Glikobiyoloji ye Giriş. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Transkript

1 Glikobiyoloji ye Giriş Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

2 Glikobiyoloji; Şeker Biyolojisi... Glikobiyoloji son 50 yılda ortaya çıkan ve gelişmekte olan önemli bir biyoloji alt dalıdır. Bu konuya başlarken, konunun Dünyada en önemli isimlerinden olan Ajit Varki nin Essential of Glycobiology (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009) kitabı ve ülkemizde bu konudaki ilk çalışmaları başlatmış olan Prof.Dr. Sabire Karaçalı nın 2002 yılında TÜBİTAK-Veterinerlik Bilimleri dergisinde çıkan derlemesi en önemli ders kaynaklarımız arasında yer alır. Bu derse bu kitaptan ve derlemeden yapılan özetle başlıyoruz. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

3 Giriş Canlıların, makomoleküllerden oluştuğu ve bu makromoküllerin neler olduğu uzun yıllardır bilinmektedir. Bumakromoleküllerden; nükleik asitlerin ve proteinlerin yapıları, biyosentezleri, görevleriyle ilgili olarak bakterilerden insana kadar bütün canlılarda ortak olan mekanizmalar tanımlanmıştır. Bir diğer makromoleküller olan lipitler ve karbohidratların gerçek görevleri, moleküler olaylardaki can alıcı rolleri ise yeni anlaşılmaya başlanmıştır. Dersimizin konusunu oluşturan, karbohidratların görevleri arasında; 1-Biyolojik çeşitlilikten sorumlu olmaları, 2-Önemli miktarda bilgi depolamaları ve bu bilgi geçişini sağlamaları, 3-Özel tanıma olaylarını kontrol ve idare etmeleri 4-Biyolojik olayları değiştirecek etkileri olduğunun belirlenmesi yeni gelişmelerdir.

4 Glikobiyoloji nedir? Karbonhidratların biyolojik rollerinin uzun süre hakkıyla farkedilememesi diğer makro-moleküllere ilgiyi arttırmıştır. Ancak ondokuzuncu yüzyılın ortalarından itibaren, Karbonhidrat Kimyası, Karbonhidrat Biyokimyası ve Karbonhidrat Biyolojisi yani Glikobiyoloji çok belirgin bir ilgi odağı haline gelmiştir lı yıllar Karbonhidrat Biyolojisi çalışmaları için dönüm noktası olmuştur. Şekerlerin diğer moleküllere bağlı yapısal kısımları olduğu gösterilmiştir. Böylece şekerlerin rol aldığı hibrit moleküller glikokonjugatlar olarak isimlendirilmiştir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

5 Bu glikokonjugatları oluşturan yapılar; glikoproteinler, proteoglikanlar ve glikolipitlerdir. Bunlar oligosakkarid yan zincirlerinde polipeptit ve lipitlere kovalent olarak bağlanırlar. Glikozilfosfatidil içeren glikokonjugatlar, ya da diğer adıyla zar çıpaları ise hücre zarının yapısında, bir ucuna proteini, diğer serbest ucuna zar lipitlerini bağlayarak bir köprü gibi görev yaparlar. Glikobiyoloji, şeker zincirlerinin yapılarını, biyosentezlerini ve biyolojik görevlerini çalışan yeni biyolojik araştırma alanının adıdır. Bu, karbonhidrat kimyası ile glikan sentezi veya parçalanmasından sorumlu proteinlerin enzimolojisinden, şekerlerin görevlerine ve çeşitliliğine kadar geniş bir alanı kapsar. Bu çalışmalar sırasında organik kimya, moleküler hücre biyolojisi ve fizyolojisi, moleküler genetik gibi farklı disiplinlerden destek alır.

6 Yeniden Düzenlenen Bilgi Akışı Şeması *Moleküler biyolojide bilginin taşınımının yönünü uzun zamandır ; DNA RNA Protein Hücre Olarak kabul edilirdi. Yeni bilgiler ışığında bu bilgi akışı yeniden düzenlenmiş ve şekerlerinde yer aldığı bir şekle dönüştürülmüştür.

7 Glikobiyolojinin Tarihçesi Musinlerin belirlenmesi (SANSSURE) Musinler, Protein + Şeker özelliklerini taşır (EICHWALD) Asimetrik C-atomu teorisi (de Van t HOFF ve LE BEL) 1885, Şekerler, musin glikoproteinlerinin yapısal kısımlarıdır (HAMMARSTEN) İlk kondroitin sulfat izolasyonu (MORNER) Piranoz şekerler 6 üyelidir (HAWORTH ve HIRST) DNA yapısında deoksiriboz belirlendi (LEVENE) Sialik asit elde edildi (BLIX) 1935,1939- Nöraminik asit elde edildi (KLENK) Şekerler diğer proteinlerde de var (NEUBERGER)

8 Glikobiyolojinin Tarihçesi Influenza virüsü eritrosit aglutinasyonuna neden olur (HIRST) RDE= Reseptör Bozan Enzim bulundu (BURNET) RDE= Nöraminidaz (GOTSCHALK) RDE in kopardığı ürünle sialik asit arasında yapısal benzerlik var (ODIN) N-asetilnöraminik asit izolasyonu başarıldı (KLENK ve FAILLARD) Lektinler tanımlandı (BOUD ve SHAPLEIGH) RDE nin kopardığı ürün N-asetilnöraminik asittir (KLENK VE FAILLARD) RDE= Nöraminidaz= Sialidaz Proteinler Karbohidratlar arasında kovalent bağlar (MUIR) N-Asetilnöraminik asidin yapısı açıklandı (KUHN ve BROSSMER) Lewisa (Lea) ve Lewisb (Leb) belirleyicileri karbohidratlardır. (KABAT ve MORGAN)

9 Glikobiyolojinin Tarihçesi Serum glikoproteinlerinin ömrünü sialik asitler belirler (ASHWELL ve MORELL) den beri Sialik asitlerin (SCHAUER) - Yapısal özelliklerinde -Kimyasal analizlerinde - metabolik yollarında - Biyolojik görevlerinde - ilişkili Enzimlerin izolasyonu - Yapı analizi - Gen klonlanmasında önemli bildirimler yapılmaktadır Protein glikosilasyonu ve kanser arasındaki ilişķi belirlendi (ROBBINS ve grubu) Şeker nükleotidleri keşfedildi (LELOIR).

10 Glikobiyolojinin Tarihçesi WARREN-GLİCK Fenomeni, bu basitçe kanser durumunda hücre yüzeyinde dallanmış oligosakkaritlerin sayısının çokluğunu ve oligosakkarit zincirlerinin dallanmasından sorumlu özel bir glikoziltransferaz enziminin (N- asetilglukozaminiltransferaz V) hiperaktivitesini ifade eder N-bağlı glikoproteinler belirlendi (ASHWELL ve MORELL). 1977,78- N-asetilgalaktozaminiltransferaz Glikosiltransferaz izolasyonu (SCHWAEZER ve HILL, HILL) Glikosiltransferaz uygulaması (NUNEZ ve BARKER) β1,4-galaktosiltransferaz cdna klonlanması yapıldı (SHAPER, QASBA, FUKUDA). -Glikosiltransferaz gen klonlanması çalışmaları devam etmektedir Glikozilasyon Mekanizması ve Glikoziltransferazlar (HARDUIN- LEPERS).

11 Glikobiyolojinin Tarihçesi 1990 Glikozilasyon Mekanizması ve Glikoziltransferazlar (HARDUIN-LEPERS). -Enzimlerin belirlenmesi - Klonlama - Gen yapısı - Kopya çıkışının kontrolü - Çevirinin kontrolü, Yapı-işlev analizleri yapılmaktadır Glikobiyoloji, Glikoform ve Glikotip deyimleri tanımlandı (RADEMACHER, PAREKH ve DWEK).

12 Şekerlerin Görevi ve Mikroçeşitliliğin Önemi Doğada ve canlılarda görülen biyolojik farklılık, çeşitlilik ve şekerlerin rol aldığı özel biyolojik görevler, onların özgün monomerik yapıları ile bağlantılıdır. Monomerik birimlerin; 1-Sıralanma özellikleri; yani monomer sayıları, dizileri, α- veya β- bağları yani bağlanma pozisyonları ve dallanma özellikleriyle belirlenir. 2-Modifikasyonları; yani yapılarında bulunan hidroksil gruplarının fosforilasyonu, sülfasyonu, metilasyonu, O- asetilasyonu ve yağ asitlerine, amino gruplarına bağlanması, -asetillenmesi ve N-sulfatlanmasıyla ve karboksil gruplarının laktonize olmasıyla ortaya çıkar. 3-Glikozilasyon hızları ve bunun sebep olduğu çeşitlilik; yani glikozilasyon hızı, Golgi sahasında meydana gelen reaksiyonların hızıyla ilgilidir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

13 Glikoform Glikoproteinlerin gösterdiği mikroçeşitliliği açıklamak için glikoform ve glikotip terimleri kullanılmıştır. Glikoformlar, aynı dokudan elde edilmiş, aynı glikoproteine ait farklı oligosakkarit yan zincirlerini taşıyan farklı moleküllerdir. Her bir glikoform farklı fiziksel veya biyokimyasal özelliklere sahip oldukları için görevsel olarak da farklıdırlar. Böylece glikozilasyon profili değiştirilerek, hücrelerde ilişkili genin ifadesini değiştirerek glikoproteinin görevini kontrol edebilmektedirler.

14 Glikotip Glikotip terimi ise özel bir hücre tipinin bir tek glikozilasyon kapasitesini işaret eder. Bu, aynı organizmada farklı dokular arasında ve/veya erkek-dişi arasında ve türler arasında glikozilasyondaki değişikliğini yansıtır. En iyi bilinen örnek; glikoprotein γ-glutamyltranspeptidase (γ-gt) ın şeker zincirlerinde, karaciğerden mi yoksa böbrekten mi elde edildiğine bağlı olarak görülen farklılıktır. Böbrek örneklerinde Ɣ- glutamyltranspeptidaz yapısında- iki dallı oligosakkaritler bulunurken, karaciğer dokusu örneklerinde dallanmamış oligosakkaritler bulunur. Böylece farklı hücreler aynı proteinin glikozilasyonu için farklı yeteneklere sahip olmaktadırlar

15 Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler Glikobiyoloji alanında çalışmalar; 1-Moleküler yapı belirlenmesi 2-Glikozilasyon mekanizmasının kontrolü 3-Miktar ve Fenotipik belirlemeler 4-Gen klonlanması konularına odaklanmıştır. Glikokonjugatların moleküler yapıları çok hassastır. Bu nedenle ancak çeşitli kromatografik ve spektroskopik yöntemlerle belirlenebilirler.

16 Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler (Devam) Bu durum çok pahalı ve özel aletler gerektirir. Benzer şekilde glikokonjugatların saflaştırılması aşamasında çeşitli örnek kayıpları olur. Zaman zaman iz miktarda bulundukları göz önüne alındığında, bu durum çalışırken karşılaşılan en temel sorundur.

17 Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler (Devam) Glikozilasyon mekanizmasını çalışmak için; enzimler (endoglikozidazlar ve ekzoglikozidazlar), lektinler, kimyasal modifikasyonlar veya kesmeler, metabolik radyoaktif işaretlemeler, glikozilasyon engelleyicileri, antikorlar, glikoziltransferazların moleküler klonlanması ve yaşayan hücrelerde glikozilasyon enzimleri yoluyla genetik değiştirmeler gibi yöntemler kullanılır. Son yıllarda, kimyasal ve enzimatik yöntemler kullanarak şekerlerin yönlendirilmiş invitro sentezi, glikozilasyon mekanizmasını açıklamak için önemli katkılar sağlamıştır. Ek olarak, kültürü yapılan hücrelerde, mutant hücrelerle ve hücre matriks ilişkilerinde tanıma olayları çalışılmaktadır.

18 Glikobiyoloji, modern biyoteknolojide de gittikçe artan öneme sahiptir. Çünkü biyolojik aktif, doğal moleküllerin çoğu glikokonjugatlardır. Biyolojik olarak aktif moleküllerin ilişkilerini hassas bir seçicilikle kurmaları için, şeker ligantlarının reseptörlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu nedenle Glikobiyoloji ve Karbonhidrat Kimyasının, Modern Biyoteknoloji de ki önemi gittikçe artmaktadır. Tıpta tedavi edici düzenlemelerin (patojenlere ve toksinlere karşı engelleyicilerin, kanser, iltihaplanma ve doku nakli uygulamalarında immün sistemi baskılayan ilaçların) yapılmasında önemlidir.

19 Yine tıpta tedavi edici düzenlemeler içinde yer alan organizmada hedef hücrelere veya dokulara hassas bir seçicilikle bağlanan ilaçların geliştirilmesinde, vazgeçilmez bir önemi vardır. Bugün Glikobiyoloji, moleküler düzeydeki bilimsel araştırmaların en yeni, en iyi belirlenmiş ve hızla gelişmekte olan bilim dallarından biridir. Glikopatoloji, Glikoimmünoloji ve Glikoteknoloji gibi alt bölümleri, bilimdalı olarak gelişmekte ve bu alt bilimlerinin sayısı hızla artmaktadır. Birbiriyle ilişkili bu alanlar GLİKOBİLİMLER (GLYCOSCIENCES) adı altında toplanmaktadır.

20 Kullanılan Kaynaklar Ajit Varki et al. Essential of Glycobiology Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009) Karaçalı S., Glikobiyoloji, Modern Moleküler Biyoloji, TUBITAK,Turk J. Vet. Anim. Sci.;27, , Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER