Proteinlerin ER'ye Yönlendirilmesi

Cuma, iki jel

Aralığın ilk haftası biterken cuma sabahı masada baskı yok. Suzan Hanım ışıklı kutunun üstüne iki kurumuş jel yatırmış; Ediz dün akşam hazırladığı tüplerin listesini yanına koyuyor.

Tüplerin hepsinde aynı karışım vardı: genç alyuvarlardan elde edilmiş, hücre dışında protein yapabilen bir özüt ve pankreasın salgıladığı bir enzimin mesajı. Bazı tüplere pankreas hücrelerinden ayrılmış ER parçaları, mikrozomlar, eklenmişti. Birinci jelde mikrozomsuz tüpün bandı, mikrozomlu tüpünkünden biraz yukarıda duruyor. Ediz ürünü proteazla sindirdiği tüplere bakıyor: mikrozomsuz ürün tümüyle yok olmuş, mikrozomlu ürünün bandı yerinde. Mikrozomları deterjanla da açtığı tüpte bant yine silinmiş.

İkinci jelde bir zar proteininin iki kurgu biçimi var. Ediz birinde zincirin başına, ötekinde sonuna, yalnız ER'nin içinde şeker alan kısa bir dizi yerleştirmiş. Başı işaretli olanın bandı kıpırdamamış; sonu işaretli olan bir basamak yukarı kaymış.

"Pompa sorusunu çarşamba siz sormuştunuz," diyor Ediz. "Cevabın yarısı bu jelde galiba."

Bu derste ne olacak

Önce zincirin geçtiği kanalı tanıyacağız, sonra sinyalin ribozomdan ne zaman çıktığını hesaplayacağız. Ardından kanalın yan duvarına ve zar proteinlerinin yönüne geçip ribozomdan tümüyle kopmuş zincirlerin başka yollarını izleyeceğiz.

Mekanizma

Kanal önerisinden kanala

Kesecik trafiğini işlediğimiz derste sinyal dizisini, onu yakalayan tanıma parçacığını ve dizinin kesilip atıldığını kısaca anmış, Palade'nin 1974 ödülüne değinmiştik. Hikâyenin ikinci kuşağı aynı Rockefeller laboratuvarından çıktı. NobelPrize.org'un 1999 bildirisine göre Günter Blobel sinyal varsayımının ilk sürümünü 1971'de kurdu, 1975'te adımlarını betimledi ve proteinin ER zarını bir kanaldan geçtiğini önerdi. Ödülün gerekçesi, proteinlerin taşınmalarını ve hücredeki yerlerini yöneten iç sinyaller taşımasıydı; Wikipedia'nın Blobel maddesi aynı ifadeyi aktarır.

Ediz'in birinci jeli o deneyin mantığını taşır. Blobel ile Dobberstein'ın ikinci makalesinin özetine göre köpek pankreası mikrozomları eklendiğinde ürün proteazdan korunan bir boşluğa alındı ve öncü zincir salgılanan biçimin boyuna kesildi. Bu ayrılma ve kesilme yalnız çeviri sürerken oldu; bitmiş zincire sonradan mikrozom eklemek işe yaramadı. Deterjan zarı açınca koruma kalkar, çünkü koruyan şey zarın kendisidir.

Aynı yıl Devillers-Thiery ve Blobel ile arkadaşları köpek pankreasının salgı proteinlerinin öncüllerini dizilediler. Özetlerine göre ilk on altı kalıntı birbirine çok benziyordu ve alışılmadık ölçüde yağ seven kalıntılardan oluşuyordu. Suzan Hanım'ın hücresinin ürettiği enzimlerin ortak bir giriş bileti vardı.

Kanalın kendisi

Peled-Zehavi ile arkadaşlarının 2026 derlemesine göre kanalı Sec61α kurar ve zarı on kez geçer; iki küçük alt birim çevrede durup yapıyı kararlı tutar. Van den Berg ve arkadaşları 2004'te bir arkenin aynı kompleksini X ışınıyla çözdüklerinde α alt biriminin birbirine bağlı iki yarıdan oluştuğunu gördüler: birinci ile beşinci, altıncı ile onuncu zar geçişleri, γ alt biriminin kenetlediği bir istiridye kabuğu gibi. Sitoplazmadan kanala inen huni kısa bir sarmalla tıkanmıştı. Özetlerine göre tıkaç kaydığında kanal kum saatine döner ve darlıktaki yağ seven kalıntılar geçen zincirin çevresinde bir conta gibi kapanır. Kanal bir zinciri geçirirken başka moleküllerin sızması böylece zorlaşır.

Öjemalm ile arkadaşları 2011'de bu kapının varlığını ön kabul olarak alıp içinden geçen parçaların zara girişini ölçtüler. Bir kalıntının zara girişe katkısı, yan zincirinin yağ seven yüzey alanıyla orantılı çıktı. Kanal parçayı zorla itmez; parça, su ile yağ arasında hangisine daha yatkınsa oraya düşer.

Sinyal ne zaman görünür

Zincir ribozomdan hemen çıkmaz. Chang ile Choe'nun 2026 derlemesine ve Peled-Zehavi ekibine göre büyük alt birimdeki çıkış tüneli 30 ile 40 kalıntıyı barındırır. Walter ile Blobel 1981'de tanıma parçacığının çeviriyi durdurduğunu gösterdiklerinde yaklaşık 40 kalıntının ribozom içinde proteazdan korunduğunu yazdılar; otuz kalıntılık sinyal dizisi taşıyan prolaktin öncüsü yaklaşık 70 kalıntıda duruyordu. Wikipedia'nın tanıma parçacığı maddesi bu duraklamaya uzama durdurması der; parçacık reseptörüne yanaşıp GTP'yi yıkınca kompleks çözülür.

Ingolia ile arkadaşları fare embriyonik kök hücrelerinde ribozomların saniyede 5,6 kalıntı ilerlediğini ve bu hızın salgı proteinlerinde de aynı olduğunu ölçtü; Milo ve Phillips hücre biyolojisini sayılarla anlatan derlemelerinde aynı hızı yaklaşık altı olarak verir. 70 ÷ 5,6 ≈ 12,5: sinyal dizisi tünelden taşıp tanınabilir hâle gelene dek on iki saniye kadar geçer. Beş yüz kalıntılık kurgu bir enzimin tamamı 500 ÷ 5,6 ≈ 89 saniyede biter. Parçacık zinciri durdurmasa ve ribozomun zara yanaşması kurgu olarak yirmi saniye sürse, 20 × 5,6 = 112 kalıntı daha sitozolde uzar; zincirin yağ seven parçaları o süre boyunca suyla yüz yüze kalırdı.

Zarda kalan parçalar

Zar Proteinleri dersinde zarı geçen sarmalın yirmi kalıntı dolayında olduğunu, 0,15 nanometrelik adımla çekirdeğin kalınlığına denk geldiğini bulmuştuk. Peled-Zehavi ekibi de yirmi kalıntılık bir sarmalın yaklaşık üç nanometrelik çekirdeği ancak geçtiğini yazar. Soru, bu parçanın kanalda ne yaptığıdır.

Tek geçişli zar proteinlerini Wikipedia'nın transmembran proteinler üzerine yazdığı madde bu iki diziyle ayırır: durdurma-aktarma dizili olanların N ucu, sinyal-çapalı olanların bir kısmında C ucu lümene bakar. Wu ile Hegde'nin 2026 sayımı da kesilen sinyal dizisiyle başlayanları N ucu dışa bakan grupta toplar. Yönü ne belirler? Wu ile Hegde'ye göre yağ seven parçanın sitozole bakan beş ile on beş kalıntılık kenarı çoğunlukla artı yüklüdür; Peled-Zehavi ekibi de artı yüklerin sitozol yanında toplandığını yazar. Von Heijne'nin adlandırdığı bu "pozitif içeride" kuralı bir eğilimdir ve istisnası çoktur; Peled-Zehavi ekibine göre mekanizması hâlâ açık değildir.

Ediz'in ikinci jeli bu kuralı okur. Şeker yalnız lümende eklenir: Asparagine bağlanan şekerleri anlatan Wikipedia maddesine göre şeker zincirini aktaran enzim lümene bakar ve asparagin, prolin dışında herhangi bir kalıntı, ardından serin ya da treonin dizisini tanır; Wu ile Hegde de bu değişikliği lümene özgü sayar. Sonu işaretli biçimin bandı kaydığına göre C ucu lümende, N ucu sitozoldedir. Bu, artı yüklü bir başa sahip sinyal-çapalı bir proteinin beklenen yönüdür.

Zarı birçok kez geçen proteinlerde tarihsel model sıralamaya dayanır: Wu ile Hegde'nin aktardığına göre Blobel 1980'de her yağ seven parçanın bir öncekinin tersi yönde yerleştiğini önermişti. Öyleyse tek sayıda geçişte iki uç karşı yüzlere, çift sayıda aynı yüze düşer. Yedi geçişli bir reseptörde yaklaşık 7 × 20 = 140 kalıntı zarın içindedir; 350 kalıntılık kurgu bir reseptörde bu 140 ÷ 350 = 0,40 eder. Wu ile Hegde, N ucu dışa bakan çok geçişli insan proteinlerinin büyük çoğunluğunun tek sayıda geçiş taşıdığını ve bunların çoğunun yedi geçişli reseptörler olduğunu bulmuştur.

Ribozomdan kopmuş zincir

Her giriş çeviriyle eş zamanlı değildir. Wikipedia'nın translokon maddesine ve Peled-Zehavi ekibinin derlemesine göre çeviri bittikten sonraki girişte kanala Sec62 ile Sec63 eşlik eder. Sec63 lümendeki BiP adlı şaperonu çağırır; BiP ATP'yi kullanarak içeri uzanan zincire bağlanır ve geri kaymasını engeller. Zincir bir cırcır dişlisi gibi yalnız içeri ilerleyebilir.

Bir protein grubu ise hesabın doğrudan sonucudur.

Yağ seven parça C ucundan on kalıntı önce bitiyorsa, durdurma kodonunda 20 + 10 = 30 kalıntı hâlâ ribozomun içindedir; 30 ile 40 kalıntılık tünel onu bütünüyle saklar. Tanıma parçacığı onu hiç göremez. Feng ile arkadaşlarının 2025 çalışmasına göre bu proteinler memelide TRC40, mayada Get3 adlı ATP'ye bağımlı bir taşıyıcıyla ER'ye götürülür; Peled-Zehavi ekibine göre zarda onları Get1 ile Get2'den kurulu ayrı bir kompleks yerleştirir. Wu ile Hegde insanda yaklaşık 220 kuyruk-bağlı protein sayar.

Sinyal dizilerindeki ya da bu kanal ve taşıyıcılardaki bazı kalıtsal değişiklikler hastalıklarla ilişkilendirilmiştir; ayrıntıları bu dersin konusu değildir.

Modelin sınırı

• Wu ile Hegde çok geçişli proteinlerin çoğunlukla parça çiftlerinden kurulduğunu bulur; bu çiftlerin Sec61'in yan kapısına uğramadan, komşu yerleştirici komplekslerle girdiği düşünülüyor. Ardışık zıt yön modeli bugün tablonun yalnız bir kısmını açıklar.
• Artı yük kuralı bütün proteinler üzerinden tutar ama tek bir parçanın yönünü her zaman öngörmez; Peled-Zehavi ekibine göre yönü artı yüklerin yanında başka etkenler de belirler.
• Kanalın ayrıntılı yapısı bir arke proteininden geldi; memelide kanalı açıp kapatan yardımcı kompleksler bu resme eklenmelidir.
• Süre hesabı tek bir hücre tipinin ortalama hızına dayanır, ribozomun yolda durduğu yerleri ve yanaşma süresini kurgu sayar.

Bu ders neyi göstermiyor

• Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler.
• Bir zincirin adresinin kendi dizisinde yazılı olması, "protein yapımını düzenlediği", "hücre içi yönlendirmeyi iyileştirdiği" ya da amino asit dizisi sayesinde hedefine gittiği söylenen hiçbir peptit ürününe veya takviyeye dayanak olamaz.

Cuma öğleden sonra

Ediz defterine iki şekil çiziyor. Birincisinde bir ribozom zara oturmuş, altında bir huni ve tıkaç; zincir düz aşağı iniyor, yanına "30–40 gizli, 12,5 s" yazıyor. İkincisinde huninin yan duvarı aralanmış, bir sarmal yarıktan zara kaymış. Sarmalın sitozol tarafına küçük artı işaretleri koyuyor, lümendeki ucuna bir şeker dalı.

Suzan Hanım jelleri kutuya kaldırırken ikinci jelin kayan bandına bir kez daha bakıyor. "Şeker aldı, demek içeride," diyor. "Ama içeride olmak doğru biçimi almış olmak demek değil. Lümende o zincir kendi hâline mi kalıyor?"

Kendini sına

1. Sinyal dizisi 20 kalıntı, tünel 35 kalıntı olsaydı, saniyede 5,6 kalıntılık hızla sinyal kaçıncı saniyede tünelden tümüyle çıkardı?
2. Durdurma-aktarma dizisi taşıyan bir proteinde şeker işaretini N ucuna koyan biçim kayar mı? Neden?
3. Yağ seven parçası C ucundan altmış kalıntı önce biten bir protein neden kuyruk-bağlı sayılmaz? Durdurma kodonunda kaç kalıntı tünelin dışındadır?
4. Dört geçişli bir proteinin iki ucu hangi yüzlere düşer? Klasik model neden bu cevabı verir, yeni veriler hangi varsayımını sorgular?
5. Mikrozomlar çeviri bittikten sonra eklendiğinde birinci jelde ne görülürdü? Mayadaki Sec62/63 ve BiP yolu bu sonucu nasıl değiştirebilir?

Bir sonraki derse köprü

Jeli kutuya kaldırırken sorulan soru lümene giren zincirin kaderine ilişkindir. Protein Katlanması dersi şunu soracak: lümene giren bir zincir doğru biçimini nasıl bulur, BiP gibi şaperonlar ona nasıl eşlik eder ve disülfit bağları nasıl kurulup düzeltilir? Şeker dalının kendisi bir denetim etiketi gibi mi işler, katlanamayan zincire ne olur?