Glikobiyoloji alanında çalışmalar

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
*
*
Glikobiyoloji son 50 yılda ortaya çıkan ve gelişmekte olan önemli bir biyoloji alt dalıdır.
Bu konuya başlarken bu konuda Dünyada tartışmasız en önemli ismi 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
önemlidir. Bu derse bu kitaptan ve derlemeden yapılan özetle başlıyoruz.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
* Canlıların,
*
makomolekülleri uzun yıllardır bilinmektedir. Bunlardan nükleik
asitlerin ve proteinlerin yapıları, biyosentezleri, görevleriyle ilgili olarak
bakterilerden
insana
kadar
bütün
canlılarda
ortak
olan
mekanizmalar
tanımlanmıştır.
*
Bir diğer makomolekül olan Karbonhidratların gerçek görevleri, moleküler
olaylardaki can alıcı rolleri ise yeni anlaşılmaya başlanmıştır.
* Bu
görevler arasında; 1-Biyolojik çeşitlilikten sorumlu olmaları, 2-Önemli
miktarda bilgi depolamaları ve bu bilgi geçişini sağlamaları, 3-Özel tanıma
olaylarını kontrol ve idare etmeleri ve 4-Biyolojik olayları değiştirecek etkileri
olduğunun belirlenmesi yeni gelişmelerdir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* Karbonhidratların
biyolojik rollerinin uzun süre hakkıyla farkedilememesi
diğer moleküllere ilgiyi arttırmıştır.
* Ancak ondokuzuncu yüzyılın ortalarından itibaren, Karbonhidrat Kimyası,
Karbonhidrat Biyokimyası ve Karbonhidrat Biyolojisi yani Glikobiyoloji çok
belirgin bir ilgi odağı haline gelmiştir.
* 1960’lı
yıllar Karbonhidrat Biyolojisi çalışmaları için dönüm noktası
olmuştur. Şekerlerin diğer moleküllere bağlı yapısal kısımları olduğu
gösterilmiştir.
Böylece
şekerlerin
glikokonjugatlar olarak isimlendirilmiştir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
rol
aldığı
hibrit
moleküller
* 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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 1835- Musinlerin belirlenmesi (SANSSURE)
* 1865- Musinler, Protein + Şeker özelliklerini taşır (EICHWALD)
* 1874- Asimetrik C-atomu teorisi (de Van’t HOFF ve LE BEL)
* 1885, 1888- Şekerler, musin glikoproteinlerinin yapısal kısımlarıdır
(HAMMARSTEN)
* 1889- İlk kondroitin sulfat izolasyonu (MORNER) 1908- Piranoz şekerler
6 üyelidir (HAWORTH ve HIRST)
* 1910- DNA yapısında deoksiriboz belirlendi (LEVENE)
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 1936- Sialik asit elde edildi (BLIX) 1935,1939- Nöraminik asit elde
edildi (KLENK)
* 1938- Şekerler diğer proteinlerde de var (NEUBERGER)
* 1942- Influenza virüsü eritrosit aglutinasyonuna neden olur
(HIRST)
* 1947- RDE= Reseptör Bozan Enzim bulundu (BURNET)
* 1949- RDE= Nöraminidaz (GOTSCHALK) 1952- RDE’in kopardığı
ürünle sialik asit arasında yapısal benzerlik var (ODIN)
* 1954- N-asetilnöraminik asit izolasyonu başarıldı (KLENK ve
FAILLARD)
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 1954- Lektinler tanımlandı (BOUD ve SHAPLEIGH)
* 1955- RDE’nin kopardığı ürün N-asetilnöraminik asittir (KLENK VE
FAILLARD) RDE= Nöraminidaz= Sialidaz
* 1958- Proteinler – Karbohidratlar arasında kovalent bağlar (MUIR)
* 1962- N-Asetilnöraminik asidin yapısı açıklandı (KUHN ve BROSSMER)
* 1968- Lewisa (Lea) ve Lewisb (Leb) belirleyicileri karbohidratlardır.
(KABAT ve MORGAN)
* 1968- Serum glikoproteinlerinin ömrünü sialik asitler belirler (ASHWELL
ve MORELL).
* 1969- Protein glikosilasyonu ve kanser arasındaki iliş̧ki belirlendi
(ROBBINS ve grubu).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 1971- Şeker nükleotidleri keşfedildi (LELOIR).
* 1970-1972 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.
* 1977- N-bağlı glikoproteinler belirlendi (ASHWELL ve MORELL).
* 1977,78- N-asetilgalaktozaminiltransferaz Glikosiltransferaz izolasyonu
(SCHWAEZER ve HILL, HILL).
* 1981- Glikosiltransferaz uygulaması (NUNEZ ve BARKER).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 1986 - β1,4-galaktosiltransferaz cDNA klonlanması yapıldı (SHAPER, QASBA,
FUKUDA)
-Glikosiltransferaz gen klonlanması çalışmaları devam etmektedir.
* 1990 – Glikozilasyon Mekanizması ve Glikoziltransferazlar (HARDUIN-LEPERS)
-Enzimlerin belirlenmesi - Klonlama - Gen yapısı - Kopya çıkışının kontrolü - Çevirinin
kontrolü, Yapı-işlev analizleri yapılmaktadır.
* 1968 den beri Sialik asitlerin (SCHAUER) - Yapısal özelliklerinde
-Kimyasal analizlerinde - metabolik yollarında - Biyolojik görevlerinde - ilişkili Enzimlerin
izolasyonu - Yapı analizi - Gen klonlanmasında önemli bildirimler yapılmaktadır.
* 1988 - Glikobiyoloji, Glikoform ve Glikotip deyimleri tanımlandı (RADEMACHER,
PAREKH ve DWEK)
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 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
*
*
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.
*
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
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 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.
* Bu durum çok pahalı ve özel aletler gerektirir. Benzer şekilde
glikokonjugatların saflafltırılması aşamasında çeşitli örnek kayıpları olur.
Zaman zaman iz miktarda bulundukları göz önüne alındığında, bu durum
çalışırken karşılaşılan en temel sorundur.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
* 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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
* 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 Biyoteknolojide ki
önemi gittikçe artmaktadır. Tıpta tedavi edici düzenlemelerin (patojenlere ve
toksinlere karşı engelleyicilerin, kanser, iltihaplanma ve doku nakli uygulamalarında
immün sistemi baskılayan ilaçların) yapılmasında ve 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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
*
*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., Glikbiyoloji, Modern Moleküler Biyoloji,
TUBITAK,Turk J. Vet. Anim. Sci.;27,489-495, 2003.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER