzimi HisRS'nin WHEP alanına dayanan bir immüno-modülatörünü takip ediliyor. İnsan T hücresi kültürlerinde, tam uzunluktaki HisRS, aktive edilmiş hücrelerde etkinliğini baskıladı ve sitokin üretimini azalttı. Araştırmacılar, WHEP alanının aktiviteyi azaltmak için bu bağışıklık hücreleri üzerindeki reseptörlerle bağlandığını buldu. Kan dolaşımında daha uzun süre dayanmasına yardımcı olmak için antikora bağlanan HisRS WHEP peptidinin modifiye edilmiş versiyonunun sarkoidozadı verilen enflamatuar bir hastalıkta aynı sessizleştirici etkiye sahip olmasını umuyor. Bu hastalık çeşitli organları, çoğunlukla akciğerleri etkiliyor ve bazen bağışıklık baskılayıcı steroidlerle ömür boyu tedavi gerektirebiliyor. Bu ilaçlar uykusuzluktan glokoma (göz tansiyonu olarak da bilinen göz içi basıncının görme sinirini tahrip edecek kadar yükselmesi nedeniyle görme kaybına yol açan hastalık) kadar uzanan riskli yan etkilere sahip tedavileri de beraberinde getiriyor.

2017-2019 yılları arasında Amerikan Toraks Derneği toplantılarında çeşitli hayvan enflamatuar akciğer hastalığı modellerinden sonuçlar sunuldu ve aday 1923'ün bu bağlamda umut verici olduğuna yönelik bulgular paylaşıldı. Örneğin, kanser ilacı bleomisin, akciğer hasarına neden olurken HisRS veya WHEP alanı enflamasyonu ve fibrozisi azaltıyor. Bleomisin ile tedavi edilen sıçanlar, hasarlı akciğerlerinin neden olduğu solunum kaybını yerine koyabilmek için hızlı bir şekilde nefes alıyorlar, ancak 1923 ile tedavi edilenler normal solunum oranlarını geri kazanıyorlar.

Aday “1923” ile sağlıklı insanlarda güvenlik için bir Faz 1 denemesi yapılmış. Şimdi, sarkoidozlu kişilerde güvenliği doğrulamak, doğru dozu bulmak ve etkinlik belirtilerini görmek için bir Faz 1/2 çalışmaları yürütülüyor. Bu çalışmalarda hastalar steroid alırken denemeye giriyorlar, amaç çalışma sırasında steroid dozajını azaltmak. 1923 alan kişilerin, semptomlarının aynı kaldığı veya iyileştiği görülürken, plasebodakilerin steroid dozları azaldıkça daha da kötüleştikleri görüldü.

Çalışmalar başarılı olursa AARS'den meydana getirilen terapötiklerin ilk örneği olacak, ama muhtemelen sonuncusu olmayacak. AARS'ler, homeostaza meydan okuyan birçok biyolojik sürece cevap vermeye hazır bir şekilde bekliyorlar.

Kaynakça

Demirer, E. vd. (2014). Anjiyogenez ve Anti-Anjiyogenik Tedaviler. Journal of Clinical and Analytical Medicine, 5 (1), 75-79.

Guo, M. ve Schimmel, P. (2013). Essential Non-Translational Functions of tRNA Synthetases. Nat Chem Biol., 9(3), 145-153.

Guo, M. vd. (2020). Functional expansion of human tRNA synthetases achieved by structural inventions. FEBS Letters, 584, 434-442.

Sinan, O. ve Uşak, M. (2015). Protein Sentezinde DNA Eşlenir mi? Middle Eastern & African Journal of Educational Research, 15, 82-95.