Özgün İçerikBiyoloji

Tardigratların Özgül Gen ve Protein Yapıları

Yazan: Arş. Gör. Duygu Berdi, Sena Parlamış, Kaan Demirtaş

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Özet: Tardigratlara özgü olan Dsup proteini DNA’yı sararak radyasyon hasarına karşı koruma sağlar. Başka canlı türlerinde homoloğuna rastlanmamış Dsup bitkilerde gen streslerine karşı kullanılabilir. Anhidrobiyoz denilen kuruma durumu, ortamda su yokluğunda meydana gelen bir abiyotik strestir. Tardigratlar da dâhil olmak üzere bazı omurgasız hayvan gruplarında bu strese karşı özelleşmiş yapılar mevcuttur. Koruma mekanizmalarında genellikle genler ve onların kodladığı proteinler görev almaktadır. Tardigratlara özgü üç protein ailesi olan SAHS, MAHS ve CAHS da kuruma durumuna karşı koruma mekanizmalarında etkilidir. Bu üç protein ailesi toplu olarak TDP’ler şeklinde anılmaktadır. Bu proteinler moleküler çalışmalarla incelenip hücre içinde çekirdek, mitokondri veya sitoplazma gibi farklı yapı ve organellerde dağılımları ve hücre bileşenlerini kuruma durumundan korudukları tespit edilmiştir.

Bilgilendirme: Bu yazıyı okumadan önce sitemizde bulunan “Tardigratlara Genel Bir Bakış” yazısının okunması tavsiye edilmektedir.

Özgül Gen Nedir?

Bir önceki yazımızda tardigratların pek çok sıra dışı özelliğini sizlere özetlemeye çalıştık. Bu yazımızda da minik sucul herküllerimizin böylesine dayanıklı olmasının sebeplerini moleküler boyutlara inerek anlatacağız. Kalıtımın temel birimi olan gen, kromozomlarda işlevsel ürünler şifreleyen (mRNA veya protein) bölgelerdir. Özgül genler ise sadece bir canlı grubunda bulunan ve ona özgü proteinleri şifreleyen genlerdir. Proteinler, organizmanın genomunda depolanan genetik bilgi yani DNA kullanılarak üretilir. Santral dogma olarak da ifade edilen protein sentezinde, DNA’daki bilgi RNA’ya ardından da proteine çevrilir. Bu yazıdaki amacımız, siz değerli okurlara tardigratlara özgü bu proteinlerin onlara ne gibi özellikler kazandırdığını açıklamaktır. [1]

Hasar Baskılayıcı Protein (Dsup)

Tardigratların biyomoleküllerini (polisakkaritler, nükleik asitler) belirli gerilimlere karşı koruyan özgül proteinler vardır. Bunlar arasında ilk sırada yoğunlaşacağımız Türkçeye hasar baskılayıcı protein olarak çevrilen ve 4.000 Gray (Gy)1 radyasyona dahi dayanıklılık sağlayan Dsup’tur (hasar baskılayıcı protein, damage supressor protein) [2]. Bu dayanıklılığın ne denli büyük olduğunu daha iyi anlatabilmek adına ortalama öldürücü doz ya da LD501 (lethal dose 50) kavramına örnek vererek başlayalım. LD50, fareler için 8 ile 9; insanlar içinse 2,5 ile 4,5 Gy radyasyon miktarına denk gelmektedir. Yaklaşık 50 Gy radyasyona maruz kalan bir insan 5 gün içinde hayatını kaybedecektir [3]. Dsup, aynı bir histon proteini2 gibi DNA’yı sarar. Dsup ve DNA arasındaki bu ilişki, proteininin pozitif yüklü ucu ile DNA’nın negatif yüklü ucu arasındaki elektrostatik çekim sayesinde gerçekleşir. Dsup, DNA ve nükleozomları3 birbirlerine bağlayarak kromatini hidroksil radikalleri tarafından parçalanmaktan korur. Ayrıca insan hücrelerinden oluşan bir kültür ortamına bu proteini kodlayan genler eklendiğinde Dsup’un radyasyon ve reaktif oksijen türlerinden (ROS) kaynaklanabilecek DNA kırılmalarını baskıladığı ve yarı öldürücü miktardaki x ışını radyasyonuna karşı hücrelerin hayatta kalma oranlarını arttırdığı görülmüştür. Dsup eklenen insan hücre kültürlerinin 4 Gy x ışınına maruz kaldıktan sonra DNA kırılma belirteci olan γ-H2AX’in düşük oranlarda seyrettiği gözlenmiştir. Bunun sonucunda hücre morfolojisinde herhangi bir değişim gözlenmemiş ve hücre sayısı zamanla artmaya devam etmiştir. Sonuç olarak bu hücrelerin proliferatif4 yeteneğini koruduğunu düşündürmüştür.

Tardigratların Özgül Gen ve Protein Yapıları
Şekil 1. Dsup proteini tarafından radyasyon hasarından DNA’nın korunmasının şematik bir modeli. Radyasyon, DNA replikasyonuna ve gen ifadesine müdahale edebilecek DNA kırılmalarına neden olur. Dsup, radyasyonun dolaylı etkileri yoluyla üretilen reaktif oksijen türlerinden (ROS) fiziksel koruma veya bunların detoksifikasyonu yoluyla, nükleer DNA (nDNA) ile ilişkiye bağlı olarak x ışını kaynaklı DNA hasarını bastırır. Böylece Dsup proteini, kültürü yapılmış hayvan hücrelerinin radyotoleransını yani radyasyona karşı dayanma gücünü geliştirebilir [4].

X ışınına maruz kalma stresine ek olarak Dsup kodlayabilen hücreler, kodlayamayan hücrelere kıyasla bir tür ROS olan hidrojen peroksite (H2O2) maruz kaldıklarında DNA parçalanmalarında önemli bir azalma olduğu da gözlenmiştir. Belirleyici bir amino asit dizisine sahip olan Dsup’un homoloğuna5 rastlanmamıştır. Bu nedenle potansiyel Dsup homologları araştırılmış ve tatlı sularda yaşayan bir tardigrat türü olan Hypsibius dujardini’de Dsup ile eser miktarda benzerlik gösteren bir protein belirlenmiştir. Ancak bu proteinin işlevi ile ilgili bilgiler henüz netleşmiş değildir. Bu proteinin amino asit dizisi Dsup’unkinden kısadır ve (sırasıyla 328 ve 445 aminoasit) iki protein arasında %26,4 özdeşlik ve %35,5 benzerlik vardır. İki proteinin birincil yapısı arasındaki benzerlikler az da olsa hidrofobik olmaları ve protein boyunca yük dağılımı açısından benzer profiller içerir [4]. Bu veriler doğrultusunda söz konusu protein Dsup’un ortoloğu6 olarak değerlendirilmektedir. Ramazzottius varieornatus ve Hypsibius dujardini türleri aynı familyaya (Hypsibiidae) aittir ancak iki proteinin aminoasit dizisi belirtilen türler arasında oldukça farklılaşmıştır. Bu da Dsup’un birincil yapısının evrimsel süreçte zayıf bir seçilim baskısı olduğunu göstermektedir. İki proteinin amino asit dizileri arasındaki benzerlik düşük de olsa bazı kısa motifler7 korunmuştur. Bunlardan bazıları 90 ile 100. amino asit arasındaki KEKSKSPAKEV ve 275 ile 289. amino asit arasındaki AKGRGXRGRXPAAXK8 motiflerdir. Mutasyon analizleri bu korunmuş motiflerin önemini daha da iyi bir şekilde ortaya çıkaracaktır. [4]

Tardigratların Özgül Gen ve Protein Yapıları
Şekil 2. İki proteinin amino asit dizisinin karşılaştırması ve benzer dizi bölgeleri. [4]

Ayrıca Dsup bitkilerin genomutajenik9 streslere karşı dayanıklılığın artmasını sağlamak için kullanılabilir [2] [5]. Örneğin tütün bitkisine (Nicotiana tabacum) Dsup kodlayan genin aktarılmasının ardından bitkinin morötesi ve x ışını radyasyonuna karşı daha dayanıklı hâle geldiği görülmüştür [3].

Tardigratların Özgül Gen ve Protein Yapıları
Şekil 3. Yetişkin tardigratlara iki crRNA10 içeren Cas9 RNP’ler enjekte edildi ve bunların tardigrat hücrelerine eklenmesini kolaylaştırmak için elektroporasyona 11tabi tutuldu. 1 ile 3 gün sonra canlılığını koruyan örneklerden genomik DNA çıkarıldı ve araya giren bölgenin çıkarılmasını incelemek için PZR (polimeraz zincir reaksiyonu) yapıldı. [2]

3 Yeni Protein Ailesi

Susuz yaşam anlamına da gelen anhidrobiyoz, ortamda suyun bulunmadığı durumlarda organizmanın metabolizmasını geri dönüşümlü olarak neredeyse sıfıra kadar düşürmesi ve bu şekilde hayatta kalmasını sağlayan bir durumdur [6]. Hayvanlar aleminde bu yetenek Arthropoda (eklembacaklılar), Nematoda (nematotlar), Rotifera (rotiferler) ve Tardigrada (tardigratlar) olmak üzere 4 şubede gözlemlenmiştir. Son zamanlarda tardigratlarda, başka organizmalarda bulunmayan üç yeni protein ailesi keşfedilmiştir. Bu üç protein ailesi (SAHS, CAHS ve MAHS) toplu olarak TDP’ler yani tardigrat düzensiz proteinler olarak adlandırılmıştır. Proteinlerin görevleri 3 boyutlu yapıları tarafından belirlenir ancak TDP’ler, tipik proteinlerin aksine çözelti içerisinde durağan bir yapı göstermez yani çok farklı biçimlerde bulunabilir. TDP’ler tardigratlara özgü proteinlerdir ve başka hiçbir canlı grubunda homoloğuna12 rastlanmamıştır. Düzensiz proteinlerin çeşitli organizmalarda donma, ozmotik stres, yüksek sıcaklık, kuruma gibi farklı abiyotik streslere karşı tolerans sağlamada etkili olduğu bilinmektedir. Tardigratlar, bu ve benzeri zorlu çevre koşullarına karşı oldukça dayanıklıdır. Özellikle bitkilerde ve bazı omurgasız hayvan gruplarında trehaloz molekülü bulunur. Bu molekül çevredeki suyun azalması veya hiç kalmaması durumlarında canlıyı oluşan bu su stresine karşı korumada etkilidir. Kuruma esnasında bu molekül organizmada, vücut kütlesinin yaklaşık %15 ile %25’i arasında bir miktarda bulunmaktadır. Birçok tardigrat türünde kuruma sırasında trehaloz molekülünün birikimi ise %1’den azdır. Bu da tardigratların bu kuruma durumuna karşı dayanıklılık sağlayan başka moleküllerin rol oynadığını düşündürmüştür. Bu durumda rol oynadığı tahmin edilen ikinci bir molekül ise geç embriyogenezde13 bol miktarda bulunan proteinlerdir (late embryogenesis abundant, LEA). LEA proteinleri yüksek sıcaklığa maruz kaldıktan sonra bile diğer proteinlerin aksine çözünürlüklerini kaybetmez ve susuz durumlarda adeta bir moleküler kalkan görevi görür. Bu sayede LEA benzeri transkriptlerin ve proteinlerin varlığı tardigratlarda yapılan EST (ekspressed sequances tag) analizleri ve proteomik14 çalışmalar sonucu tespit edilmiştir. Henüz biyokimyasal özellikleri tam olarak açığa kavuşturulamadığından bu proteinlerin kuruma toleransı ile ilişkisi belirsizdir. Tardigratların kurumaya karşı gösterdikleri bu yeteneğin moleküler temellerini aydınlatma için kurumaya karşı son derece toleranslı olduğu bilinen Ramazzottius varieornatus türü ile yapılan çalışmalar sonucunda farklı hücre altı dağılımlara sahip iki yeni protein ailesini oluşturan 5 farklı protein tanımlanırken LEA proteinleri saptanmamıştır. Bu iki proteinin ailesi de yukarıda belirttiğimiz şubeler arasında Tardigrada hariç hiçbir şubede bulunmamaktadır. Bu proteinlerin ailelerinden biri olan CAHS proteinleri, LEA proteinleri gibi amfifilik15 α-sarmallar oluşturur. Bu sarmallar LEA proteinlerininkine kıyasla fazladan negatif yüklü bir bölgeye sahiptir. Bu da moleküller arası bağları daraltarak oluşabilecek hidrofobik veya elektrostatik etkileşimleri engeller. Sonuç olarak da bu özelliği onu daha kararlı bir protein yapar. Bu da tardigratlarda yeni tanımlanan SAHS ve CAHS proteinlerinin LEA proteinlerine benzer şekilde kuruma toleransına karşı etkili olabildiğini düşündürmüştür. Hücre altı dağılımı göz önüne alındığında, CAHS protein ailesi kuruma esnasında çekirdek ve sitoplazmanın korunmasına katkıda bulunurken SAHS proteinleri ise hücre dışı bileşenlerini korumada etkilidir. Ayrıca SAHS proteinlerinin hücre zarındaki birikimi düşük seviyelerde tespit edildiğinden zar korumasına ancak dolaylı olarak etki edebildiği düşünülmektedir. MAHS proteinleri ise mitokondride lokalize olup kuruma esnasında mitokondriyi korumada görevlidir. Bu proteinler mitokondrinin zararlı ROS üretme yeteneğini azaltarak mitokondriyi kuruma durumuna karşı hazırlar. Bunu mitokondrideki kristaları16 yeniden düzenleyip sayısını en aza indirerek başarır. Ortamda yeniden su bulunduğu durumlarda mitokondri yapısal olarak değişmemiş olarak görüldüğünden MAHS proteinleri zarın yalnızca yapısal olarak değiştirilmesinde değil aynı zamanda zarın bütünlüğünün korunmasında da rol oynamaktadır. [7] [8] [9] [10] Kısacası, tardigratları bu denli dayanıklı kılan genler ve kodladıkları proteinlerden bahsetmiş olduk. Kriptobiyoz ile ilgili olan bir sonraki yazımızda görüşene dek sağlıcakla kalın.

Tardigratların Özgül Gen ve Protein Yapıları
Şekil 4. Bir orta bağırsak epitel hücresinde tardigratların anhidrobiyozda hayatta kalmasını sağlayan hücresel ve moleküler mekanizmaların şematik gösterimi [11].

1 Solunum yolu dışında diğer bütün yollar ile organizmaya girip etki gösteren katı veya sıvı haldeki kimyasal maddelerin akut toksisite ölçüsüdür.

2 Normalde hücre çekirdeğine sığamayacak kadar büyük olan DNA’nın etrafını sararak çekirdeğe sığmasını sağlayan bazik yapılı proteinlerdir.

3 Kromatin üzerinde bulunan DNA ipliğinin histonlar üzerine sarılmasıyla oluşan nükleoprotein (nükleik asit + protein) yapısıdır.

4 Hücre döngüsünün tamamlanarak hücrelerin çoğalmasıdır.

5 Kısaca kökendeş yani aynı kökenden gelen anlamındadır ancak bu metinde proteinler ile ilgili kullanıldığından anlamı faklı türlerde birbirine benzer amino asit dizisine ve işlevlere sahip olan anlamında belirtmek daha doğrudur.

6 Ortolog proteinler, farklı organizmalarda aynı özgüllüğe sahip proteinlerdir.

7 Bir proteinin veya DNA’nın farklı işlevleriyle ilişkili kısa korunmuş bir dizileridir.

8 Amino asitlerin harf karşılıkları. A: Alanin, E: Glutamik asit, G: Glisin, K: Lizin, P: Pirolin, R: Arjinin, S: Serin, V: Valin; X: Herhangi bir amino asit.

9 Geni mutasyona uğratan unsurlar.

10 Cas proteinleri ile birleşerek DNA’nın tamamlayıcı ipliğine baz eşleşmesi yoluyla invazif nükleik asittleki hedef diziyi tanıyıp diziye özgü bölünmeyi bastıran ve böylece yabancı genetik elementlerin çoğalmasını önleyen bir efektör birliktelik oluşturmak üzere birleşen bir RNA çeşididir.

11 Hücrelere veya dokulara kısa bir süreliğine ve kuvvetli bir şekilde elektrik akımı uygulayarak hücre zarında nanometre boyutunda geçici porlar (açıklıklar) oluşturulmasıdır.

12 Ortak bir evrimsel kökene sahip olma durumudur. Proteinler için de iki türün ortak atasından miras kalan ve benzer nükleotit dizilerine sahip genler tarafından kodlanan ve görevleri bakımından birbirine benzer olmaları durumu.

13 Döllenme ile canlının doğumu ya da yumurtadan çıkması arasında kalan süreç.

14 Organizmalardaki proteinlerin yapı ve işlevlerini çalışan biyolojinin bir araştırma alanıdır.

15 Hem hidrofilik (suya bağlanabilme) ve hidrofobik (sudan kaçınma) özellikler taşıyan bir kimyasal bileşiği ifade eder.

16 Mitokondrinin kıvrımlı iç zarı.

Kaynak
[1] Clark, D. P., Pazdernik, N. J., & McGehee, M. R. (Ed). (2019). Molecular biology. 978-0-12-813288-3[2] Kumagai, H., Kondo, K., & Kunieda, T. (2022). Application of CRISPR/Cas9 system and the preferred no-indel end-joining repair in tardigrades. Biochemical and Biophysical Research Communications, 623, 196-201. [3] Kasianchuk, N., Rzymski, P., & Kaczmarek, Ł. (2023). The biomedical potential of tardigrade proteins: A review. Biomedicine & Pharmacotherapy, 158, 114063. [4] Hashimoto, T., & Kunieda, T. (2017). DNA protection protein, a novel mechanism of radiation tolerance: lessons from tardigrades. Life, 7(2), 26. [5] Mínguez-Toral, M., Cuevas-Zuviría, B., Garrido-Arandia, M., & Pacios, L. F. (2020). A computational structural study on the DNA-protecting role of the tardigrade-unique Dsup protein. Scientific Reports, 10(1), 13424. [6] Wharton, D. A. (2015). Anhydrobiosis. Current Biology, 25(23), R1114-R1116. [7] Hashimoto T., Horikawa D. D., Saito Y., Kuwahara H., Kazuka-Hata H., Shin-I T., Minakuchi Y., Ohishi K., Motoyama A., Aizu T., Enomoto A., Kondo K., Tanaka S., Hara Y., Koshikawa S., Sagara H., Miura T., Yokobori S., Miyagawa K., … Kunieda T. (2016). Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein. Nature communications, 7(1), 12808.[8] Yamaguchi, A., Tanaka, S., Yamaguchi, S., Kuwahara, H., Takamura, C., Imajoh-Ohmi, S., Horikawa D. D., Toyoda A., Katayama T., Arakawa T., Fujiyama A., Kubo T., Kunieda T. (2012). Two novel heat-soluble protein families abundantly expressed in an anhydrobiotic tardigrade. [9] Hesgrove, C., & Boothby, T. C. (2020). The biology of tardigrade disordered proteins in extreme stress tolerance. Cell Communication and Signaling, 18, 1-15. [10] Møbjerg, N., Halberg, K. A., Jørgensen, A., Persson, D., Bjørn, M., Ramløv, H., & Kristensen, R. M. (2011). Survival in extreme environments–on the current knowledge of adaptations in tardigrades. Acta Physiologica, 202(3), 409-420. [11] Møbjerg, N., & Neves, R. C. (2021). New insights into survival strategies of tardigrades. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 254, 110890.

Gelecek Bilimde

Gelecek Bilimde, toplum ile bilim arasındaki köprü olmayı amaçlayan popüler bilim değil, bilim iletişimi platformudur.
Başa dön tuşu