DOĞRU ZAMAN ve DOĞRU YER PROTEİNİ: KRİPTOKROM

Bilim ile aydınlık geleceğe!

DOĞRU ZAMAN ve DOĞRU YER PROTEİNİ: KRİPTOKROM

   Doğada var olan ve varlığını sürdürebilmek için bir takım biyolojik işlevleri yerine getirmek zorunda olan siyanobakteriden insana kadar her organizma, bu işlevlerin doğru zamanda gerçekleşmesini sağlamak için uygun bir zamanlama sistemine ihtiyaç duyar. Kriptokrom protein ailesi (Cryptochrome -CRY- Protein Family), yaşamın var olduğu her alanda bu ihtiyacı karşılayan, sirkadyen ritim proteinleridir. Kriptokrom ve kriptokrom protein ailesi, literatüre 1996 yılında Prof. Dr. Aziz Sancar ve takım arkadaşları tarafından kazandırılan kavramlardır. Sancar, fotoliyazlar üzerine yaptığı çalışmalarıyla Nobel Ödülünü alırken, daha sonra yaptığı bir açıklamada kendisine ödül getirecek asıl konunun fotoliyaz yerine, kriptokrom proteinleri olacağını düşündüğü de dile getirmiştir.

   Kriptokromlar, bir gen grubu olarak, flavoprotein ailesinin Kriptokrom/Fotoliyaz ailesi (CRY/Photolyase Family) koluna mensup fotoreseptörlerdir. Kriptokromların, bitkide UV ışığı kaynaklı DNA hasarlarının onarımında görev alan fotoliyaz enzimleriyle ortak atadan evrildikleri düşünülmektedir. Benzer üç boyutlu yapılara sahip olan kriptokrom ve fotoliyazın ortak ata hipotezine katkı sağlayan önemli noktalardan biri, kriptokromların, tıpkı fotoliyazlar gibi mavi ışık/UV ışığı varlığında yüksek etkinlik göstermeleridir; buna karşılık, kriptokromların fotoliyazlardan farklı olarak, DNA hasarı onarımında etkili olmadığı gözlenmiştir.

Kriptokrom ilk olarak fare kulağı teresi bitkisinde (Arabidopsis Thaliana) incelenmiştir. Kriptokromların etkili olduğu biyolojik işlevler oldukça fazla ve çeşitlidir. Bu çeşitlilik organizmaların farklılaşmasıyla daha da çeşitlenir. Canlılarda sirkadyen ritim düzenlemesi, uyku düzenleri, fizyolojik döngüler, göç eden hayvanlarda manyetik sensör özelliği, bitkide ışığa bağlı büyüme ve gelişme, kriptokromun işlev gördüğü alanlardır. Aynı zamanda Darwin’in bitkiler üzerine yayınlamış olduğu çalışmalar, kriptokromun bitkinin ışığa bağlı mekanizmasında etkili olması ile daha derin anlamlar kazanmıştır. Buna ek olarak, kriptokromların kanser genetiği ve epigenetik düzenlemeler, obezite ve diyabet ile de yakından ilişkili olduğu saptanmıştır.

Kriptokrom için, keşfinin aslında yakın bir tarihte gerçekleştiğini göz önünde bulundurarak, genç bir protein diyebiliriz. Tabi ki bu gençlik, kriptokromun hayatta varoluş süresi olarak değerlendirilmemelidir; varlığını bilmememiz, bilmediğimiz dönem içerisinde hiçbir işlevi yoktu olarak yorumlanamaz. Buradaki gençlik, hakkında bilinenlerin oldukça kısıtlı olduğunu, kendisinin yeni bir çalışma alanı oluşturduğunu, günümüzde sürekli yeni çalışmalarla işlev ve yapısının aydınlatılmaya çalışıldığını vurgular.

Kriptokromları, işlevinin ışığa bağımlı ya da ışıktan bağımsız olmasına göre dallandırmak mümkündür. Ailenin ilk keşfedilen üyeleri olarak kriptokrom 1 (CRY 1) ve kriptokrom 2 (CRY 2)’ye, yakın zamanda eşsiz işleviyle hayranlık uyandıran kriptokrom 4 (CRY 4) eklenmiştir. CRY 1, meyve sineği-benzeri (Drosophila-like) olarak adlandırılır. CRY 2, memelilerde (mammalian-like) bulunurluğu ile bilinir. Son olarak, CRY 4, kuşlarda, sürüngenlerde, iki yaşamlılarda ve balıklarda bulunur. CRY 1 ve CRY 4, ışığa bağımlı mekanizmalara sahipken, memeli kriptokromu olan CRY 2, ışıktan bağımsız olarak işlevini yerine getirebilir. Işığa bağımlı mekanizmalara sahip olan CRY 1 ve CRY 4, ETS (Elektron Taşıma Sistemi) elemanlarından da aşina olduğumuz Flavin Adenin Dinükleotit (FAD) kromoforunu içerirler; ışığa bağımlı mekanizmaları, FAD’ın varlığında bir redoks tepkimesi olarak gerçekleşir. CRY mekanizması aynı zamanda radikal oluşmasına ve bu radikallerin kullanımına da bağlıdır. Kriptokrom ailesi hakkında bahsedilen genel teorik bilgilerin ötesinde, ailenin en genç ve eşsiz üyesi olan CRY 4 biraz daha yakından tanınmayı hak ediyor.

CRY 4, ailenin en son keşfedilen üyesi olduğu için hakkında bilinmeyenler çok fazla ve bu da kendisini ailenin en gizemlisi yapıyor; haliyle son dönemde araştırmacıların ilgisi CRY 4’un üzerine hayli yoğunlaşmış durumda.

CRY 4 çalışmaları, CRY 4 proteininin bulunduğu organizmalar arasından özellikle kuşlar üzerinde ilerlemekte. Yapılan araştırmalara göre, kuşların retinasında bulunan CRY 4, organizma için bir tür manyetik sensör kaynaklı navigasyon görevi görüyor. Kuşların, dünyanın manyetik alanından faydalanarak yollarını bulmaları, göç zamanlarında nasıl dünyanın bir ucundan diğer ucuna yollarını şaşırmadan doğru rotada ilerleyebildiklerini açıklıyor (Şekil 1). Aynı durum, uçsuz bucaksız okyanuslarda kendi yollarına şaşırmadan giden balıklar için de geçerli.

Daha önce de belirtildiği gibi, CRY 4 hakkında daha fazlasını öğrenmek için halen araştırılan bir protein ve dünya üzerinde değişen manyetik alan kuvvetlerinin algılanmasını sağlayan sistemi, oldukça ilgi çekici olmasının yanında hala aydınlatılamadı.

Şekil 1: Bir kuşun gözünden, dünyanın manyetik alanının etkisiyle yönleri nasıl ayırt ettiğinin bir gösterimi

(Kaynak: http://www.ks.uiuc.edu/Research/cryptochrome/)

 

Canlı organizmaların, manyetik alan sezme gücüyle hareket edebiliyor olması oldukça merak uyandırıcı olarak, çoğu bilim insanının aklına birtakım sorular getirdi: Bu sistem insana nakledilebilir mi? İnsan, dünyanın manyetik alan kuvvetini hissedebilir mi? Bu soruların cevabı olumlu olursa, bunun insanlığa nasıl bir faydası olabilir? Ve bu faydalar, birtakım bedellere mal olabilir mi?

Bildiğimiz üzere insanda kriptokrom bulunuyor fakat bulunan memeli kriptokromunda manyetik alan sensor özelliği yok. Bazı araştırmacılar bu durum için, manyetik sensor özelliğinde olan CRY4 mekanizmasının oluşturduğu serbest radikal miktarının insan vücudunun baş edemeyeceği bir miktar olacağı ve insan için çok ciddi sağlık sorunlarına neden olabileceği ve bu yüzden memeli kriptokromunun zaman içinde daha zararsız bir hale evrildiği görüşünde.

Fayda-zarar ilişkisinin çok tartışmalı olduğu bilim dünyasında, ilerleyen yıllarda CRY 4’ü insan vücuduna aktarma fikri için; manyetik özellikle birlikte elde edilebilecek fırsatlara karşın insan hayatını riske atması ya da kısalmasına sebep olması belki de bir ‘’trade off’’ olarak görülebilir ve kim bilir, uygulanması halinde çok başarılı sonuçlara zemin hazırlayabilir.

Ne de olsa bilim, risk almayı sever…

 

KAYNAKÇA:

  1. Sancar, A. Vitamin B 2 -based blue-light photoreceptors in the retinohypothalamic tract as the photoactive pigments. Biochemistry 95, 6097–6102 (1998).
  2. Elofsson, A. & Wallner, B. All are not equal: a benchmark of different homology modeling programs. Protein Sci. 14, 1315–1327 (2005).
  3. Czarna, A. et al. XStructures of drosophila cryptochrome and mouse cryptochrome1 provide insight into circadian function. Cell 153, 1394 (2013).
  4. Michael, A. K. et al. Formation of a repressive complex in the mammalian circadian clock is mediated by the secondary pocket of CRY1. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 114, 1560–1565 (2017).
  5. Zoltowski, B. D. et al. Chemical and structural analysis of a photoactive vertebrate cryptochrome from pigeon. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2019). doi:10.1073/pnas.1907875116
  6. Günther, A. et al. Double-Cone Localization and Seasonal Expression Pattern Suggest a Role in Magnetoreception for European Robin Cryptochrome 4. Curr. Biol. 28, 211-223.e4 (2018).
  7. Ozturk, N. et al. Comparative photochemistry of animal type 1 and type 4 cryptochromes. Biochemistry 48, 8585–8593 (2009).
  8. Paul, S. et al. Magnetic field effect in natural cryptochrome explored with model compound. Sci. Rep. 7, 1–10 (2017).
  9. Nohr, D. et al. Extended Electron-Transfer in Animal Cryptochromes Mediated by a Tetrad of Aromatic Amino Acids. Biophys. J. 111, 301–311 (2016).
  10. Kartlaşmış, K., Kökbaş, U., Sanna, B., Alparslan, M. M. & Kayrın, L. Sirkadiyen Saatin Epigenetikle İlişkisi. Arşiv Kaynak Tarama Derg. 26, 51–51 (2017).
  11. Foley, L. E., Gegear, R. J. & Reppert, S. M. Human cryptochrome exhibits light-dependent magnetosensitivity. Nat. Commun. 2, 1–3 (2011).

 

Yorum yapılmamış

Yorumunuzu ekleyin