Translasyon

Tanım ve Kapsam

Translasyon, haberci RNA üzerinde bulunan nükleotid dizisinin ribozom tarafından okunarak belirli bir amino asit dizisine dönüştürülmesi sürecidir. Protein kodlayan bir genin DNA dizisi önce transkripsiyonla mRNA’ya aktarılır; mRNA’daki kodonlar daha sonra translasyon sırasında polipeptit dizisine çevrilir:

DNA → Transkripsiyon → mRNA → Translasyon → Polipeptit → İşlevsel protein

Translasyonun temel bileşenleri mRNA, ribozom, taşıyıcı RNA, amino asitler, aminoasil-tRNA sentetazlar ile başlatma, uzama, sonlandırma ve ribozom geri dönüşüm faktörleridir. Süreç yalnızca amino asitlerin art arda bağlanmasından ibaret değildir; doğru başlangıç kodonunun seçilmesi, kodon-antikodon eşleşmesinin denetlenmesi, peptit bağının oluşturulması ve tamamlanmış polipeptidin serbest bırakılması eş güdümlü biçimde gerçekleştirilir. Ökaryotik translasyon başlatma, uzama, sonlandırma ve ribozomun geri dönüştürülmesi olmak üzere dört temel evrede incelenir. (Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi)

Genetik kod, mRNA üzerinde üçlü nükleotid dizileri olan kodonlarla ifade edilir. Altmış bir kodon amino asitleri kodlarken UAA, UAG ve UGA standart koşullarda durdurma kodonu olarak görev yapar. AUG çoğunlukla başlangıç kodonudur ve ökaryotik sitozolik translasyonda metiyonini kodlar. Genetik kod büyük ölçüde evrensel olmakla birlikte mitokondriyal genomlarda ve bazı organizmalarda sınırlı kodon anlamı farklılıkları bulunabilir.

Translasyon sitozolde serbest ribozomlarda, granüllü endoplazmik retikuluma bağlı ribozomlarda ve mitokondrilerde gerçekleşebilir. Bir proteinin sentezlendiği ribozomun konumu, proteinin son hedefiyle ilişkilidir. Sitozol, çekirdek, peroksizom veya mitokondriye gidecek proteinlerin önemli bir bölümü serbest ribozomlarda sentezlenmeye başlarken salgılanacak, lizozoma gönderilecek veya hücre zarına yerleştirilecek proteinlerin sentezi sinyal tanıma parçacığı aracılığıyla endoplazmik retikuluma yönlendirilir.

Temel Kavramlar

Kodon, mRNA üzerinde bir amino asidi veya translasyonun sonlanmasını belirleyen üç nükleotidlik dizidir.

Antikodon, tRNA üzerinde bulunan ve mRNA kodonuyla tamamlayıcı baz eşleşmesi kuran üç nükleotidlik bölgedir.

Okuma çerçevesi, mRNA dizisinin üçlü kodonlar hâlinde hangi başlangıç noktasından okunduğunu ifade eder. Bir nükleotidlik kayma, sonraki bütün kodonların değişmesine neden olabilir.

Açık okuma çerçevesi, başlangıç kodonundan uygun durdurma kodonuna kadar kesintisiz olarak uzanan ve polipeptit kodlama potansiyeli bulunan dizidir.

Aminoasil-tRNA, özgül amino asidin aminoasil-tRNA sentetaz tarafından uygun tRNA’nın 3′ ucuna bağlanmasıyla oluşan yüklü tRNA’dır.

Başlatıcı tRNA, başlangıç kodonunu tanıyan özel tRNA’dır. Ökaryotik sitozolik translasyonda metiyonin taşıyan tRNAiMet, bakterilerde ise N-formilmetiyonin taşıyan tRNAfMet kullanılır.

Polizom, aynı mRNA üzerinde eş zamanlı olarak ilerleyen birden fazla ribozomdan oluşan yapıdır. Polizom oluşumu, tek bir mRNA’dan kısa sürede çok sayıda protein molekülü sentezlenmesini sağlar.

Çeviri doğruluğu, doğru aminoasil-tRNA’nın uygun kodona seçilmesi ve yanlış amino asit katılımının en aza indirilmesidir.

Kodon kullanım eğilimi, eş anlamlı kodonların farklı sıklıklarda kullanılmasını ifade eder. tRNA bolluğu, mRNA yapısı ve hücre tipi gibi etkenlerle birlikte translasyon hızını ve protein katlanmasını etkileyebilir.

Moleküler Yapı ve Bileşenler

Ökaryotik sitozolik ribozom, küçük 40S ve büyük 60S alt birimlerinden oluşan 80S ribonükleoprotein kompleksidir. Bakteriyel ribozom ise 30S ve 50S alt birimlerinden oluşan 70S yapıdadır. Buradaki S değerleri Svedberg sedimentasyon katsayısını gösterdiğinden aritmetik olarak toplanmaz. Ribozomun işlevsel merkezinin önemli bölümü ribozomal RNA tarafından oluşturulur; peptit bağını katalizleyen peptidil transferaz merkezi, büyük alt birimin rRNA bileşeninde yer alır. Ribozom bu nedenle RNA’nın katalitik görev üstlendiği bir ribozim özelliği taşır. Ribozomal hareketler ve translasyon faktörleri arasındaki dinamik etkileşimler, kodon çözümleme ile tRNA ve mRNA translokasyonunun yüksek doğrulukla gerçekleşmesini sağlar. (PubMed)

Ribozom üzerinde üç temel tRNA bağlanma bölgesi bulunur:

• A bölgesi: Yeni aminoasil-tRNA’nın ribozoma giriş yaptığı aminoasil bölgesidir.
• P bölgesi: Büyüyen polipeptit zincirini taşıyan peptidil-tRNA’nın bulunduğu bölgedir.
• E bölgesi: Amino asidini bırakmış tRNA’nın ribozomdan ayrıldığı çıkış bölgesidir.

tRNA molekülleri yaklaşık 70–90 nükleotid uzunluğunda, çok sayıda modifiye baz içeren RNA’lardır. İkincil yapıları yonca yaprağına, üç boyutlu yapıları ise L harfine benzer. Amino asit, bütün tRNA’larda korunan 3′-CCA ucundaki terminal adenozinin ribozuna ester bağıyla bağlanır. Antikodon halkası mRNA kodonunu tanırken alıcı kol amino asidi taşır.

Aminoasil-tRNA sentetazlar, her amino asidi kendisine uygun tRNA’ya bağlayarak genetik kod ile amino asit kimyası arasındaki bağlantıyı kurar. Bu enzimlerin önemli bir bölümü yanlış amino asit veya yanlış tRNA seçimini düzelten düzenleme bölgelerine sahiptir. İnsanlarda sitozolik ve mitokondriyal translasyon için farklı aminoasil-tRNA sentetaz sistemleri bulunur; bu enzimleri kodlayan genlerdeki patojenik varyantlar nörolojik ve multisistem hastalıklarla ilişkilidir. (Frontiers)

Ökaryotik olgun mRNA’nın translasyonla ilişkili temel bileşenleri şunlardır:

mRNA’nın 5′ başlığındaki eIF4E ile poli-A kuyruğundaki PABP arasında eIF4G aracılığıyla kurulan işlevsel etkileşim, mRNA’nın kapalı halka benzeri bir yapı kazanmasına katkıda bulunur. Bu organizasyon ribozomların yeniden kullanılması, mRNA kararlılığı ve translasyon başlangıcının verimliliğiyle ilişkilidir.

Biyokimyasal / Moleküler Mekanizma

tRNA’nın amino asitle yüklenmesi

Translasyon başlamadan önce her amino asidin doğru tRNA’ya bağlanması gerekir. Bu işlem iki basamakta gerçekleşir:

Amino asit + ATP → Aminoasil-AMP + PPi

Aminoasil-AMP + tRNA → Aminoasil-tRNA + AMP

ATP’nin AMP ve pirofosfata kadar parçalanması iki yüksek enerjili fosfat bağının tüketilmesine eşdeğerdir. Amino asit ile tRNA arasında oluşan yüksek enerjili ester bağı, daha sonra peptit bağı sentezinin yürütülmesine katkıda bulunur. Aminoasil-tRNA sentetazların özgüllüğü ve düzeltme etkinliği, translasyon doğruluğunun ilk kontrol basamağını oluşturur. (PubMed)

Başlatma

Ökaryotik translasyon başlangıcında eIF2, GTP ve başlatıcı Met-tRNAiMet bir üçlü kompleks oluşturur. Bu kompleks, 40S ribozomal alt birim ve diğer başlatma faktörleriyle birleşerek 43S ön başlatma kompleksini meydana getirir.

eIF2-GTP + Met-tRNAiMet → Üçlü kompleks

Üçlü kompleks + 40S alt birim + eIF’ler → 43S ön başlatma kompleksi

mRNA’nın 5′ başlığı eIF4F kompleksi tarafından tanınır. eIF4F; başlık bağlayıcı eIF4E, iskele proteini eIF4G ve RNA helikazı eIF4A’dan oluşur. 43S kompleksinin mRNA’ya alınmasıyla 48S başlangıç kompleksi oluşur. Küçük alt birim mRNA üzerinde 5′ uçtan 3′ yöne doğru ilerleyerek uygun başlangıç kodonunu arar. İnsan hücrelerinde bu süreç, 43S ön başlatma kompleksinin eIF4F aracılığıyla mRNA’nın 5′ ucuna alınması ve başlangıç kodonuna kadar tarama yapması temelinde gerçekleşir. (Nature)

43S kompleks + mRNA → 48S tarama kompleksi → AUG tanınması

Başlangıç kodonunun çevresindeki Kozak dizisi, AUG’nin tanınma verimliliğini etkiler. Uygun kodon-antikodon eşleşmesi eIF2’ye bağlı GTP hidrolizini ve başlatma faktörlerinin ayrılmasını tetikler. eIF5B, 60S alt birimin katılmasına yardımcı olur ve uzamaya hazır 80S ribozom oluşturulur:

48S başlangıç kompleksi + 60S alt birim → 80S başlatma kompleksi

Başlatıcı tRNA doğrudan P bölgesine yerleşir. Bu özellik, uzama sırasında yeni aminoasil-tRNA’ların önce A bölgesine girmesinden farklıdır.

Uzama

Uzama, aminoasil-tRNA seçimi, peptit bağı oluşumu ve translokasyon aşamalarının tekrarlanmasıyla gerçekleşir.

Aminoasil-tRNA seçimi: Uygun aminoasil-tRNA, eEF1A-GTP kompleksi tarafından ribozomun A bölgesine taşınır. Kodon-antikodon eşleşmesi doğruysa ribozom eEF1A’nın GTPaz aktivitesini uyarır. GTP hidrolizinden sonra eEF1A ayrılır ve tRNA A bölgesine tam olarak yerleşir.

Aminoasil-tRNA + eEF1A-GTP → A bölgesine giriş → Kodon tanıma → GTP hidrolizi

Peptit bağı oluşumu: P bölgesindeki tRNA’ya bağlı polipeptit zinciri, A bölgesindeki aminoasil-tRNA’nın amino grubuna aktarılır. Reaksiyon büyük ribozomal alt birimdeki peptidil transferaz merkezi tarafından katalizlenir:

Peptidil-tRNA + Aminoasil-tRNA → Uzamış peptidil-tRNA + Deaçil-tRNA

Polipeptit zinciri böylece P bölgesindeki tRNA’dan A bölgesindeki tRNA’ya aktarılmış olur.

Translokasyon: eEF2-GTP ribozoma bağlanır ve GTP hidroliziyle ribozomun mRNA üzerinde bir kodon ilerlemesini sağlar. Peptidil-tRNA A bölgesinden P bölgesine, amino asidini bırakmış tRNA ise P bölgesinden E bölgesine geçer.

A bölgesi → P bölgesi
P bölgesi → E bölgesi
Ribozom → mRNA üzerinde üç nükleotid ilerleme

E bölgesindeki boş tRNA ribozomdan ayrılır ve A bölgesi yeni aminoasil-tRNA’nın girişine hazır hâle gelir. Bu döngü durdurma kodonuna ulaşılıncaya kadar tekrarlanır. Ribozomun yapısal değişimleri, tRNA seçimi ve translokasyonun hem hızlı hem de yüksek doğrulukla yürütülmesini sağlar. (PubMed)

Sonlandırma

Durdurma kodonları için aminoasil-tRNA bulunmaz. UAA, UAG veya UGA A bölgesine geldiğinde ökaryotik salıverme faktörü eRF1 kodonu tanır. eRF3-GTP, eRF1’in ribozomda işlev görmesini destekler. eRF1, peptidil-tRNA bağının su kullanılarak hidroliz edilmesini sağlar:

Peptidil-tRNA + H₂O → Serbest polipeptit + tRNA

Polipeptit ribozomdan serbest bırakıldıktan sonra ABCE1 ve ilişkili faktörler 80S ribozomun 40S ve 60S alt birimlerine ayrılmasına katkıda bulunur. mRNA, tRNA ve ribozomal alt birimler yeni translasyon döngülerinde kullanılabilir. (Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi)

Protein katlanması ve hedeflenmesi

Ribozomdan çıkan polipeptit zinciri sentez sırasında katlanmaya başlayabilir. HSP70 ailesi şaperonlar ve şaperonin kompleksleri hidrofobik bölgelerin uygunsuz etkileşimini sınırlandırır. Bazı proteinler disülfit bağı oluşumu, glikozilasyon, proteolitik kesilme, fosforilasyon veya lipid eklenmesi gibi posttranslasyonel değişikliklerden sonra işlevsel hâle gelir.

Salgı proteinleri ile zar ve lizozom proteinleri, sentezin erken döneminde ortaya çıkan sinyal peptidi aracılığıyla sinyal tanıma parçacığı tarafından tanınır. SRP, translasyonu geçici olarak yavaşlatır ve ribozom-polipeptit kompleksini endoplazmik retikulum zarındaki SRP reseptörü ile translokon kanalına yönlendirir. Translasyon daha sonra protein zincirinin endoplazmik retikulum lümenine veya zarına aktarılmasıyla birlikte devam eder.

Metabolizma / Fizyoloji

Translasyon, hücrenin en yüksek enerji tüketen biyosentetik süreçlerinden biridir. Her amino asidin tRNA’ya bağlanması sırasında ATP’nin AMP’ye hidrolizi iki yüksek enerjili bağ tüketir. Aminoasil-tRNA’nın A bölgesine getirilmesinde bir GTP, translokasyonda ise bir GTP kullanılır. Bu nedenle her amino asidin polipeptide katılması için, başlatma ve sonlandırma maliyetleri hariç, en az dört yüksek enerjili fosfat bağının kullanıldığı kabul edilir.

Amino asit + tRNA + ATP → Aminoasil-tRNA
Aminoasil-tRNA’nın ribozoma getirilmesi → GTP tüketimi
Ribozom translokasyonu → GTP tüketimi

Protein sentezi; amino asit havuzu, hücresel enerji durumu, ribozom sayısı, tRNA yüklenmesi ve mRNA bulunabilirliğiyle ilişkilidir. Amino asit yetersizliğinde yüksüz tRNA’lar birikir ve GCN2 kinazını etkinleştirerek genel translasyonu azaltan stres yanıtını başlatabilir. Buna karşılık amino asit, büyüme faktörü ve enerji yeterliliği mTORC1 sinyali üzerinden protein sentezini destekler. mTORC1’in translasyon üzerindeki temel etkileri 4E-BP proteinleri ve S6 kinazı üzerinden yürütülür. (PubMed)

Beslenme sonrasında insülin ve amino asit sinyalleri, özellikle iskelet kasında mTORC1 etkinliğini ve kas protein sentezini artırabilir. Açlıkta, ağır enerji yetersizliğinde veya hücresel streste AMPK ve stres yanıtı yolları anabolik protein sentezini sınırlandırır. Bu düzenleme, ATP ve amino asitlerin yaşamsal süreçlere yönlendirilmesini sağlar.

Protein sentezi ile protein yıkımı arasındaki denge protein döngüsünü belirler:

Protein sentezi − Protein yıkımı = Net protein dengesi

Sentezin yıkımdan fazla olması büyüme ve doku kazanımını, yıkımın sentezden fazla olması ise protein kaybını destekler. Kas dokusunda net protein dengesi; beslenme, fiziksel aktivite, hormonlar, inflamasyon, yaşlanma ve hastalık durumlarından etkilenir.

Düzenlenme Mekanizmaları

Translasyonun en güçlü düzenleme noktası çoğunlukla başlatma evresidir. Hücre, ribozomların mRNA’ya alınmasını değiştirerek genel protein sentezini veya belirli mRNA’ların translasyonunu hızlı biçimde kontrol edebilir.

mTORC1–4E-BP sistemi

Aktif olmayan koşullarda 4E-BP proteinleri eIF4E’ye bağlanarak eIF4F kompleksinin kurulmasını engeller. Besin ve büyüme sinyalleriyle etkinleşen mTORC1, 4E-BP’leri fosforile eder. Fosforile 4E-BP eIF4E’den ayrılır ve başlığa bağımlı translasyon başlatılması kolaylaşır:

mTORC1 aktivasyonu → 4E-BP fosforilasyonu → eIF4E’nin serbestleşmesi → eIF4F oluşumu → Translasyon artışı

mTORC1 ayrıca S6K üzerinden ribozom biyogenezi, başlatma faktörleri ve translasyon kapasitesiyle ilişkili proteinleri düzenler. Bu yolun aşırı etkinliği hücresel büyüme ve kanserde artmış protein senteziyle ilişkilendirilebilir. (PubMed)

Bütünleşik stres yanıtı

Farklı hücresel stresler, eIF2α’nın Ser51 kalıntısını fosforile eden dört temel kinazı etkinleştirir:

• GCN2: Amino asit yetersizliği ve yüksüz tRNA birikimi
• PERK: Endoplazmik retikulum stresi
• PKR: Çift zincirli RNA ve antiviral yanıt
• HRI: Hem eksikliği ve bazı oksidatif stresler

eIF2α fosforilasyonu, eIF2B’nin nükleotid değişim etkinliğini azaltır. Sonuçta eIF2-GTP oluşumu ve başlatıcı tRNA’nın ribozoma taşınması azalır:

Stres → eIF2α fosforilasyonu → eIF2B inhibisyonu → Üçlü kompleks azalması → Genel translasyonun baskılanması

Genel protein sentezi azalmasına rağmen ATF4 gibi bazı mRNA’ların translasyonu, 5′ UTR’lerinde bulunan düzenleyici üst akım açık okuma çerçeveleri nedeniyle artabilir. Böylece hücre amino asit metabolizması, antioksidan savunma ve stres uyumuyla ilişkili gen programlarını etkinleştirir. Stres uzar ve uyum sağlanamazsa CHOP gibi faktörler hücre ölümüne katkıda bulunabilir. (PubMed)

mRNA’ya özgü düzenleme

5′ UTR’de bulunan ikincil RNA yapıları, üst akım başlangıç kodonları ve uORF’ler ribozomal taramayı etkileyebilir. Demir metabolizmasında IRP proteinlerinin demir yanıt elemanlarına bağlanması, ferritin ve transferrin reseptörü gibi proteinlerin sentezini demir düzeyine göre düzenler.

MikroRNA’lar Argonaute içeren RISC kompleksi aracılığıyla çoğunlukla mRNA’nın 3′ UTR’sine bağlanır. Bu bağlanma translasyonun baskılanmasına, poli-A kuyruğunun kısalmasına ve mRNA yıkımına neden olabilir.

mRNA’nın hücre içindeki konumu da translasyonu düzenler. Belirli mRNA’ların dendritlere, aksonlara, hücre kutuplarına veya organel yüzeylerine taşınması, proteinin gerekli olduğu yerde sentezlenmesini sağlar.

Ribozom ilişkili kalite kontrolü

Hasarlı mRNA, güçlü ikincil yapı, nadir kodon kümeleri veya sorunlu polipeptit dizileri ribozomun durmasına neden olabilir. Ardışık ribozomların çarpışması kalite kontrol sistemleri tarafından algılanır. Ribozom ilişkili kalite kontrol sistemi durmuş kompleksleri ayırır; hatalı mRNA’yı yıkıma, tamamlanmamış polipeptidi ise ubikuitin-proteazom sistemine yönlendirir. No-go decay durmuş ribozom içeren mRNA’ları, non-stop decay doğal durdurma kodonu bulunmayan mRNA’ları, nonsense-mediated decay ise uygun bağlamdaki erken durdurma kodonlarını hedefler. (PubMed)

Görev Alan Enzimler, Proteinler ve Kofaktörler

Magnezyum iyonları ribozom yapısının ve RNA etkileşimlerinin kararlılığında önemlidir. ATP, aminoasil-tRNA sentezinde ve şaperon sistemlerinde; GTP ise başlatma, aminoasil-tRNA seçimi, translokasyon ve sonlandırmada kullanılır.

Doku, Organ ve Hücresel Dağılım

Translasyon bütün canlı hücrelerde gerçekleşir; ancak protein sentez hızı ve sentezlenen proteinlerin türü hücreye göre farklıdır. Yoğun salgı yapan plazma hücreleri, pankreas asiner hücreleri ve hepatositlerde granüllü endoplazmik retikulum ile ribozom sayısı fazladır.

Hepatositlerde albumin, apolipoproteinler, pıhtılaşma faktörleri ve metabolik enzimler yüksek miktarda sentezlenir. Pankreas beta hücrelerinde proinsülin sentezi glukoz ve hormon sinyalleriyle düzenlenir. İskelet kasında kontraktil protein sentezi beslenme, fiziksel aktivite, mekanik yük ve hormonal durumdan etkilenir.

Eritroid öncül hücrelerde hemoglobin sentezi protein üretiminin büyük bölümünü oluşturur. Hem eksikliğinde HRI kinazı eIF2α’yı fosforile ederek globin sentezini azaltır. Bu düzenleme, globin zincirlerinin hem olmadan birikmesini ve hücre için toksik agregatlar oluşturmasını sınırlar.

Nöronlarda protein sentezi yalnızca hücre gövdesinde gerçekleşmez. Dendrit ve aksonlara taşınan mRNA’ların yerel translasyonu sinaptik plastisite, öğrenme, hafıza ve aksonal yanıtlar açısından önemlidir.

Olgun eritrositler çekirdek ve ribozomlarını kaybettiği için yeni protein sentezleyemez. Retikülositler ise olgunlaşma sürecinde kalan ribozomları ve mRNA’ları kullanarak bir süre daha hemoglobin sentezine devam eder.

Mitokondriler, mitokondriyal DNA tarafından kodlanan sınırlı sayıdaki oksidatif fosforilasyon proteininin sentezi için kendi mitoribozomlarına sahiptir. Memeli mitoribozomu yapısal olarak sitozolik ribozomdan farklıdır ve mitokondriye özgü translasyon faktörleri kullanır. Mitokondriyal proteinlerin büyük çoğunluğu ise nükleer genler tarafından kodlanır, sitozolik ribozomlarda sentezlenir ve mitokondriye aktarılır.

Biyolojik Fonksiyonlar

Translasyonun başlıca biyolojik işlevleri şunlardır:

• Enzimlerin sentezlenmesi
• Hücresel yapı proteinlerinin oluşturulması
• Hormon ve büyüme faktörlerinin üretilmesi
• Reseptör, kanal ve taşıyıcı proteinlerin sentezi
• Antikor ve kompleman proteinlerinin oluşturulması
• Kasılma proteinlerinin yenilenmesi
• DNA replikasyonu ve onarım proteinlerinin üretilmesi
• Hücre döngüsü ve apoptoz düzenleyicilerinin sentezi
• Hücre dışı matriks bileşenlerinin oluşturulması
• Sinaptik plastisite ve hafıza için gerekli proteinlerin üretilmesi
• Hücresel stres yanıtlarının yürütülmesi
• Doku büyümesi, yenilenmesi ve yara iyileşmesinin desteklenmesi

Proteinlerin önemli bir bölümü sentezden sonra katlanma, hedeflenme ve kimyasal değişikliklerden geçer. Bu nedenle biyolojik olarak etkin protein oluşumu şu genel akışla ifade edilebilir:

mRNA translasyonu → Polipeptit sentezi → Katlanma → Posttranslasyonel değişiklik → Hücresel hedefe taşınma → İşlevsel protein

Klinik ve Patofizyolojik Önemi

Translasyonun bozulması, protein sentezinin genel olarak azalmasına veya belirli protein gruplarının seçici biçimde etkilenmesine neden olabilir. Ribozomal proteinler, rRNA işlenmesi veya ribozom biyogeneziyle ilişkili genlerdeki bozukluklar ribozomopati olarak adlandırılan hastalık grubuna yol açar. Bu hastalıklar bütün hücrelerde gerekli olan bir sistemi etkilemesine rağmen kemik iliği, kraniyofasiyal yapılar veya pankreas gibi belirli dokularda daha ağır fenotip oluşturabilir. Bu doku seçiciliğinde p53 aracılı nükleolar stres, hücre tipine özgü protein gereksinimi ve belirli mRNA’ların seçici translasyon bozukluğu rol oynayabilir. (PubMed)

Aminoasil-tRNA sentetaz genlerindeki varyantlar, tRNA yüklenmesini ve bazı durumlarda enzimin translasyon dışı işlevlerini bozabilir. Klinik sonuçlar periferik nöropati, epileptik ensefalopati, gelişimsel gecikme, lökodistrofi, kardiyomiyopati veya karaciğer hastalığı biçiminde ortaya çıkabilir. Aynı temel biyokimyasal görevi yerine getiren sentetazlardaki bozuklukların farklı dokuları etkilemesi, hastalık mekanizmalarının yalnızca toplam protein sentezi azalmasıyla açıklanamadığını göstermektedir. (PubMed Central (PMC))

eIF2B alt birimlerini kodlayan genlerdeki patojenik varyantlar, özellikle hücresel stres koşullarında translasyon kontrolünü bozar ve kaybolan beyaz cevher hastalığıyla ilişkilidir. Ateş, enfeksiyon veya travma gibi stresler nörolojik kötüleşmeyi tetikleyebilir.

Kanser hücrelerinde mTORC1, eIF4E, eIF4A ve ribozom biyogenezi yollarının aşırı etkinleşmesi büyüme, metabolik uyum ve hayatta kalmayla ilişkili proteinlerin sentezini artırabilir. Buna karşılık translasyonun aşırı baskılanması da tümör hücrelerinin stres koşullarına uyum sağlamasına yardımcı olabilir. Bu nedenle translasyon düzenleyicileri kanser tedavisinde araştırılan hedefler arasındadır.

Hatalı translasyon veya ribozom kalite kontrolünün yetersizliği, yanlış katlanmış ve agregasyona eğilimli proteinlerin birikmesine katkıda bulunabilir. Bu mekanizmalar bazı nörodejeneratif hastalıklarla ilişkilendirilmekle birlikte, insan hastalıklarındaki nedensellik ve yolakların göreceli katkısı hastalığa göre değişmektedir. (wires.onlinelibrary.wiley.com)

Eksiklik, Fazlalık ve Bozukluk Durumları

Amino asit yetersizliği, ilgili aminoasil-tRNA düzeyini azaltır ve yüksüz tRNA birikimini artırır. GCN2 etkinleşmesi genel translasyonu baskılarken amino asit kazanımı ve stres uyumuyla ilişkili genlerin ifade edilmesini destekler.

Ribozom eksikliği, protein sentez kapasitesini azaltır. Ribozomal protein haployetersizliği veya rRNA işlenme kusuru, nükleolar stres ve p53 aktivasyonuna neden olabilir.

Başlatma faktörü yetersizliği, ribozomların mRNA’ya alınmasını veya başlangıç kodonunun seçilmesini bozar. Etki bütün mRNA’larda eşit olmayabilir; uzun ve yapısal 5′ UTR taşıyan transkriptler daha fazla etkilenebilir.

Uzama kusuru, aminoasil-tRNA seçimi, peptit bağı oluşumu veya ribozom translokasyonundaki aksamalardan kaynaklanabilir. Ribozomların durması ve çarpışması, mRNA ve yeni polipeptidin kalite kontrol sistemleriyle yıkılmasına yol açabilir.

Sonlandırma kusuru, durdurma kodonunda okumanın devam etmesine veya polipeptidin ribozomdan ayrılamamasına neden olabilir. Kontrollü okuma devamı bazı genlerde fizyolojik olabilir; ancak uygunsuz biçimde artması anormal C-terminal uzantılar oluşturur.

Çerçeve kayması, üç nükleotidin katı olmayan insersiyon veya delesyonların mRNA kodon düzenini değiştirmesidir. Sonuçta varyantın aşağısındaki amino asit dizisi değişir ve çoğunlukla erken durdurma kodonu oluşur.

Nonsense varyant, kodlayıcı bir kodonu erken durdurma kodonuna dönüştürür. Uygun konumda bulunan erken durdurma kodonu nonsense-mediated mRNA yıkımını tetikleyebilir ve protein üretimini azaltabilir.

Protein sentezi fazlalığı, endoplazmik retikulum ve protein katlanma sistemlerinin kapasitesini aşabilir. Yanlış katlanmış protein birikimi, katlanmamış protein yanıtını ve hücresel stresi artırır.

mTORC1 aşırı aktivitesi, anabolik protein sentezini ve hücresel büyümeyi artırabilir. TSC1, TSC2 veya PTEN gibi negatif düzenleyicilerin kaybı bu yolun aşırı etkinleşmesine katkıda bulunabilir.

İlişkili Hastalıklar ve Klinik Tablolar

Beslenme, İlaç ve Çevresel Faktörlerle İlişki

Yeterli protein ve esansiyel amino asit alımı, protein sentezi için gerekli substratları sağlar. Özellikle lösin, mTORC1 sinyali ve kas protein senteziyle ilişkilidir. Bununla birlikte tek bir amino asidin etkisi toplam protein alımı, diğer esansiyel amino asitlerin bulunabilirliği, enerji dengesi, yaş ve fiziksel aktiviteden bağımsız değildir.

Uzun süreli enerji veya protein yetersizliğinde amino asit havuzu azalır, mTORC1 etkinliği baskılanır ve protein yıkımı artabilir. Ağır hastalık, inflamasyon ve travma sırasında sitokinler kas protein yıkımını artırırken karaciğerde akut faz proteinlerinin sentezini yeniden programlayabilir.

Demir yetersizliği hem sentezini sınırlar ve eritroid hücrelerde HRI–eIF2α yoluyla globin translasyonunu azaltabilir. Bu mekanizma, globin zincirlerinin heme göre aşırı üretilmesini önleyen fizyolojik bir kalite kontrolüdür.

Bakteriyel ve ökaryotik ribozomların yapısal farklılıkları bazı antibiyotiklerin bakteriyel translasyonu seçici biçimde hedeflemesini sağlar. Bununla birlikte seçicilik mutlak değildir; bazı ilaçlar mitokondriyal ribozomları veya insan hücrelerini etkileyerek toksisite oluşturabilir. Ribozom, klinikte kullanılan çok sayıda antibakteriyel ilacın temel hedeflerinden biridir. (PubMed)

Oksidatif stres, ısı stresi, viral enfeksiyon ve endoplazmik retikulum stresi eIF2α fosforilasyonu veya mTORC1 baskılanması üzerinden genel translasyonu azaltabilir. Bu yanıt başlangıçta koruyucu olabilir; ancak uzun süreli translasyon baskılanması hücre işlevinde kayıp ve doku hasarı oluşturabilir.

Kısaltmalar ve Açılımları

mRNA: Messenger RNA – Haberci RNA. Protein sentezinde ribozom tarafından okunan kodon dizisini taşıyan RNA’dır.

tRNA: Transfer RNA – Taşıyıcı RNA. Özgül amino asidi ribozoma taşıyan ve kodonu antikodonuyla tanıyan RNA’dır.

rRNA: Ribosomal RNA – Ribozomal RNA. Ribozomun yapısal ve katalitik temelini oluşturan RNA’dır.

AUG: Adenin–Urasil–Guanin. Çoğunlukla başlangıç kodonu olarak görev yapan ve metiyonini kodlayan mRNA üçlüsüdür.

UTR: Untranslated Region – Çevrilmeyen Bölge. mRNA’nın proteine çevrilmeyen ancak translasyon ve kararlılığı düzenleyen bölümüdür.

ORF: Open Reading Frame – Açık Okuma Çerçevesi. Başlangıç kodonundan durdurma kodonuna kadar uzanan protein kodlama potansiyelli dizidir.

uORF: Upstream Open Reading Frame – Üst Akım Açık Okuma Çerçevesi. Ana kodlayıcı bölgenin önünde bulunan ve translasyonu düzenleyebilen kısa okuma çerçevesidir.

aaRS: Aminoacyl-tRNA Synthetase – Aminoasil-tRNA Sentetaz. Amino asidi uygun tRNA’ya bağlayan enzimdir.

eIF: Eukaryotic Initiation Factor – Ökaryotik Başlatma Faktörü. Translasyon başlangıç kompleksinin kurulmasında görev alan protein grubudur.

eEF: Eukaryotic Elongation Factor – Ökaryotik Uzama Faktörü. Aminoasil-tRNA seçimi ve ribozom translokasyonunda görev alan faktörlerdir.

eRF: Eukaryotic Release Factor – Ökaryotik Salıverme Faktörü. Durdurma kodonlarını tanıyarak polipeptidin serbest bırakılmasını sağlar.

eIF4F: eIF4E, eIF4G ve eIF4A’dan oluşan, mRNA’nın 5′ başlığını tanıyan translasyon başlatma kompleksidir.

PABP: Poly(A)-Binding Protein – Poli-A Bağlayıcı Protein. mRNA’nın poli-A kuyruğuna bağlanarak kararlılık ve translasyonu destekler.

SRP: Signal Recognition Particle – Sinyal Tanıma Parçacığı. Sinyal peptidi taşıyan yeni proteinleri endoplazmik retikuluma yönlendirir.

mTORC1: Mechanistic Target of Rapamycin Complex 1 – Rapamisinin Mekanistik Hedefi Kompleks 1. Besin, enerji ve büyüme sinyallerini protein senteziyle ilişkilendiren kinaz kompleksidir.

4E-BP: eIF4E-Binding Protein – eIF4E Bağlayıcı Protein. eIF4E’ye bağlanarak başlığa bağımlı translasyonu baskılar.

GCN2: General Control Nonderepressible 2. Amino asit yetersizliğinde yüksüz tRNA’ları algılayan eIF2α kinazıdır.

PERK: Protein Kinase RNA-Like Endoplasmic Reticulum Kinase. Endoplazmik retikulum stresinde eIF2α’yı fosforile eder.

PKR: Protein Kinase R. Çift zincirli RNA ile etkinleşen ve antiviral translasyon baskılanmasına katkıda bulunan kinazdır.

HRI: Heme-Regulated Inhibitor. Özellikle eritroid hücrelerde hem düzeyine göre globin translasyonunu düzenleyen eIF2α kinazıdır.

ISR: Integrated Stress Response – Bütünleşik Stres Yanıtı. Farklı streslerin eIF2α fosforilasyonu üzerinden translasyonu yeniden programladığı hücresel yanıttır.

RQC: Ribosome-Associated Quality Control – Ribozom İlişkili Kalite Kontrolü. Durmuş ribozomları ve tamamlanmamış polipeptitleri tanıyan sistemdir.

NMD: Nonsense-Mediated mRNA Decay – Anlamsız Kodon Aracılı mRNA Yıkımı. Erken durdurma kodonu taşıyan uygun mRNA’ları hedefleyen kalite kontrol yoludur.

NGD: No-Go Decay. Uzama sırasında ribozomun durduğu mRNA’ları yıkıma yönlendiren mekanizmadır.

ATP: Adenozin Trifosfat. tRNA’nın amino asitle yüklenmesi ve protein katlanması gibi süreçlerde kullanılan enerji molekülüdür.

GTP: Guanozin Trifosfat. Translasyon başlangıcı, uzama, translokasyon ve sonlandırmada kullanılan enerji taşıyan nükleotiddir.

Kaynakça

1. Alberts, B., Heald, R., Johnson, A., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2022). Molecular biology of the cell (7th ed.). W. W. Norton & Company.
2. Berg, J. M., Gatto, G. J., Jr., Hines, J. K., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2023). Biochemistry (10th ed.). W. H. Freeman.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. C., Yaffe, M. B., & Amon, A. (2021). Molecular cell biology (9th ed.). W. H. Freeman.
4. Nelson, D. L., Cox, M. M., & Hoskins, A. A. (2021). Lehninger principles of biochemistry (8th ed.). W. H. Freeman.
5. Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M., & Losick, R. (2014). Molecular biology of the gene (7th ed.). Pearson.
6. Brito Querido, J., Díaz-López, I., & Ramakrishnan, V. (2024). The molecular basis of translation initiation and its regulation in eukaryotes. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 25(3), 168–186.
7. Blanchet, S., & Ranjan, N. (2022). Translation phases in eukaryotes. In Ribosome biogenesis: Methods and protocols (Methods in Molecular Biology, Vol. 2533, pp. 217–228). Humana Press.
8. Korostelev, A. A. (2022). The structural dynamics of translation. Annual Review of Biochemistry, 91, 245–267.
9. Turvey, A. K., Horvath, G. A., & Cavalcanti, A. R. O. (2022). Aminoacyl-tRNA synthetases in human health and disease. Frontiers in Physiology, 13, 1029218.
10. Pakos-Zebrucka, K., Koryga, I., Mnich, K., Ljujić, M., Samali, A., & Gorman, A. M. (2016). The integrated stress response. EMBO Reports, 17(10), 1374–1395.