Protein Yıkımı

Tanım

Protein yıkımı, hücrede işlevini tamamlamış, yanlış katlanmış, hasarlanmış, fazla üretilmiş veya düzenleyici görevi bitmiş proteinlerin kontrollü biçimde parçalanarak peptitlere ve amino asitlere dönüştürülmesidir. Bu süreç hücresel protein dengesinin, yani proteostazın korunması için protein sentezi kadar gereklidir. Protein yıkımı sayesinde hücre; hatalı proteinleri temizler, kısa ömürlü düzenleyici proteinlerin düzeyini kontrol eder, amino asit havuzunu yeniler, stres koşullarına uyum sağlar ve enerji metabolizmasına destek oluşturur. Protein yıkımının başlıca yolları ubikuitin-proteazom sistemi, lizozomal/otofajik yıkım ve endoplazmik retikulum ilişkili protein yıkımıdır. (PMC)

Görsel Açıklaması

Görselde “Protein Yıkımı Metabolik Akışı” başlığı altında hücresel protein yıkımının üç ana yolu gösterilmiştir. Sol bölümde ubikuitin-proteazom sistemi, kısa ömürlü, düzenleyici, yanlış katlanmış veya hasarlı proteinlerin seçici olarak yıkılmasını açıklar. Hedef protein önce ubikuitinle işaretlenir; E1, E2 ve E3 enzimleri bu işaretleme sürecinde görev alır. Poliubikuitin zinciri taşıyan proteinler 26S proteazom tarafından tanınır, açılır ve peptitlere parçalanır. Peptitler daha sonra amino asitlere kadar yıkılarak yeniden metabolik kullanıma katılır. (PMC)

Orta bölümde lizozomal/otofajik yıkım yolu gösterilmiştir. Bu yol özellikle uzun ömürlü proteinler, protein agregatları, büyük protein kompleksleri ve hasarlı organellerin uzaklaştırılmasında önemlidir. Makrootofaji sırasında hedef yapı otofagozom içine alınır, otofagozom lizozomla birleşir ve oluşan otolizozomda katepsinler başta olmak üzere lizozomal hidrolazlar kargoyu parçalar. Bu yol açlık, enerji azalması, oksidatif stres ve organel hasarı gibi durumlarda hücreye amino asit ve enerji substratı sağlama açısından kritik rol oynar. (PMC)

Sağ bölümde ERAD, yani endoplazmik retikulum ilişkili protein yıkımı yer alır. ER’de yanlış katlanan sekretuar veya membran proteinleri kalite kontrol sistemleri tarafından tanınır, retrotranslokasyonla sitozole çıkarılır, ubikuitinlenir ve 26S proteazoma yönlendirilir. Bu yol, ER’de protein katlanma yükünün artması veya yanlış katlanmış proteinlerin birikmesi durumunda hücreyi proteotoksik stresten korur. (PMC)

Akademik Açıklama

Protein yıkımı rastgele bir parçalanma süreci değildir; hücre içinde hedef seçiciliği, enerji kullanımı, bölgesel organizasyon ve sinyal yollarıyla kontrol edilen düzenli bir metabolik ağdır. Ubikuitin-proteazom sistemi çoğunlukla sitozol ve çekirdekteki kısa ömürlü veya düzenleyici proteinleri hedefler. Hücre döngüsü proteinleri, transkripsiyon faktörleri, hatalı katlanmış sitozolik proteinler ve bazı ERAD substratları bu sistemle uzaklaştırılır. Ubikuitin zincirlerinin tipi, hedef proteinin proteazoma mı yoksa farklı sinyal süreçlerine mi yönlendirileceğini belirleyebilir. (PMC)

Lizozomal yıkım sistemi ise daha büyük ve kompleks hücresel yükler için uygundur. Proteazom, büyük agregatları veya organelleri doğrudan yıkamaz; bu tür yapılar çoğunlukla otofaji-lizozom sistemiyle parçalanır. Makrootofaji, otofagozom oluşumu ve lizozom füzyonu üzerinden ilerlerken; seçici otofaji hasarlı mitokondri, protein agregatı, peroksizom veya patojen gibi belirli yüklerin hedeflenmesini sağlar. Bu nedenle otofaji yalnızca açlık yanıtı değil, aynı zamanda organel kalite kontrolü ve hücresel yenilenme mekanizmasıdır. (PMC)

ERAD, protein kalite kontrolünün özel bir koludur. ER lümeninde veya ER membranında yanlış katlanan proteinler, katlanma şaperonları ve kalite kontrol bileşenleri tarafından değerlendirilir. Düzelmeyen proteinler retrotranslokasyonla sitozole aktarılır, ubikuitinlenir ve proteazomda yıkılır. Bu süreç özellikle salgı proteinleri ve membran proteinleri yoğun üreten hücrelerde önemlidir; ERAD yetersizliği ER stresi ve katlanmamış protein yanıtı ile bağlantılıdır. (PMC)

Metabolizma / Fizyoloji

Protein yıkımı sonucunda oluşan amino asitler sitozolik amino asit havuzuna katılır. Bu amino asitler yeniden protein sentezinde kullanılabilir, glukoneogenez veya enerji metabolizmasına yönlendirilebilir ya da azot metabolizması üzerinden üre döngüsüyle ilişkilendirilebilir. Bu nedenle protein yıkımı yalnızca protein kalite kontrolü değil, aynı zamanda amino asit ve azot metabolizmasının da önemli bir parçasıdır.

Hücresel bölme açısından ubikuitin-proteazom sistemi çoğunlukla sitozol ve çekirdekte, ERAD granüllü ER ve sitozol arasında, otofaji ise sitozol, otofagozom ve lizozom hattında gerçekleşir. Lizozomal yıkımda son proteoliz asidik lizozomal ortamda olur. Proteazom yıkımı ise ATP bağımlı olarak proteinlerin tanınması, açılması ve proteolitik çekirdeğe aktarılmasıyla ilerler. (PMC)

Besin ve enerji durumu protein yıkımı üzerinde güçlü etkiye sahiptir. Amino asit ve büyüme faktörü bolluğunda mTORC1 aktivitesi artar, protein sentezi desteklenir ve otofaji genellikle baskılanır. Enerji yetersizliği, açlık veya hücresel stres durumlarında AMPK-mTORC1-ULK1 ekseni otofajiyi düzenler; ancak AMPK’nin etkileri stresin tipi ve süresine göre bağlamsal değişiklik gösterebilir. (PMC)

Kas dokusunda protein yıkımı fizyolojik yenilenme için gerekli olsa da aşırı aktivasyonu kas kütlesi kaybına neden olabilir. Açlık, immobilizasyon, sepsis, kanser kaşeksisi, kronik inflamasyon ve glukokortikoid fazlalığı gibi durumlarda ubikuitin-proteazom sistemi ve otofaji-lizozom sistemi farklı derecelerde aktive olabilir. (PMC)

Görev Alan Enzimler ve Proteinler

Ubikuitin-proteazom sisteminde E1 ubikuitin aktive edici enzim, ubikuitini ATP kullanarak aktive eder. E2 ubikuitin taşıyıcı enzim, aktive ubikuitini taşır. E3 ubikuitin ligaz, hedef proteinin seçilmesini sağlar ve ubikuitinin hedef proteine aktarılmasında özgüllüğü belirler. E3 ligazların çeşitliliği, bu sistemin çok sayıda farklı proteini seçici biçimde yıkabilmesini sağlar. (PMC)

26S proteazom, ubikuitinlenmiş proteinlerin yıkımından sorumlu temel komplekstir. 19S düzenleyici kapak, ubikuitinlenmiş proteini tanır, deubikuitinasyon ve protein açılmasını sağlar; 20S katalitik çekirdek ise proteolitik kesimi gerçekleştirir. Deubikuitinazlar, ubikuitin zincirlerinin geri kazanılmasına ve ubikuitin havuzunun korunmasına katkıda bulunur. (PMC)

Otofaji yolunda ULK1 kompleksi, Beclin-1/VPS34 kompleksi, ATG proteinleri, LC3-I/LC3-II dönüşümü ve p62/SQSTM1 gibi adaptör proteinler görev alır. LC3-II otofagozom membranı ile ilişkilidir; p62/SQSTM1 ise ubikuitinlenmiş yükleri LC3 üzerinden otofagozoma bağlayarak seçici otofajide rol oynar. (PMC)

Lizozomal protein yıkımında katepsin B, D ve L gibi lizozomal proteazlar proteinlerin parçalanmasında görev alır. LAMP-1 ve LAMP-2 lizozomal membran bütünlüğü ve işlevi açısından önemlidir. ERAD yolunda ise yanlış katlanmış proteinlerin tanınması, retrotranslokasyonu, ubikuitinlenmesi ve proteazoma aktarılması için ER kalite kontrol proteinleri, retrotranslokon bileşenleri, E3 ligazlar ve proteazom birlikte çalışır. (PMC)

Klinik Önemi

Protein yıkımının klinik önemi, proteostaz bozuklukları, kas kaybı, nörodejeneratif hastalıklar, kanser biyolojisi, ER stresi ve lizozomal depo hastalıkları üzerinden belirginleşir. Protein yıkımı yetersiz olduğunda yanlış katlanmış veya agregat oluşturan proteinler birikebilir; aşırı olduğunda ise kas ve doku proteinleri kaybedilebilir. Bu nedenle protein yıkımı hem eksik hem de aşırı olduğunda patolojik sonuçlar doğurabilir. (PMC)

Sarkopeni, kaşeksi, immobilizasyon ve kronik inflamasyonda kas protein yıkımı artabilir. Özellikle iskelet kasında ubikuitin-proteazom sistemi, kas atrofisiyle ilişkili temel proteolitik yollardan biridir. Otofaji de hasarlı organellerin uzaklaştırılması için gerekli olmakla birlikte, kontrolsüz aktivasyon veya yetersiz otofajik akış kas fonksiyonunu olumsuz etkileyebilir. (PMC)

Nörodejeneratif hastalıklarda protein agregatlarının temizlenememesi önemli bir patobiyolojik mekanizmadır. Alzheimer, Parkinson, Huntington ve ALS gibi hastalıklarda proteazom, otofaji ve lizozomal yıkım kapasitesindeki bozulmalar protein kalite kontrolünü etkileyebilir. Bu süreçlerde protein yıkım sistemleri hem koruyucu hem de hastalık ilerlemesinde rol oynayan karmaşık mekanizmalarla ilişkilidir. (PMC)

Kanser biyolojisinde protein yıkım yolları hücre döngüsü, apoptoz, DNA hasarı yanıtı ve onkoprotein düzeylerinin düzenlenmesi açısından önemlidir. Proteazom inhibitörleri bazı hematolojik malignitelerde tedavi yaklaşımı olarak kullanılmaktadır; bu durum ubikuitin-proteazom sisteminin farmakolojik olarak hedeflenebilir olduğunu gösterir. (jcpjournal.org)

Metabolik Aktiviteyi Artıran Koşullar

Protein yıkımı açlık, amino asit azalması, enerji yetersizliği, oksidatif stres, inflamasyon, sepsis, travma, yanık, immobilizasyon, glukokortikoid artışı, ER stresi ve yanlış katlanmış protein birikimi gibi durumlarda artabilir. Bu artış, hücrenin hasarlı proteinleri temizlemesine, amino asit geri kazanmasına ve stres koşullarına uyum sağlamasına yardımcı olabilir. (PMC)

Ubikuitin-proteazom sistemi özellikle kısa ömürlü düzenleyici proteinlerin hızlı uzaklaştırılması, hücre döngüsü kontrolü, transkripsiyon faktörlerinin düzenlenmesi ve yanlış katlanmış proteinlerin temizlenmesi gerektiğinde aktifleşir. ERAD da ER’de yanlış katlanmış protein yükü arttığında devreye girer. (PMC)

Otofaji-lizozomal yıkım açlık, enerji stresi, organel hasarı ve protein agregasyonu durumlarında artabilir. mTORC1 baskılanması ve ULK1 aktivasyonu otofaji başlangıcında önemlidir; buna karşılık sürekli veya kontrolsüz otofaji doku kaybı ve hücresel stresle ilişkili olabilir. (PMC)

Metabolik Aktiviteyi Azaltan Koşullar

Protein yıkımı; proteazom fonksiyon bozukluğu, ATP yetersizliği, ubikuitinasyon enzimlerindeki defektler, lizozomal pH bozukluğu, lizozomal hidrolaz eksiklikleri, otofagozom-lizozom füzyon kusurları veya ERAD bileşenlerindeki bozukluklar nedeniyle azalabilir. Bu durumda yanlış katlanmış proteinler, protein agregatları, hasarlı organeller veya düzenleyici proteinler hücre içinde birikebilir. (PMC)

Besin bolluğu, amino asit fazlalığı ve güçlü anabolik sinyaller mTORC1 aktivasyonunu artırarak otofajiyi baskılayabilir. Bu baskılanma fizyolojik koşullarda normaldir; ancak kronik proteostaz sorunları olan hücrelerde yıkım kapasitesinin yetersiz kalmasına katkıda bulunabilir. (PMC)

Yaşlanma ve bazı kronik hastalıklarda proteazom ve otofaji-lizozom sistemlerinin etkinliği azalabilir. Bu azalma, protein agregasyonu, mitokondriyal kalite kontrol bozukluğu ve hücresel stresin artmasıyla ilişkilendirilebilir. Ancak protein yıkımının tamamen baskılanması da zararlıdır; çünkü yıkım sistemi hücre içi kalite kontrolün temel parçasıdır. (PMC)

Laboratuvar Yorumu

Protein yıkımı klinik laboratuvarda tek bir parametreyle doğrudan ölçülmez. Üre/BUN, amino asit katabolizması ve azot atılımı hakkında dolaylı bilgi verir; ancak böbrek fonksiyonu, hidrasyon, protein alımı, gastrointestinal kanama ve karaciğer fonksiyonundan etkilenir. İdrar azotu ve azot dengesi, özellikle yoğun bakım, travma, yanık ve klinik beslenme takibinde protein alımı ile protein yıkımı arasındaki ilişkiyi değerlendirmede kullanılabilir.

Kreatin kinaz, kas hücre hasarı ve kas membran bütünlüğünün bozulması hakkında bilgi verir; ancak doğrudan protein yıkımı miktarını ölçmez. Yoğun egzersiz, travma, rabdomiyoliz, inflamatuvar miyopatiler ve bazı ilaçlar CK düzeyini artırabilir. CRP ve diğer inflamasyon belirteçleri, protein yıkımı yorumunda önemlidir; çünkü inflamasyon katabolik sinyalleri artırabilir ve albumin/prealbumin gibi negatif akut faz proteinlerinin düzeyini düşürebilir.

Serum albumin ve prealbumin, protein sentezi, inflamasyon, sıvı dengesi ve karaciğer fonksiyonu ile ilişkilidir; ancak protein yıkımını doğrudan göstermez. Düşük albumin veya prealbumin, malnütrisyon dışında inflamasyon, kapiller kaçak, karaciğer hastalığı, böbrek veya bağırsak kaybı ve sıvı yüklenmesiyle de ilişkili olabilir. Bu nedenle laboratuvar sonuçları klinik tablo, beslenme öyküsü, kas kütlesi, böbrek-karaciğer fonksiyonları ve inflamasyon göstergeleriyle birlikte yorumlanmalıdır.

Araştırma düzeyinde protein yıkımı değerlendirmesinde ubikuitinlenmiş protein birikimi, proteazom aktivitesi, LC3-II/LC3-I oranı, p62/SQSTM1, katepsin aktivitesi, kas biyopsisi, proteomik analizler ve izotop izleme yöntemleri kullanılabilir. Ancak bu testler rutin klinik biyokimya değerlendirmesinin parçası değildir ve sonuçlar yöntemsel bağlama göre yorumlanmalıdır. (PMC)

Kısaltmalar ve Açılımları

UPS: Ubikuitin-proteazom sistemi
Ub: Ubikuitin
E1: Ubikuitin aktive edici enzim
E2: Ubikuitin taşıyıcı enzim
E3: Ubikuitin ligaz
DUB: Deubikuitinaz
26S Proteazom: Ubikuitinlenmiş proteinleri yıkan proteazom kompleksi
19S: Proteazomun düzenleyici kapağı
20S: Proteazomun katalitik çekirdeği
ER: Endoplazmik retikulum
ERAD: Endoplazmik retikulum ilişkili protein yıkımı
UPR: Katlanmamış protein yanıtı
LC3: Microtubule-associated protein 1 light chain 3
LC3-I: Sitozolik LC3 formu
LC3-II: Otofagozom membranına bağlı lipidlenmiş LC3 formu
ATG: Otofaji ilişkili gen/proteinler
ULK1: Otofaji başlangıcında görev alan kinaz
VPS34: Sınıf III fosfatidilinozitol 3-kinaz
p62 / SQSTM1: Seçici otofaji adaptör proteini
LAMP-2: Lizozom ilişkili membran proteini 2
mTORC1: Mechanistic Target of Rapamycin Complex 1
AMPK: AMP ile aktive olan protein kinaz
BUN: Kan üre azotu
CK: Kreatin kinaz
CRP: C-reaktif protein

Kaynakça

1. Ciechanover A. The ubiquitin-proteasome pathway: the complexity and myriad functions of proteins death. Proceedings of the National Academy of Sciences. (PMC)
2. Wu X, Rapoport TA. Mechanistic insights into ER-associated protein degradation. (PMC)
3. Singh A, et al. The dependency of autophagy and ubiquitin proteasome system in protein quality control. (PMC)
4. Dossou AS, Basu A. The Emerging Roles of mTORC1 in Macromanaging Autophagy. (PMC)
5. Pang XS, et al. Ubiquitin-proteasome pathway in skeletal muscle atrophy. (PMC)
6. Nakatsukasa K, Brodsky JL. The recognition and retrotranslocation of misfolded proteins in ERAD. (PMC)
7. Kocaturk NM, Gozuacik D. Crosstalk between mammalian autophagy and the ubiquitin-proteasome system. (PMC)
8. Jang HH. Regulation of Protein Degradation by Proteasomes in Cancer. (jcpjournal.org)