Kırmızı Kan Hücresi Zarının Yapı İskeleti Spektrin Mekaniğinin Hesaplamalı Çalışması

TÜBİTAK 3001 Proje 

Proje Özeti

Spektrin Kırmızı kan hücresi (red blood cell; ‘RBC’) zarını saran bir protein iskelesidir ve ‘RBC’nin insan vücudunda kılcal damarlara girebilmesi için çift içbükey yapının mermi şekline dönüşümünü sağlar. Bu dönüşüm, çok esnek bir protein ağı olan spektrin tarafından sağlanan yüksek elastikiyetten kaynaklanmaktadır. Spektrin protein ağı, alyuvar hücresi yüksek düzeyde “kesme gerilimi”ne (shear stress) maruz kaldığı zaman, hücre için esneklik temin eden bir yapı iskelesi olarak işlev görür. Ancak atomistik düzeyde spektrin protein dizininde mutasyonların neden olduğu konformasyon değişiklikler “geri-döndürülmez” (irreversible) yapısal deformasyonlar oluşturur ve bununla beraber potansiyel olarak zarın stabilitesinin ve hücrenin esneklik kabiliyetinin azalmasına yol açabilir.

Kalıtsal kan hastalıklarında ‘RBC’ pek çok değişik form almış olarak gözlenir: küreselleşir (kalıtsal sferositoz’da), oval/eliptikleşir (kalıtsal elliptocytosis’de (‘HE’), ya da orak şeklini alır (orak hücreli anemi’de). Literatürde ‘HE’de, ‘RBC’ zarının mekanik zayıflığı spektrin tetramerizasyon alanındaki kusurlardan veya spektrin-lipid bilayer bağlantısında bulunan protein 4.1 'deki kusurlardan kaynaklandığı belirtilmştir. En yaygın ‘HE’ mutasyonları,-spektrin ‘kayıp’ (missense) mutasyonlarıdır (Genetik olarak ‘kayıp’ mutasyon bir nokta mutasyonudur ve kodon tek bir nükleotid değişikliği sonucunda farklı bir amino asidi kodlar). Literatürdeki çalışmalar spektrin zincirinde 28. rezidüdeki Ariginin’in (Arg 28) spektrinin normal fonksiyonu ve konformasyonel stabilitesi için çok öncelikli ehemmiyeti olan bir rezidü olduğunu göstermektedir ve bu nedenle de bu noktadaki mutasyonlar zarı etkileyecektir.

Literatür, doğal tür (“wild-type”) ve de ayrıca mutasyona uğramış spektrin rezidülerinin girdiği konformasyonlar için mükemmel yapısal analiz referansları sağlamaktadır. Buna karşın, ‘RBC’ hastalıklarına (i.e. ‘HE’) yol açan mekanizmaları inceleyen atomistik düzeyde mekanik analiz bu çalışmaların eksik parçasıdır ve bu konuda literatürde bir boşluk bulunmaktadır. Bu projede, literatürde ilk defa olarak ‘RBC’ mekaniğinde mutasyonların etkisinin incelenmiştir. Bu amaç için biyokimyasal ve yapısal analize odaklanmanın ötesinde, atomistik düzeyden başlayıp nano düzeye uzanan, çok ölçekli nanomekanik özellik karakterizasyonu yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucu dış kuvvetlerin  “sağlıklı/doğal tür” (wild-type) ve mutasyonlu hücreler için aynı mekanik tepkiyi verdiği gösterilmiştir.