Tek molekül görüntüleme: Aynı mRNA’dan çıkan alternatif protein ürünleri

İnsan genomunu oluşturan DNA molekülü A,T,G,C harfleri (Adenin, Timin, Guanin, Sitozin) ile simgelenen 3 milyar çift bazdan oluşmakta. İnsan genomunda 20.000-25.000 arası protein kodlayan gen olduğu bilinmekte. Laboratuvarda model olarak sık kullanılan E. coli bakterisinin DNA’sı 4.6 milyon çift bazdan oluşmakta ve protein kodlayan 4377 gen bulunmakta. Bakterilerden, maya, küf, fare, amfibiler, bitkiler, insan gibi organizasyonel olarak daha karmaşık canlılara doğru gittiğimizde ise hem DNA büyüklüğünün, hem de gen sayısının arttığını gözleriz. Ancak bu artış yine de bu canlılarda gördüğümüz çeşitliliği tek başına açıklayamamaktadır. Bu canlılarda protein sentezi sonrasında protein üzerine çeşitli kimyasal grupların eklenmesi ile (post-translasyonel modifikasyonlar)  protein çeşitliliği arttırılmakta ve işlev aralığı da genişletilmektedir. RNA seviyesindeki değişim ve kontrollerle de hücre içindeki protein seviyeleri ayarlanmaktadır. Hem gen kontrol mekanizmalarının, hem de epigenetik mekanizmaların devreye girmesi ile gen ürünlerinin hücrenin yaşam döngüsünde ne zaman, nerede ve hangi koşullarda üretileceği belirlenmektedir. Çevresel etmenlerin hücre tarafından yorumlanmasının bu kararlarda büyük bir etkisi vardır. Hücre yapısı dinamiktir. Hücre içinde birbiri ile iletişim halinde olan proteinlerden, farklı ikincil mesajcılardan ve metabolitlerden oluşan dev bir haberleşme ağı bulunmaktadır.  İnsan Protein Atlası Projesi (the Human Protein Atlas)  insan proteomundaki protein sayılarını ve bunların hücrelerdeki lokalizasyonunu ve miktarlarını belirlemek üzere yola çıktı. Bu hem karmaşıklığımızı ortaya çıkaran mekanizmaların anlaşılmasında, hem de çok çeşitli hastalıklara karşı mücadelemizde önemli bir adım.  

Gende yer alan her üç harf bir kodon adını alır ve bu kodonlar önce mRNA’daki antikodonlara transkripsiyon mekanizması aracılığı ile çevrilir ve bu şekilde mRNA sentezi olur. Özetle, transkripsiyon mekanizmasında yer alan proteinler başlangıç kodonunu (istisnaları olsa da evrensel olarak ATG’dir) bulur ve mRNA’yı buradan başlayarak bitiş kodonlarını  görünceye kadar sentezler. Bu şekilde protein ürününe çevirilecek gen bölgesinin sınırları hücre içinde önceden harf kodlarıyla belirlenmiştir.  Her antikodon ise bir aminoasiti kodlar ve bu aminoasitlerin uç uca peptid bağları ile birleştirilmesi ve 3 boyutlu katlanmaları ile proteinler oluşur. Aşağıdaki örnek, DNA’dan proteine bilgi akışını göstermektedir. Eğer bir hata olur da proteinler yanlış yerden antikodonları okumaya başlarsa, bambaşka bir protein ürünü oluşur. Buna frameshift mutasyonları (Türkçeye çerçeve kayması olarak çevrilmiş) denilmektedir. Örneğin proteinler aşağıdaki gibi ikinci bazdan itibaren okursa bambaşka bir protein ürünü ortaya çıkar. Bunun yanında mRNA üzerinde ilk başlama antikodununun ribozomlar tarafından okunduğu ve protein sentezinin buradan başladığı bilinmektedir. Ancak mRNA’da birden fazla başlama antikodonu olabilmekte,  böylece alternatif başlama antikodonları da bulunabilmektedir. Şimdiye kadar bunların fazlaca kullanılmadığı düşünülmekte idi.

 Bu hafta (6 Haziran’da) Cell dergisinde yayınlanan yeni bir araştırma , alternatif okumaların ve çerçeve kayması ile sonuçlanan okumaların hücrede tahmin edilenden daha fazla olduğunu ortaya çıkardı. Araştırmacılar ay ve güneş etiketlemesi (MoonTag, SunTag) adını vererek geliştirdikleri yeni bir yöntemle, hücre içinde aynı mRNA’nın farklı bölgelerinden sentezlenen proteinleri (normal ve çerçevesi kaymış) farklı etiketlerle ayırdılar. Bu farklı florosan ışıma yapan etiketleri kullanan araştırmacılar, proteinleri mikroskop altında gerçek zamanlı olarak görüntülemeyi başardılar. Gerçek zamanlı görüntüleme, bir proteinin hücre içinde nerede, ne zaman, ne kadar üretildiğini göstermesi bakımından önemli bir araç. Araştırmacılar  son teknoloji çok renkli, tek molekül görüntüleme yöntemi kullandıkları için, tek bir proteini (hem normal hem de alternatif formunu) hücre içinde görüntülediler ve sentezleri sırasında takibini yaptılar. Alternatif formlar aynı çerçevede olursa, aynı proteinin daha kısa ya da daha uzun formları oluşabilir. Bu durum protein işlevini ve lokalizasyonunu etkileyebilir ancak çerçeve kayması sonucu oluşan proteinlerin büyük çoğunluğunun düzgün katlanmayan (yani üç boyutlu yapısı bozuk), anlamsız proteinler olduğu ve bunların üretimlerinin hücre içinde strese neden olabileceği düşünülmekte. Ben şahsen bunların bir kısmının da hücre içinde işlevsel olabilme olasılıklarının bulunduğunu ve zamanla bunların işlevlerinin açığa çıkarılacağını düşünüyorum.

Alternatif okumalarla birlikte hücre içindeki protein sayısı ve çeşitliliği arttığı için bu keşif oldukça önemli. İnsan Protein Atlası tamamlandığında, hem bu çeşitliliğin bileşenlerini, hem de bu çeşitliliğe katkı sunan farklı mekanizmaları daha iyi anlayacağız.

ATG GGA  GGT  AAA  TTT           
DNA (daha iyi anlaşılması için tek bir DNA ipliği gösterilmiştir, başlama ve bitiş kodonları kolaylık için gösterilmemiştir)

UUU GGA GGU AAA  UUU
mRNA

Phe –Gly—Gly—Lys—Phe
Protein

UUG GAG GUA AAU UUU AA
kaymış mRNA

Leu—Glu—Val—Asn—Phe—...
mutant protein  (protein sentezi  bir sonraki durma kodonuna kadar devam eder)