Proteinlerin Evrimi
12 Temmuz 2007
PROTEÄ°NLERÄ°N EVRÄ°MÄ°
GÄ°RÄ°Åž
Rutin olarak hücre bölünmeden önce genetik materyalinin bir kopyasını oluşturur.Bu duplikasyonda meydana gelen hatalar(nokta mutasyon,insersiyon,delesyon,gen füzyonu veya fizyonu gibi) evrimsel işlemi ortaya çıkarır.Protein evrimi denilen şey de zaten zamanla bir protein dizisinde meydana gelen değişikliklerdir.Proteinlerin yapı,fonksiyon ve evrimi proteinleri kodlayan genlerin değişimi ile bağlantılıdır.Günümüzde moleküler klonlama teknikleri,DNA sekans metotları,hızlı dizi karşılaştırma algoritması ve bilgisayar çalışmalarının birbirine yardımcı olan gelişmeleri sayesinde proteinlerin yapı,fonksiyon ve evrimi aydınlatılmaya çalışılmaktadır.Protein dizilerinin karakterize etmek için protein dizi karşılaştırması en güçlü araçtır.Protein dizi karşılaştırmaları homolog proteinlerin tahlili yapıldığında bilgi vericidir.Protein evrimi tartışmalarında homolog terimi tartışmalara yol açmaktadır.Ortak kuramsal bir atadan evrimleştiği düşünülen, benzer aminoasit dizisi, benzer fonksiyon ve benzer üç boyutlu şekle sahip olan proteinlere homolog protein denir.Protein analiz araştırmalarında homoloji terimi dizi benzerliği ile sinonimdir ama homoloji gerçek anlamda ortak bir atadan evrimsel ayrımı ifade eder.Yani tanım olarak homolog proteinler ortak kuramsal bir atadan ortaya çıkar.Bir çift protein karşılaştırıldığında bu proteinler ya homologdur ya da değildir.%50 homologdur gibi ibarelerin kullanılması protein evrim tartışmalarında yanlıştır.Ama bir proteinin farklı ksımları farklı orjinlere sahip olduğunda kısmi homolojiden bahsedilebilir.Örneğin multiple domain proteinlerde, bir domain bir atadan, diğer domain farklı bir atadan gelebilir.LDL reseptörü bu duruma örnektir.
Protein evriminin iki yaygın tipi vardır:
1)Divergent Evolusyon(ortak atadan dolayı benzerlik)
2)Convergent Evolusyon
Divergent Evolusyon:Bu durumda zamanla atasal protein değişmiştir ve aynı,benzer veya farklı fonksiyonlara sahip(P1,P1’,P2 ve P3 olarak gösterilen) olanların dizisini verir.Divergent evolusyonun iki tipi ayırt edilebilir: ORTOLOG EVOLUSYON: Türlerin ayrımından kaynaklanan ayrımı ifade eder.Farklı türlerden elde edilen aynı gen tarafından üretilen proteinler karşılaştırılır.Örneğin:Pek çok farklı türlerden elde edilen sitokrom-c dizilerinin karşılaştırılması ortolog evolusyon çalışmalarına örnektir ve sitokrom-c bir ortolog proteindir.
PARALOG EVOLUSYON:Bir organizmadaki gen duplikasyonundan kaynaklanan ayrımı ifade eder.Fonksiyonel olarak farklı proteinlerle sonuçlanır.ÖrneÄŸin:Globilin ailesi bir seri gen duplikasyonları sonucu evrim geçirmiÅŸlerdir.abgd’dÂ’globilin polipeptit zincirleri ortak bir globulin atasından kaynaklanır ve paralog proteinlerdir.Aslında globilin protein ailesinin üyeleri hem ortolog (türleÅŸmeden dolayı farklı) hem de paralogdur.Ä°nsan, fare, tavuk alfa globulinleri ortolog; Fare beta globulin ve insan alfa globulinleri paralogdur.Alfa ve beta subüniteleri 600 milyon yıl önce yer alan gen duplikasyonundan dolayı farklıdır.Alfa ve beta tip zincirleri kodlayan genler orijinal olarak tek bir atasal genden genetik materyalin atasal duplikasyonundan dolayı türevlenmiÅŸtir.DiÄŸer duplikasyon, doÄŸumdan sonra sentezlenen insan beta ve gama zincirini kodlayan genlerin ayrılmasına sebebiyet vermiÅŸtir.
1)P1’(PROTEİN SPECIATION):Divergent evolusyonunun bu durumunda aynı fonksiyona sahip çok benzer proteinler farklı organizmalarda bulunur.Bundan sonra tüm mutasyonlar proteinin fonksiyonunu korumaya yöneliktir.
a)proteinler arası farklılıklar 2 yolla tartışılabilir:%identity ve PAM(percent of acepted mutation)
b)bir proteinin farklı kısımları farklı mutasyon oranlarına maruz kalabilir.Bu mutasyon oranları fonksiyonel-yapısal rezidular için çok düşük,internel rezidular için düşük,fonksiyon ile direkt rolü olmayan rezidular için yüksek olabilir.
c)mutasyon oranı farklı proteinlerde farklıdır.Eğer her 100 reziduda aminoasitlerin değişimlerinin sayısı ayrılma yılları sayısına(verilen proteinlerin birbirnden ayrıldığı yıl) plot edilirse accepted muatsyon oranı doğrunun eğimidir.Oran sitokrom-c için(5PAMs/108 yıl),fibrinopeptitler için(70PAMs/108 yıl),çeşitli enzimler için(5-50PAMs/108 yıl) olarak bulunur.Evrimsel periyot birimi reziduların %1’inin değişimi için ihtiyaç duyulan zamandır.
d)yapısal değişim seviyesi dizi değişim seviyesi ile doğrudan orantılıdır.
e)insersiyon ve delesyonlar globuler protein yüzeylerinde oluşur ve böylece dönüşlerde ve loop’larda görülür.Bu gibi değişmeler loop’larda daha iyi tolere edilebilir.Ekstra rezidular katlanma topolojisinin yapısal değişmelerine sebep olmaksızın uzaklaştırılabilir.
f)gen füzyon ve fizyonu:İki genin füzyonu tek bir zincir içinde ayrı subüniteleri bağlayabilir.Genel olarak bir organizmanın kompleksliği artarken, zincirlerin sayısı azalır(örnek üreaz).Daha aşağı organizmalar daha kısa, ayrı domain’ler kullanırken yüksek organizmalar bu domain’leri tek zincirde birleştirebilir.
2)P2(PROTEİN DİFFERENTİATİON):Protein farklılaşması evrimin bağlantılı veya benzer fonksiyonlu(ama aynı değil) proteinlerle sonuçlandığı durumuna refer eder.Specificity’deki değişmeler çok az bazen bir reziduda yer alabilir.Örneğin:Kimotripsin,Tripsin ve Elastaz peptit bağlarını koparan proteazlardır ve aynı genel katlanmaya sahiptirler.Bunun yanı sıra her biri kendine özgü spesifik bir cep taşır.Bu cep sayesinde tanıyacağı vekeseceği diziye karar verir.Tripsinin spesifik cebindeki tek bir aminoasit değişimi elastazın özgüllüğne yol açar.Diğer bir örnek sitokrom p450dir.Mitokondri e.t.s ve karaciğer mikrozomunun bir parçası olan, oksijenin aktivasyonunda yer alan bir enzimdir.Ayrıca polisiklik aromatik hidrokarbonları da hidroksile eder.Bu enzimin bir formu için substrat,bi-siklik aromatik hidrokarbondur; ikinci formu daha büyük substratları tanır.İlk formdaki yapıya tek bir aminoasitin eklenmesi özgüllüğünü ikinci forma değiştirir.
3)P3(DİFFERENTİATİON/UNRELATED FUNCTİON):Kuramsal atanın fonksiyonunu taşımayan bir fonksiyona sahip proteinin evrimleşmesi durumunu ifade eder.Eğer atasal proteinin fonksiyonu organizmanın yaşamı için gerekli ve kritik ise yeniden gen duplikasyonuna ihtiyaç duyulur.Buna klasik örnek tavuk lizozimi ve a-lactalbumindir.a-lactalbumin sığır sütünde bulunan laktoz biyosentezini regüle eden bir proteindir.Bu iki protein %38 dizi benzerliğine ve benzer katlanmaya sahiptir ama fonksiyonları tamamen farklıdır.
Özetle divergent evolusyonda temel prensip şudur:Proteinlerin çeşidi huramsal olarak ortak bir atadan ortaya çıkar.Bu proteinlerin bazısı orijinal olarak aynı fonksiyona sahip iken bazıları tamamen farklı fonksiyonlara sahip olabilirler.
Convergent Evolusyon:Birbiriyle bağlantısı olmayan iki kuramsal atasal proteine(P0 ve PO’) sahip olduğumuz durumları ifade eder.Ve her biri fonksiyonel veya yapısal benzerliğe sahip proteinlere gelişir.Bu proteinler farklı diziler ile başlar ve dizi bakımından farklı kalır ama benzer fonksiyonları yerine getirmek için gelişirler.
Convergent evolusyon için kurallar
Divergent evolusyon için kurallar
Proteinler arası tanınabilir dizi benzerliği yoktur.
Belirgin dizi ve yapı benzerliği vardır.
Farklı topolojik katlanmalara sahiptirler ama benzer fonksiyonları yerine getirirler.
Katlanma topolojisi aynı kalır.
Divergent veya convergent evolusyon olup olamadığı tartışılır durumlarda vardır.Bu durumlar şunu içerir:Proteinler belirgin dizi benzerliğine sahip değilse ama aynı topoloji veya katlanmaya sahip ise bu proteinler homolog kabul edilirler.Veya proteinlerin belirgin bir dizi benzerliği yok ama benzer topoloji ve farklı fonksiyon var ise bu durumda ya ortak bir ata vardır ya da oldukça stabil bir katlanma söz konusudur.Üç sınıf protein bu duruma örnek olarak verilebilir:
I.Homologlar—aynı üç boyutlu yapı,aminoasit dizisi,fonksiyon
Aynı üç boyutlu yapı
Oldukça yüksek benzerlikte AA dizisi
Aynı fonksiyon
ÖRNEK:sitokrom-c
II.Benzer fonksiyon—farklı dizi
Bir domain aynı şekil ama diğer domain farklı
ÖRNEK.dehidrogenazlar
III.Benzer ÅŸekil—Farklı fonksiyon ve farklı dizi
Aynı üç boyutlu yapı ama farklı fonksiyon
ÖRNEK:b-barrel
HOMOLOGLAR:Farklı organizmalardan elde edilen aynı proteinin aminoasit dizileri analiz edildiğinde aminoasit dizilerin evolusyon süresince değiştiği ama katlanma şeklini korudukları da görülür.En iyi çalışılan örnek sitokrom-c dir.1.5 milyar yıllık evrime sahip olan c-tipi sitokrom ailesinin farklı alt üniteleri arasında bile kesin bir homoloji yoktur.Bu proteinlerin aminoasit zincir uzunlukları 60-200 arasında değişen çeşitlilik gösterir.Dizilerdeki bu çok büyük farka rağmen bütün c-tipi sitokromların üç boyutlu yapısı benzerdir.Mitokondri,kloroplast ve farklı bakterilerde bulunan c-tipi sitokromlardaki alfa sarmallar aynıdır ve aynı ortak pozisyona sahiptir.Bütün sitokrom-c proteinlerde bulunan invariant aminoasitler proteinin fonksiyonellği için gereklidir.Diğer bir deyişle, sitokrom-c için evrim süresince aminoasit dizisindeki belli invariant aminoasitler kalmalıdır.Anahtar pozisyondaki bu aminoasitler proteinin üç boyutlu yapısını kazandırırlar ve evrim süresince de korunurlar. Şekil I.Sitokrom-c’nin modelini göstermektedir.
Bazı proteinler fonksiyonları kompleks olduğu için yapı itibarıyla daha komplekstirler.Dehidrogenazlar metabolizmada yer alan enzimlerin en iyi örnekleridir.İndirgenmiş substrattan NAD’a elektronları transfer eden enzimlerdir.Elektron akseptörü olarak NAD’ı kullanan 3 farklı dehidrogenaz:alkol dehidrogenaz,laktat dehidrogenaz ve gliseraldehit fosfat dehidrogenazdır.Bu üç enzimin tümü elektron akseptörü olarak NAD’ı kullanır ama substratları farklıdır.
Alkol dehidrogenaz metabolizma boyunca etanolü aset aldehite dönüştüren karaciğerde bulunan enzimdir.Laktat dehidrogenaz kaslardaki anaerobik metabolizmada rol oynayan enzimdir.Gliseraldehit fosfat dehidrogenaz karaciğer ve diğer dokularda glikolizisdeki anahtar enzim ve yeşil bitkilerdeki fotosentezdeki önemli bir enzimdir.Bu üç dehidrogenaz domain denilen iki alt kısma ayrılır.Domain’lerden biri enzimlerin substratlarına bağlanması diğeri ise NAD’a bağlanmak içindir.Şekil II.GAP-Dehidrogenazın üç boyutlu modelini göstermektedir.
Şekil III.Üç dehidrogenazın NAD domainlerini göstermektedir.A:Alkol dehidrogenaz.B:Laktat dehidrogenaz.C:GAP-dehidrogenaz.
Bu domainlerin her birinin şekli benzerdir.Ama substratlarını bağlama şekillerine baktığımızda farklı olduklarını görebiliriz.
Bu bütün NAD domainleri aynı şekle sahip iken sadece birkaç anahtar aminoasit hariç aminoasit dizileri farklıdır.Yani farklı aminoasit dizisine sahip aynı fonksiyonlu bir proteinin domain’i için aynı şekli alması mümkündür.
III.Proteinlerin diğer bir sınıfı da tamamen farklı fonksiyonlu ama aynı üç boyutlu yapıya sahip olanlarıdır.17 farklı reaksiyonu katalizleyen farklı enzimler beta-barrel üç boyutlu şekle sahiptir.Bu enzimler aminoasit dizisinde benzerliğe sahip değildirler.Böylece farklı aminoasitler beta-barrel oluşturmak için protein yapısındaki katlanmada önemlidirler.Şekil IV. En az 21 enzim ve protein için beta-barrel yapı prototipini göstermektedir.
Beta-barrel üç boyutlu şekil enzimlerin yapısı için çok iyi olduğundan evrim süresince korunmuş olabilir.Özetle proteinlerin üç boyutlu şekilleri aminoasit dizilerinden daha fazla korunmuştur.
Evrimsel ve fonksiyonel birbiriyle ilişkili proteinlerin üç boyutlu yapılarının benzerliğinin 2 muhtemel açıklaması olabilir:Birinci görüş şunu önerir:Proteinin şekli sadece dizinin tüm ayrıntılarına bağlı değil ayrıca evrim boyunca muhafaza edilmiş dizilerin genel özelliklerine de bağlıdır.İkinci görüş ise:Alan Ferscht ve Eugene Shakhovich’e göre proteinler iki faz prensibine göre katlanırlar ve bu katlanma ‘’nucleation-growth’’ mekanizmasıyla açıklanabilir.Bu mekanizmaya göre bazı belirgin rezidu seti bir araya gelmedikçe katlanmayan zincir kararsızdır.Bu rezidular işlemin hız sınırlayıcı basamağı olan protein katlanmasının nükleusunu oluştururlar.Bir kere katlanma nükleusu oluşturulduktan sonra bütün protein molekülünü içine alarak çok hızlı büyüyebilir.Böylece protein şekli sadece birkaç rezidu içeren katlanma nükleusu tarafından belirlenir.Protein ailelerindeki evrim süresince muhafaza edilmiş bu reziduları tanımlamak için ‘’ consensus principle’’ diye adlandırılan bir yaklaşım önerilir.Bu yaklaşıma göre:
İlk önce, verilen protein ailesini biyokimyasal farklı alt ailelere ayırmak gerekir.İkinci olarak her bir alt aile için aminoasit dizileri sıraya koymak ve muhafaza reziduları tanımlamak gerekir.Üçüncü olarak farklı alt ailelerin sıra dizilerini karşılaştırmak ve onların ortak muhafaza rezidularını tanımlamak gerekir.c-tipi sitıkromlar ve globilinlerin binlerce dizisinin analizi şunu göstermiştir:Her iki protein ailesinde non-fonksiyonel reziduların non-polar cluster’ları vardır ve bu cluster’lar protein ailesinin bütün alt aileler için ortak katlanma nukleusunu temsil ederler.Katlanma nukleusu biyolojik evrimleri boyunca muhafaza edilmelidir.Katlanma nükleusunda yer alan bütün rezidular muhafaza edilmeli ve muhafaza edilen bütün rezidular katlanma nükleusunda yer almalıdırlar.Helikal proteinler için katlanma mekanizması da şu şekilde önerilmektedir:Katlanma birkaç belirgin rezidunun çarpışmasıyla başlayabilir ve bir katlanma nükleusu oluşturulur.Böylece bu rezidular evrim boyunca muhafaza edilir.
Fetrow ve Godzik günümüz proteinlerinin proto-proteinlerden ortaya çıktığı hipotezini ileri sürmüşlerdir.Proto-proteinler 15-20 rezidulu peptitlerden oluşan, ikincil yapılı bazı elementlere ve ilkel fonksiyona sahip moleküllerdi.Çalışmalarında RNA-binding proteinlerin iki üyesini kullandılar.Cold shock(OB/CSD) ve RBD proteinler.Bu proteinlerin divergent evolusyon sonucu ortaya çıktığı hipotezi araştırmacılar tarafından ileri sürülmüştür.Bu çalışmada kullanılan proteinlerin listesi tablo I’de sunulmaktadır.
TABLO I.Bu çalışmada kullanılan RNA/DNA binding proteinlerin listesi
PDB
PROTEÄ°N
ORGANÄ°ZMA
1nmg
Cold shock protein B
Bacillus subtilis
1mjc
Cold shock protein A
E.coli
1sro
S1 RNA binding domain(PNPase)
E.coli
1pfs
ssDNA binding protein
pf3 bakteriyofaj
1ris
Ribozomal protein S6
B.termophilus
1sxl
Sex lethal protein
D.melonagaster
1urn
U1A complex with RNA
H.sapiens
Nükleik asit binding proteinlerin bu iki ailesi (OB/CSD ve RBD) prokaryotlar ve ökaryotlar arası ayrım olmadan önce iyi şekillenmişlerdir.Cold shock (OB/CSD) ailesinin tümü b proteinlerden yapılı iken RBD proteinler a/b proteinlerden yapılıdır.Her iki ailede de RNA binding için RNP dizi işaretleri vardır.RNP diziler üç boyutlu yapıda birbirine yakın b strandleri üzerinde bulunur.Bu proteinlerin ayrıntılı araştırmaları her iki ailenin de benzer tarzda nükleik asitleri bağladığı gösterilmiştir.Nükleik asitler aromatik aminoasitlerce zengin b sheet yüzeyi boyunca küme şeklinde bağlanırlar; yan zincirler ise nükleik asit bazlarıyla etkileşimler oluştururlar.Nükleik asit üzerindeki fosfatlarla etkileşimli pozitif yüklü rezidular b sheet çevresindeki loop’larda bulunurlar.Böylece çok benzer bir motif iki protein ailesinde de bulunmuştur.RNP dizileri hariç gözlenebilir bir dizi benzerliği yoktur.Fetrow tarafından bu durum divergent evolusyon olarak yorumlanmıştır.Ve bunu da birkaç kanıt üzerine dayandırmıştır:
1)RNA orijinal bir organik polimerdir ve RNA binding proteinler en eski protein aileleren biri olmalıdır.
2)Dizi benzerliği var olmasa bile benzer fonksiyonlu ve topolojili proteinler benzer atadan ayrılırlar.Zaman, dizi benzerliğini kolaylıkla silebilir.
Sonuç olarak Fetrow’a göre ilk proteinler özelleşmiş peptitlerdi.Bu proteinler daha dayanıklı daha fonksiyonel olarak özelleşmiş proteinlere, bu peptidin sonlarına yapısal elementlerin eklenmesiyle dönüşmüştür.Daha sonra daha büyük domainlerin insersiyonu ile bu proteinler büyümüştür.
Kategori: Biyoloji