Vücudumuz toksik maddeleri parçalayan çok sayıda enzim üretir. Bu tür enzimlerin bir sınıfı, tüm tetrapodlarda bulunan flavin içeren monooksijenazlardır (FMO’lar). İnsanlar beş farklı FMO genine sahiptir ve bunlardan ilk dördü aynı aktiviteyi gösterir. Ancak beşinci FMO geni farklı bir parçalanma reaksiyonunu tetikler.
Groningen Üniversitesi biyokimyacıları, bu farklılaşmanın nasıl gerçekleştiğini göstermek için tüm tetrapod FMO’ların atasal genlerini diriltmeyi başardılar. Elde ettikleri sonuçlar 24 Şubat’ta Nature Communications dergisinde yayınlandı.
FMO’lar bakterilerden bitki ve hayvanlara kadar tüm yaşam formlarında bulunur. İnsanlarda FMO’lar çok çeşitli toksik maddeleri parçalayabilir. İnsanlarda ve aslında tüm tetrapodlarda (dört uzuvlu omurgalı hayvanlar) bulunan beş FMO geninden dördü toksik moleküllerdeki belirli grupların (heteroatomlar) oksidasyonundan sorumludur ve onları zararsız hale getirir. Ancak FMO5, bir keton veya aldehit bileşiğindeki iki karbon atomu arasına bir oksijen atomu yerleştirerek çok farklı bir kimyasal reaksiyona neden olur.
Evrimsel Ağaç
Proteinlerin evrimsel geçmişini yeniden yapılandırma konusunda uzmanlaşmış olan Laura Mascotti, “Sorumuz, bu FMO geninin neden farklı bir aktiviteye sahip bir enzim ürettiği” dedi ve “FMO5’in yeni bir reaksiyon mekanizması mı geliştirdiğini yoksa atasal genin her iki reaksiyonu da tetikleyebildiğini ve diğer FMO’ların daha sonra ikisinden birini mi kaybettiğini öğrenmek istedik.” diyerek ekledi Enzim Mühendisliği Profesörü Marco Fraaije liderliğindeki Groningen Üniversitesi araştırma grubunda post-doktora araştırmacısı ve Nature Communications makalesinin son yazarı olan Mascotti. Gen duplikasyonu oldukça yaygındır ve evrim teorisi aynı genin farklı kopyalarının farklılaşmasına izin verir. Merakın yanı sıra – Fraaije grubu daha önce memelilerden beş ata FMO’dan dördünün yapısını yeniden oluşturdu – bu çalışma, enzimin eylemini değiştirmeye veya onun tarafından aktive edilen ilaçları tasarlamaya yardımcı olabilir.
Mascotti: “Bir önceki makalemiz için, tüm canlı organizmalardaki FMO enzimlerinin sekanslarını derledik ve bunları daha sonra evrimsel bir ağaç oluşturmak için kullandık.” Bu, memeli FMO’larının 1’den 4’e kadar yakından ilişkili olduğunu, FMO5’in ise biraz farklı olduğunu ortaya koydu. “Tüm tetrapodlar bu beş gene sahip olduğundan, atasal genin bu iki versiyona ne zaman ayrıldığını kabaca biliyorduk.”
Diriltilmiş Enzimler
Ortak atasal enzim için en olası amino asit dizisinin yanı sıra FMO 1-4 ve FMO5 için atasal genleri hesapladı. Mascotti, “Bunu proteinin her pozisyonunda en olası amino asidi çıkararak yaptık” diye açıklıyor. “Sonuç büyük olasılıkla tam olarak orijinal sekans değildir ancak yine de enzimin aktivitesini yüksek bir olasılıkla yeniden üretebilir.” Bu çalışma tamamlandıktan sonra, bir sonraki adım atasal enzimleri diriltmekti. “Bu amaçla, atasal enzimleri üretecek genleri sıraladık ve bunları E. coli‘de ifade ettik. Bu şekilde enzimler üretildi ve daha sonra aktivitelerini belirleyebildik.”
Diriltilen enzimler beklenen ve beklenmeyen sonuçlar üretti: “İki enzim türünün ataları, şimdikiyle aşağı yukarı aynı aktiviteyi gösterdi. Bununla birlikte, beş FMO’nun atasal enzimi her iki reaksiyonu da kataliz edebiliyordu” dedi. Enzim hem heteroatomları hem de keton ve aldehitleri oksitleyebiliyordu. Bu da günümüzdeki genlerin bu işlevlerden birini kaybettiğini gösteriyor. Dahası, araştırmacılar enzim yapısındaki sadece üç amino asitteki değişikliklerin aktivitedeki bu farkı açıkladığını gösterdiler.
Mascotti, “Bu, bu enzimlerin geçmişinin oldukça basit olduğu anlamına geliyor” diyor. “Atasal genin her şeyi yapabildiğine inanıyoruz. Bu gen daha sonra kopyalandı. Bu fazla kopyaların daha özgürce evrimleşebileceği anlamına geliyordu ve iki işlev için farklı enzimlerle sonuçlandı.” İlginçtir ki, bu olay tetrapodların okyanustan karaya geçtiği bir zamanda gerçekleşmiştir. “Bitkiler çok sayıda toksik metabolit üretir. Bu nedenle bu toksinleri verimli bir şekilde parçalayabilen hayvanlar için seçici bir avantaj vardı.”
İlaçlar
Araştırmacılar ayrıca enzimlerin kullandığı kofaktörün, tetikledikleri reaksiyon türü için önemli olduğunu keşfetti. “Aktif bölgenin bir parçası olmayan ancak kofaktörle etkileşime giren amino asitlerin hayati öneme sahip olduğu ortaya çıktı. Genellikle kofaktörler sadece elektron donörleridir ancak bu durumda oldukça benzersiz olan aktivite türünü belirlerler.” Enzim yapısı ve işlevi arasındaki ilişki hakkındaki bu bilgi, detoksifiye edici enzimleri manipüle etmek veya ilaçların parçalanmasını azaltacak inhibitörler tasarlamak için önemlidir.
Mascotti: “Bu enzimlerin geçmişine dair merakımızı giderdik ve işleyiş biçimlerine dair yeni bilgiler ortaya çıkardık. Dahası, bunu ancak enzimoloji, evrim ve protein yapısı uzmanlarından oluşan çok çeşitli bir ekiple işbirliği yaparak başarabildik.” [1]Evolutionary history of detoxifying enzymes reconstructed
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Evolutionary history of detoxifying enzymes reconstructed |
|---|
