Günümüzde proteomik çalışmalar, organizmada kodlanan protein etkileşimlerini bir bütün halinde ele alarak, hücrede meydana gelen birçok fizyolojik sürecin takip edilmesine olanak tanımaktadır. Kütle spektrometresi (MS) tabanlı analiz yöntemlerinin geliştirilmesi; protein ekspresyonu, fosforilasyon süreci ve post-translasyonel modifikasyonlardaki fonksiyonel süreçlerin daha geniş bir perspektiften incelenmesinde önemli avantajlar sağlamaktadır. Proteinlerin fosforilasyonu, proteinin yapısına fosfat grubunun (PO4) eklenmesi ile karakterize olan ve kritik hücresel süreçlerde rol alan geniş bir mekanizmadır. Bu mekanizma ile oluşan fosfositler (phosphosites) bir proteinin işlevini etkinleştirebilmekte, devre dışı bırakabilmekte veya değiştirebilmektedir. Fosforilasyon bölgelerinin karmaşık doğası, hücresel sinyal ağlarındaki işlevleri açısından hala tam olarak bilinmemektedir; bununla birlikte binlerce fosfositin özgün biyolojik süreçlerdeki fenotiplerini tanımlamak birçok uygulama için zorluk oluşturmaktadır.
Needham ve arkadaşları, insandaki dinamik fosforilasyon profilleri ve fenotipler arasında görülen değişikliklere odaklanarak, bireye özgü bir veri platformu oluşturmak için kişiselleştirilmiş fosfoproteomik adını verdikleri deneysel ve hesaplamalı bir yöntem geliştirmiştir. Kişiselleştirilmiş fosfoproteomik, kapsamlı fizyolojik bozunmalar (pertürbasyon) varlığında aynı bireyden fenotipik okumalarla uzunlamasına fosfoproteom örneklenmesini takiben dinamik fosforilasyon değişikliklerini fenotiplerle ilişkilendirme yöntemi olarak tanımlanmıştır. Çalışmada, glikoz metabolizması üzerinde etkili olduğu düşünülen daha önce tanımlanmış ve tanımlanmamış çeşitli protein fosfositleri seçilerek, egzersizin iskelet kasındaki insülin sinyalini nasıl düzenlediği araştırılmıştır.
Proteinlerin fonksiyonlarının incelenmesi için çalışma öncesinde bir örnek hazırlığı ve fosfoproteomik iş akışı tasarlanmıştır. Araştırmada sağlıklı insan deneklerine 2,5 saat boyunca tek bacak için diz ekstansör egzersizi uygulanmıştır. 4 saatlik dinlenmenin sonrasında biyopsi yapılarak kaslar tarafından alınan glikozun miktarı belirlenmiştir. İnsülin duyarlılığı hiperinsülinemik-öglisemik klemp tekniği ile ölçülmüştür. Bacak kaslarına tekrar biyopsi yapılmasının ardından MS tabanlı fosfoproteomik teknolojiler kullanılarak, her biyopsili dokudan fosfoproteomlar örneklendirilmiştir ve proteomların denetimsiz hiyerarşik kümelemesi ile birlikte tüm fosfoproteomların temel bileşen analizi (PCA) gerçekleştirilmiştir. Aynı dokuda farklı bireylerden örneklenen fosfoproteomların konuya özgü (subject-specific) benzersiz bir imzaya sahip oldukları bulunmuştur.
İnsan fosfoproteomlarında fosfositlere bağlı olarak oluşan varyasyonları tanımlamak için fosfoproteomlarının bireyselleştirilmiş analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda, değişmeyen fosfositlerin bireyler arası tutarlılık gösterdiği ve değişken fosfositlerin ise farklı olduğu tespit edilmiştir. Hücre döngüsü ve apoptozla ilgili değişmeyen fosfositlerin zenginleştirilmesi ve MS analizleri sonucu ATP sentaz-β proteini olası bir biyobelirteç olarak belirlenmiştir. Bu proteinin T213 bölgesinde Tip 2 diyabetli ve obez hastalarda yüksek fosforilasyona uğradığı gösterilmiştir. Egzersizin insülin sinyalizasyonu üzerindeki etkilerini değerlendirmek için tekrarlanan ölçülerle çift yönlü varyans analizi (Two-way repeated ANOVA) gerçekleştiren araştırmacılar, iskelet kasında insülin metabolizmasının egzersizle yeniden düzenlendiğini tespit etmiştir. Bu veri setinden elde edilen bulgulara göre; insan iskelet kasında aktif konumda bulunan mTOR’un, glikoz metabolizmasının düzenlenmesinde rol alan AMPK’yı doğrudan fosforile ettiği bir bağlantı gözlemlenmiştir. Çalışmada, kişiselleştirilmiş fosfoproteomik yöntemi ile ana metabolik düzenleyici kinazlar mTORC1 ve AMPK arasında daha önce bilinmeyen etkileşimler saptanmış ve fonksiyonel fosforilasyon bölgelerinin önemi gösterilmiştir.
Araştırmada farklı deneklerden elde edilen fosfoproteom dizilerinin ve sinyal varyasyonlarının, egzersize ve insüline yanıt olarak kişisel ölçekte benzersiz bir parmak izine sahip olduğu anlaşılmıştır. Benzer şekilde fosfoproteomik çalışmaların uygulanması, karmaşık hastalıkların ve birçok tümör tipinin oluşumunda rol alan proteomların karakterizasyonu ve ilaç geliştirme stratejileri için umut vaat etmektedir. Fosfoproteomik çalışmaları sırasında ortaya çıkan problemlerin elimine edilebilmesi ve MS tabanlı teknolojilerde etkinliğin artırılması amacıyla; sınırlı çalışmaların daha çok geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır.
Yazar: Yağmur Güzel
Editör: Elif Nur Özcan
Referans: Needham, E.J., Hingst, J.R., Parker, B.L. et al. Personalized phosphoproteomics identifies functional signaling. Nat Biotechnol (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-021-01099-9
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisii-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
