Enzimlerin evrimsel süreçte kazandığı yeni işlevler

DNA'da kodlanmış genetik bilgiyi proteine çevirmeye yardımcı olan aminoaçil-tRNA sentetaz enzimleri, bundan başka yeni damar oluşumu, yağ metabolizması ve daha pek çok görevde işlev görüyor.

[BAA - Biyolojik Hareket ve Evrim]

Canlılık için proteinlerin çok önemli olduğu, bütün canlı dokularda yer aldığı, canlılık faaliyetlerinde çok çeşitli düzeylerde işlev edindiği biliniyor. Genetik yapıdan farklı olan bu büyük moleküllerin ortaya çıkışı ve evrimsel değişimini araştırmak canlı tarihini anlamak, canlılar arası etkileşimi çözümlemek ve örneğin hastalık çalışmaları için giderek genişleyen bir araştırma alanı olmaktadır.

DNA’nın keşfinden sonra, bu moleküldeki genetik bilginin yeni kuşaklara aktarımını ve proteine dönüşümünü anlamak önemli hale geldi. Merkezi dogma (santral dogma) denilen bu süreç hücre içinde genetik bilginin DNA’dan RNA’ya nasıl aktarıldığı ile ilgilidir. Süreç DNA’nın kendini kopyalaması (replikasyon) ile başlayıp DNA’daki genetik bilginin haberci-RNA'ya (mRNA) aktarıldığı transkripsiyon (yazılım) ve ardında mRNA’daki kodlamaya göre, ribozom aracılığıyla aminoasitlerin (aa) belirli bir sırayla dizilip zincir oluşturduğu translasyon (çeviri) aşamasıyla ile ilerler. En son zincirin katlanarak proteinleri oluşturduğu aşamaya ulaşır. Artık proteinler canlı yapıda çeşitli işlevleri gerçekleştirebilirler.

Canlılarda, mRNA molekülleri tarafından taşınan koda dayalı protein üretimi evrilirken aynı sırada bu süreçte işlevlenen aminoaçil-tRNA sentetaz (AARS) enzimleri de evrimsel olarak ortaya çıkmış olmalı. Bu enzimler, taşıyıcı-RNA'lara (tRNA'lar) karşılık gelen aminoasitlerin bağlanmasını sağlar. Bu, protein temelli yaşam başladığında bir enzim sınıfı için yeterince büyük bir iş gibi görünüyor. Ancak organizmalar daha karmaşık yapılara doğru evrildikçe AARS'ler daha fazlasını yapmalarına izin veren ek aminoasit bölgeleri edindi. Bu ek bölge işlevlerini inceleyen Scripps Araştırma Enstitüsü biyokimya alanında araştırmacı olan Paul Schimmel, evrimsel süreçte insanlara gelindiğinde sentetaz enzimlerinin bu ek görevlerle donandığını söylüyor.

Canlılar, 20  aminoasitin her biri için en az bir tip AARS molekülüne sahiptir. Bu sentetaz enzimlerinin tümü, tRNA'ları ve aa'ları bağlamakta rol oynayan bir çekirdek motiflere sahiptir ve biri hariç tümü, bir veya daha fazla ilave işlevsel bölge (domain) barındırır. Ayrıca, alternatif kesimlerle farklı mRNA'lar oluşturarak veya proteinleri translasyondan sonra parçalara bölerek, AARS genlerinden 300'den fazla farklı protein varyantı yapılabilir.

Bu varyantlardan bazıları, ikincil işlevler edinmişlerdir. Örneğin bazıları inflamatuar sitokin enzimi olurken diğerleri kan damarlarının oluşumunu düzenler. Glutamik asit ve prolin için AARS'ler iki parçalı bir protein biçimde birleştirilir ve bunların aralasındaki bağ bağışıklık aktivitesini ve yağ metabolizmasını kontrol ediyor gibi görünüyor. Ve belki yaşam süresi uzunluğunu dahi etkiliyor olabilir Çok yönlü etkileri olan enzimler kanser, bağışıklık sistemi hastalıkları ve diğer durumlar için ilaç hedefleri olarak görülmektedir.

Araştırmacı Schimmel, alternatif AARS fonksiyonlarının 1980'lerden beri bakteriler gibi organizmalarda bilindiğini, ancak faaliyet alanlarının geniş olmadığını belirtmektedir. Daha sonra, 1990'lardan başlayarak, Schimmel ve diğer ekip üyeleri, ökaryotlarda yeni damar oluşumunda (anjiyogenez) gibi beklenmedik fonksiyonları ortaya çıkarmaya başladılar. Schimmel, çalıştıkları enzimden farklı proteinlerin ikincil işlevleri ancak edinirken AARS'lerde bulunan yan işlerin miktarının ve çeşitliliğinin dikkat çekici olduğunu söylüyor. Ve bunun bir tesadüf olduğunu düşünmüyor.

Bu özgül protein sentetazlar, protein temelli yaşam başladığından beri evrimsel süreçte varlığını sürdürmektedir. Protein sentezindeki temel rolleri göz önüne alındığında, sürekli olarak üretilirler ve herhangi bir genomdan silinmeleri olası değildir. Bu onları, yeni fonksiyonel aa bölgesi kazanmak için sabit bir yapı haline getirir. Ayrıca, diğer proteinlerle etkileşime hazır spesifik aa bağlama motiflerine sahiptirler. Sentetaz ile eşleşen uygun bir yan zincire sahip olan herhangi bir protein, anahtar-kilit modeli doğrultusunda bağlanabilir.

Sentetaz enzimlerinin işlevleri

Sentetaz enzimleri ilk belirlenen protein sentezindeki işlevinden başka, damar sistemi ve yeni damar oluşumu açısından da önemli işlevlere sahiptir. Damar oluşumu sağlıklı bir organizmada sürekli olması beklenen bir işlemdir. Bu fizyolojik işlemde yeni damarlar, önceden var olan damarlardan oluşmaktadır. Büyüme, gelişme ve yara iyileşmesinde görev aldığı gibi tümör gelişiminde de yer almaktadır. Bu omurgalı damar sisteminin gelişimine katılan Aminoaçil-tRNA sentetaz enzimleri, yeni aa dizileri kazanarak var oldukları yüz milyonlarca yılda birkaç yan işlev daha edinmiş görünüyor.

  • Birden fazla AARS, omurgalı dolaşım sisteminin geliştirilmesinde rol oynamaktadır. Gelişme sırasında, serin enzimi SerRS, damar endotelyal (damar iç zar dokusu) büyüme faktörü A'nın (VEGF-A) üretimini azaltarak aşırı damarlanmayı önler.
  • Glutamik asit ve prolin için birleşik enzim GluProRS, VEGF-A oluşumunu bloke etmek amacıyla, interferon-aktive edilmiş inhibitör (GAIT) kompleksini oluşturacak biçimde diğer proteinlerle bağlantı kurar.
  • Bir kısım triptofan sentetaz TrpRS, ayrıca endotelyal hücreler üzerindeki VE-Kadherin reseptörlerini bağlayarak ve bloke ederek damar oluşumunu azaltmaya katkıda bulunur.
  • Bu arada, tirozin sentetaz TyrRS'nin bir fragmenti, bu endotelyal hücrelerin göçünü uyararak kan damarlarının büyümesini teşvik ediyor görünmektedir.

Damarlanma ve diğer işlev kazanma örnekleri

Wakasugi ve meslektaşlarının keşfettiği TyrRS ve TrpRS işlevleri ilginç olsa da, enzim fragmentlerinin bu işlevleri gerçekte gerçekleştirdiği açık değildi. Yang, kendilerine ve diğer bilim insanlarına AARS'lerin sıradan olmayan işlevleri hakkında emin olmak için hayvanlarda bulunduklarına dair kanıt bulması gerektiğini fark etti.

Takım hala TrpRS veya TyrRS için bunu yapmadı, ancak Wakasugi serin enzim SerRS ile bunu denemeye fırsat buldu. Zebra balığında yapılan genetik taramaların yayımlanması sonucunda SerRS mutasyona uğradığında damar gelişimdeki kusurları tanımlamıştı. Ancak, enzimin tRNA'ları ve amino asitleri bağlama yeteneğini ortadan kaldıran deneysel mutasyonlar, bu tür kusurlara neden olmadı. Dolayısıyla başka türlü bir sorun olmalı.

Ne olduğunu anlamak için Yang, omurgalılarda bulunan, ancak omurgasız SerRS'de bulunmayan UNE-S aa dizisini ele aldı. Yang’ın ekibi hızla UNE-S içinde bir yerleşim sırası belirledi ve bu sinyali değiştiren mutasyonların zebra balığı embriyolarında damar oluşum kusurlarına neden olduğunu buldu. SerRS enziminin vasküler endotelyal büyüme faktörü A'nın (VEGF-A) üretimini en aza indirdiği görülüyor. 2012'de yayımlanan çalışma, canlı bir hayvandaki AARS alanı için temel ve doğal bir rolü gösteren ilk çalışmadır. Kısa bir süre sonra ekip,  SerRS enzimindeki UNE-S dizisinin, normalde genin ekspresyonunu destekleyen bir transkripsiyon faktörü ile müdahale ederek VEGFA'yı engellediğini bildirdi.

Schimmel’in ve Yang’ın grupları, aynı zamanda bu enzimler için daha fazla yan işlev bulsalar bile TrpRS ve TyrRS'nin standart olmayan işlevlerini açıklamaya çalıştılar. Yang, TrpRS yapısı ve mekanizması üzerine çalışmalar yürüttü. Tam uzunluktaki TrpRS enziminin WHEP (triptofan (W), histidin (H), glutamik asit (E), ve prolin (P) için aminoaçil tRNA sentetaz) aa dizi bölgesinden kapatıldığı için damar oluşumunu etkilemediğini keşfetti. Yang’ın ekibi, hücre dışı alanda proteinleri parçalayan enzim proteazlar tarafından kapatılmadığında TrpRS'nin VE-Kadherin adlı bir hücresel reseptöre bağlandığını buldu. Özellikle reseptördeki triptofanlar bağ oluşturmak için TrpRS'nin aktif bölgesine giriyor gibiydi. Bu yüzden Wakasugi, tüm TrpRS'nin değil, sadece belli bir fragmentinin damar oluşumunu engellediğini gördü.

Son zamanlarda Schimmel, oksidatif strese karşı koyduğu düşünülen kırmızı şaraptaki resveratrol gibi bitki bazlı amino asit benzeri bileşiklerle de ilgileniyor. Resveratrol molekülü ve tirozin amino asidi, her ikisinin de fenolik bir halka içermesi bakımından benzerdir. Bu da resveratrol'ün pro-oksidatif ve anti-oksidatif genlerin ifadesini etkileme yeteneği için önemlidir. 2015 yılında stres koşulları altında TyrRS'nin, kültürü yapılmış insan hücrelerinin veya canlı farelerin hücre çekirdeğine geçtiğini ve burada bulunan herhangi bir resveratrolün TyrRS’in aktif bölgesine düzgün bir şekilde uyduğunu bildirdi. Bu molekül, tirozin amino asitlerini uygun tRNA'lara bağlama işlevi taşıyan normal TyrRS enziminin katalitik aktivitesini kapatır. Bunun yerine bir bölgesi kapalı TyrRS, DNA onarımında yer alan bir enzim olan PARP-1'in aktivasyonunu uyarır.

Birkaç yıl sonra ekip, alternatif olarak işlenmiş bir TyrRS versiyonunun farelerde ve kültürlenmiş hücrelerde trombosit proliferasyonunu uyardığını ve potansiyel olarak düşük trombosit sayısı olan kişileri tedavi etmek için kullanılabileceğini buldu.

Yeni işlevler evrimsel süreçte ortaya nasıl çıktı?

Scripps Araştırma Enstitüsü’nde biyokimyacı Paul Schimmel'e göre, yeni işlev edinmeye olanak sağlayan aa dizi bölgelerinin eklenmesi, dolaşım evrimindeki önemli olaylarla paralellik gösteriyor. Yüksek organizasyonlu omurgalılarda bulunan endotelyumdan (iç zar dokusu) yoksun olan ilk kan damar sistemi, muhtemelen yaklaşık 700 milyon ile 600 milyon yıl önce omurgalı ve eklembacaklıların ortak atalarında ortaya çıktı. Aynı dönemde, TyrRS bugün damar oluşumunu desteklediği düşünülen bir glutamik asit-lizin-arginin amino asit motifi elde etti.

Daha sonra, yaklaşık 540 milyon ila 510 milyon yıl önce, bir atasal omurgalı, kapalı bir damar sistem geliştirdi ve kan, endotel zar tarafından kaplanan damarlarda pompalandı. Yarım milyar yıl önce aynı zaman diliminde bir noktada, TrpRS bugün yeni damar oluşumunu engelleme yeteneğini düzenleyen bir WHEP aa dizi bölgesi kazandı. Ek olarak, SerRS bu enzime özgü yeni bir bölge elde etti, bu da şimdi zebra balığı ve muhtemelen diğer omurgalıların gelişmesinde aşırı damarlanmayı önlüyor.

Öte yandan, GluProRS bileşik enziminin anjiyogenezdeki rolü, damar sistemin evrimi ile zaman açısından tam olarak uyumlu görünmemektedir. Bir bağlayıcı protein, dolaşım sistemleri evrilmeden, yaklaşık 800 milyon yıl önce glutamik asit ve prolin enzimleri için AARS'leri birbirine bağlamış olmalı.

700-600 Milyon Yıl Önce

  • Eklembacaklıların ve omurgalıların ortak atalarında basit bir dolaşım sistemi ortaya çıkar. Endotel astarlı kan damarları henüz mevcut değildir.
  • TyrRS bugün anjiyogenezi teşvik eden bir aa dizi bölgesi (domain) elde eder.

540–510 Milyon Yıl Önce

  • Endotelyal hücreler ile çevrili kan damarları içeren kapalı dolaşım sistemi atasal bir omurgalıda ortaya çıkar.
  • TrpRS, karmaşık yapılı hayvanlarda anjiyogenezi engelleyen bir aa dizi bölgesi edinir.
  • SerRS bugün zebra balığı ve muhtemelen diğer omurgalılarda damar gelişimini düzenleyen bir aa dizi bölgesi edindi.

Kaynakça

https://www.the-scientist.com/features/protein-synthesis-enzymes-have-evolved-additional-jobs-67549 Erişim tarihi: 07.06.2020

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.