Huntingtin

Huntingtin (Htt), HTT geni tarafından kodlanan ve IT15 (“ilginç transkript 15”) olarak da bilinen bir insan proteinidir. HTT genindeki patojenik genişlemeler (hastalığa neden olan tekrar uzunluğu artışları) Huntington hastalığına (HD) yol açar ve bu proteinin uzun süreli hafıza depolanması mekanizmalarında da rol oynadığı düşünülmektedir.

HTT, birçok dokuda eksprese edilen bir gendir ve en yüksek ekspresyon düzeyi beyinde gözlenir. Gen ekspresyonu gelişimsel olarak sıkı biçimde düzenlenmiştir ve embriyonik gelişim (embriyogenez) için gereklidir. Huntingtin proteini, normal koşullarda 3.144 amino asitten oluşur ve içerdiği poliglutamin (polyQ) tekrarlarının uzunluğuna bağlı olarak yaklaşık 350 kDa moleküler ağırlığa sahiptir. HTT genindeki polimorfizmler, proteindeki glutamin tekrar sayısını belirler ve yabanıl tip aleller genellikle 6–35 tekrar içerirken Huntington hastalığına neden olan patojenik genişlemelerde bu sayı 36'nın üzerine çıkar. Ağır ve erken başlangıçlı (juvenil) olgularda tekrar sayısı yaklaşık 250'ye kadar ulaşabilmektedir. Huntingtin adı, proteinin bu hastalıkla olan güçlü ilişkisini yansıtır. IT15 ise genin önceki adlandırmasıdır.

Huntingtin proteininin moleküler işlevleri henüz tam olarak tanımlanmamış olmakla birlikte, nöronal sağkalım ve gelişim için vazgeçilmez olduğu bilinmektedir. Hücre içi sinyal iletim yollarına katkıda bulunduğu, aksonal taşınım ve vezikül trafiği süreçlerinde rol oynadığı ve protein–protein etkileşimlerini aracıladığı düşünülmektedir. Ayrıca huntingtin'in apoptoza karşı koruyucu etkiler gösterdiği de rapor edilmiştir. HTT geninin deneysel olarak bozulması, model organizmalarda embriyonik letaliteye yol açmakta olup, bu durum proteinin gelişimdeki kritik rolünü vurgulamaktadır. Huntingtin'deki genişlemiş poliglutamin (polyQ) tekrarları, toksik fonksiyon-kazanımı (gain-of-function) etkilerine neden olarak Huntington hastalığının ortaya çıkmasına yol açar. Otozomal dominant kalıtılan bu nörodejeneratif hastalıkta, patojenik huntingtin nöronlar içinde agregatlar oluşturur; bu agregatlar hücresel süreçleri bozarak sonunda hücre ölümüne neden olur.

Gen

HTT geninin 5′ ucu (five-prime end), glutamin aminoasidini kodlayan sitozin–adenin–guanin (CAG) dizisinin çoklu tekrarlarından oluşur. Bu bölge trinükleotid tekrar olarak adlandırılır. Normal koşullarda CAG tekrar sayısı 7 ile 35 arasında değişmektedir. HTT geni, 4. kromozomun kısa kolunda (p), 16.3 bölgesinde (4p16.3) yer almakta olup, 3.074.510 ile 3.243.960 baz çifti arasını kapsamaktadır.

Protein yapısı

Huntingtin (HTT) proteini, kanonik formunda 3.144 amino asitten oluşan ve yaklaşık 348 kDa moleküler ağırlığa sahip, büyük ve baskın olarak α-helikal bir moleküldür. Yapısal organizasyonu üç ana bölgeden oluşur: amino-terminal (N-uç) domain, karboksi-terminal (C-uç) domain ve bu iki büyük bölgeyi birbirine bağlayan daha küçük bir köprü (bridge) domaini. Hem amino- hem de karboksi-terminal bölgeler, HEAT tekrarları (Huntingtin, Elongation factor 3, Protein phosphatase 2A ve lipid kinaz TOR'dan adını alan) açısından zengindir. Bu tekrarlar solenoid veya süperhelikal bir düzenleme sergiler ve protein–protein etkileşimlerinin aracılanmasında kritik rol oynar. Köprü domaini, farklı tiplerde tandem tekrarlar içerir ve iki büyük domain arasındaki yapısal bütünlüğün korunmasına katkı sağlar. Huntingtin'in yüksek derecede değişken olan N-terminal segmenti, Huntington hastalığında genişleyen poliglutamin (polyQ) bölgesini içerir. Bu bölge çoğu zaman intrinsik olarak düzensiz (intrinsically disordered) yapıdadır ve yüksek çözünürlüklü yapısal çalışmalarda tam olarak çözümlenememiştir. Huntingtin'in esnek ve uzamış mimarisi, bir partner protein olan HAP40 ile kompleks oluşturduğunda stabilize olur; bu durum proteinin hücre içinde bir iskelet (scaffold) ve etkileşim merkezi (interaction hub) olarak işlev görmesini sağlar. Son yıllarda, birçok araştırma grubu tam boyutlu HTT proteininin 3B yapısını kriyo-elektron mikroskobu (cryo-EM) kullanarak çözmeyi başarmıştır. Bu çalışmalar, proteinin doğal katlanmasını oluşturan çeşitli helikal HEAT tekrar domainlerinin üç boyutlu mimarisini ortaya koymuştur (sağdaki şekilde gösterildiği gibi). Ancak proteinin zincirinin yaklaşık %25'i esneklik nedeniyle yapıda görülememiştir. Bu özellikle, Huntington hastalığında mutasyonlardan etkilenen N-terminal bölgeyi kapsamaktadır; bu konu aşağıda ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Proteinin işlevi

Huntingtin (Htt) proteininin işlevi tam olarak anlaşılamamış olmakla birlikte, aksonal taşınımda rol oynadığı bilinmektedir. Huntingtin gelişim için vazgeçilmezdir ve yokluğu farelerde letal sonuçlar doğurmaktadır. Proteinin diğer proteinlerle dizi homolojisi yoktur ve hem insanlar hem de kemirgenlerde özellikle nöronlar ve testislerde yüksek düzeyde eksprese edilir. Huntingtin, beyinden türeyen nörotrofik faktör (BDNF) ekspresyonunu transkripsiyon düzeyinde artırır; ancak huntingtinin gen ekspresyonunu nasıl düzenlediği henüz belirlenememiştir. Molekülün immünhistokimya, elektron mikroskopi ve hücresel fraksiyon çalışmaları göstermiştir ki huntingtin esas olarak veziküller ve mikrotübüllerle ilişkilidir. Bu durum, proteinin sitokeletal ankraj veya mitokondri taşınımı işlevlerinde rol oynayabileceğini düşündürmektedir. Ayrıca huntingtin, vezikül trafiğinde rol alır; bunun mekanizması olarak, endositozu (maddenin hücre içine taşınmasını) aracılık eden clathrin bağlayıcı protein HIP1 ile etkileşim göstermesi gösterilmiştir. Huntingtinin, epitel polaritesinin kurulmasında da rol oynadığı, RAB11A ile etkileşimi aracılığıyla ortaya konmuştur.

Etkileşimleri

Huntingtin'in en az 19 farklı proteinle doğrudan etkileştiği bulunmuştur; bunlardan altısı transkripsiyon, dördü taşınım, üçü hücre sinyalleşmesi ve kalan altısı (HIP5, HIP11, HIP13, HIP15, HIP16 ve CGI-125) bilinmeyen işlevlere sahiptir. Ayrıca, 100'den fazla etkileşimli protein belirlenmiştir; örneğin huntingtin ilişkili protein 1 (HAP1) ve huntingtin etkileşimli protein 1 (HIP1) bunlara dahildir. Bu etkileşimler genellikle iki-hibrid tarama ile tespit edilmiş ve immünpresipitasyon ile doğrulanmıştır.

Etkileşimli Protein PolyQ uzunluk bağımlılığı İşlev
α-adaptin C/ HYPJ Evet Endositoz
Akt /PKB HAYIR Kinaz
CBP Evet Asetiltransferaz aktivitesine sahip transkripsiyonel ko-aktivatör
CA150 HAYIR Transkripsiyonel aktivatör
CIP4 Evet cdc42'ye bağlı sinyal iletimi
CtBP Evet Transkripsiyon faktörü
FIP2 Bilinmiyor Hücre morfojenezisi
Grb2 Bilinmiyor Büyüme faktörü reseptörüne bağlanan protein
HAP1 Evet Membran trafiği
HAP40 (F8A1, F8A2, F8A3) Bilinmiyor Bilinmiyor
HIP1 Evet Endositoz, proapoptotik
HIP14 /HYP-H Evet Taşıma, endositoz
N-CoR Evet Nükleer reseptör ko-represörü
NF-κB Bilinmiyor Transkripsiyon faktörü
p53 HAYIR Transkripsiyon faktörü
PACSIN1 Evet Endositoz, aktin sitoskeleti
DLG4 (PSD-95) Evet Postsinaptik Yoğunluk 95
RASA1 (RasGAP) Bilinmiyor Ras GTPaz aktivasyon proteini
SH3GL3 Evet Endositoz
SIN3A Evet Transkripsiyonel baskılayıcı
Sp1 Evet Transkripsiyon faktörü

Huntingtin'in ayrıca aşağıdakilerle de etkileşime girdiği gösterilmiştir:

Klinik önemi

Huntington hastalığı

Trinükleotid tekrarının sınıflandırılması ve bunun sonucunda ortaya çıkan hastalık durumu, CAG tekrarlarının sayısına bağlıdır
Tekrar sayısı Sınıflandırma Hastalık durumu
<26 Normal Etkilenmemiş
27–35 Orta seviye Etkilenmemiş
36–40 Azaltılmış penetrans +/- Etkilenen
>40 Tam nüfuz Etkilenen

Huntington hastalığı (HD), huntingtin geninin mutant bir formundan kaynaklanır; burada aşırı sayıda (36'dan fazla) CAG tekrarı, kararsız bir protein oluşumuna yol açar. Bu genişlemiş tekrarlar, N-terminalde anormal uzunlukta bir poliglutamin (polyQ) bölgesi içeren huntingtin proteininin üretilmesine neden olur. Bu durum, Huntington hastalığını trinükleotid tekrar bozuklukları veya poliglutamin hastalıkları olarak bilinen nörodejeneratif hastalık sınıfına dahil eder.

Huntington hastalığında kritik dizilim, 18. amino asitten itibaren glutamin kalıntılarının tekrar ettiği bir trinükleotid genişlemesidir. Etkilenen olmayan bireylerde bu bölge genellikle 9–35 glutamin kalıntısı içerir ve herhangi bir olumsuz etki oluşturmaz. Ancak 36 veya daha fazla kalıntı, hatalı bir mutant Htt (mHtt) formunun oluşmasına yol açar. 36–39 tekrar sayılarında ise hastalıkta azalmış penetrans gözlenir.

Huntington hastalığı hastalarında, mutant Htt (mHtt) proteininin N-terminal fragmentleri keşfedilmiştir. Bu fragmentler, proteaz enzimleri tarafından bu uzamış proteinin parçalanmasıyla oluşabilir. Ayrıca, son araştırmalar, mutant gen ürünlerini etkileyen anormal ekzon kaynaşmalarının (aberrant splicing) bu fragmentlerin oluşumuna yol açtığını ve bu fragmentlerin proteinin ilk eksonu ile örtüştüğünü ortaya koymuştur. Bu protein fragmentlerinin, sinir hücrelerinin içinde nöronal intranükleer inklüzyonlar (NII'ler) olarak bilinen anormal kümeler oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu kümeler, diğer normal proteinleri de içine çekebilir. Hastalarda bu kümelerin karakteristik olarak bulunması, Huntington hastalığının gelişimine katkıda bulunduğu düşünülmektedir. Ancak, sonraki araştırmalar, bu inklüzyonların (kümelerin) rolü hakkında bazı sorular ortaya koymuştur. Yapılan çalışmalar, gözle görülebilen NII'lerin nöronların yaşam süresini uzattığını ve komşu nöronlardaki hücre içi mutant huntingtini azalttığını göstermiştir. Karışıklığa yol açan bir diğer faktör ise, mutant proteinin farklı türde agregatlar oluşturduğu ve bunlar arasında, daha önceki çalışmalarda gözle görülebilen inklüzyonlar olarak tanınamayacak kadar küçük protein birikintilerinin de bulunduğunun artık bilinmesidir. Nöronal ölüm olasılığını tahmin etmek hâlâ zordur. Büyük olasılıkla birden fazla faktör rol oynamaktadır; bunlar arasında: (1) huntingtin genindeki CAG tekrarlarının uzunluğu ve (2) nöronun difüz hücre içi mutant huntingtin proteini ile maruziyeti sayılabilir. NII'ler (protein kümelenmeleri), sadece patojenik bir mekanizma olarak değil, aynı zamanda difüz huntingtin miktarını azaltarak nöronal ölümü engelleyen bir başa çıkma mekanizması olarak da yararlı olabilir. Bu süreç, özellikle striatumda (hareketleri koordine eden beyin bölgesi) ve frontal kortekste (düşünce ve duyguları kontrol eden beyin bölgesi) meydana gelme olasılığı yüksektir. Ayrıca, patojenik mekanizmanın, gerçek huntingtin proteini yerine, RNA transkriptleri ve bunlardaki olası CAG tekrarlarının RNAi etkisi gösterme potansiyeli ile daha fazla ilişkili olabileceği de düşünülmektedir.

36–40 CAG tekrarı olan kişiler, Huntington hastalığının belirtilerini geliştirip geliştirmeyecekleri konusunda değişkenlik gösterir; 40'tan fazla tekrar olan kişiler ise normal bir yaşam süresi içinde hastalığı mutlaka geliştirir. 60'tan fazla CAG tekrarı olan bireylerde ise juvenil (erken başlangıçlı) HD adı verilen şiddetli bir hastalık formu ortaya çıkar. Bu nedenle, CAG tekrar sayısı (glutamin aminoasidini kodlayan dizi) hastalığın başlangıç yaşını etkiler. 36'dan az tekrar sayısına sahip bir bireyde Huntington hastalığı hiçbir zaman tanımlanmamıştır.

Mutasyona uğramış gen nesilden nesile aktarıldıkça, CAG tekrar genişlemesinin boyutu değişebilir; özellikle baba tarafından aktarıldığında sıklıkla artar. 28–35 CAG tekrarı olan kişilerde hastalığın geliştiği bildirilmemiştir, ancak tekrar genişlemesi artarsa, çocuklarının hastalığı geliştirme riski bulunmaktadır.

Hastalığın patogenezinde, CAG tekrarlarının somatik genişlemesi de gözlemlenir. 80 tekrar sayısına ulaşmak on yıllar alırken, 150 tekrar sayısına ulaşmak ise yıllar sürer. 150 tekrarın ötesinde, hücresel toksisite ortaya çıkmaya başlar. Aylar içinde nöron yavaşça hücresel kimliğini kaybeder ve nihayetinde hücre ölüm yolları aktive edilir.

Mitokondriyal disfonksiyon

Huntingtin, ATM oksidatif DNA hasar yanıt kompleksi içinde bir iskelet (scaffolding) proteini olarak görev yapar. Mutant huntingtin (mHtt), mitokondriyal elektron taşıma sisteminin inhibisyonu, mitokondriyal protein giriş süreçlerinin engellenmesi, reaktif oksijen türlerinin (ROS) artışı ve oksidatif stresin yükselmesi dahil olmak üzere mitokondriyal disfonksiyonda kritik bir rol oynar. DNA'ya yönelik oksidatif hasarın artması, Huntington hastalığının patolojisine katkıda bulunabilir.

Kaynakça

  1. 1 2 "A novel gene containing a trinucleotide repeat that is expanded and unstable on Huntington's disease chromosomes. The Huntington's Disease Collaborative Research Group". Cell. 72 (6): 971-983. Mar 1993. doi:10.1016/0092-8674(93)90585-E. PMID 8458085.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 "Huntingtin is critical both pre- and postsynaptically for long-term learning-related synaptic plasticity in Aplysia". PLOS ONE. 9 (7). 23 Temmuz 2014. doi:10.1371/journal.pone.0103004. PMC 4108396 Özgürce erişilebilir. PMID 25054562. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  3. 1 2 3 "Targeted disruption of the Huntington's disease gene results in embryonic lethality and behavioral and morphological changes in heterozygotes". Cell. 81 (5): 811-823. Jun 1995. doi:10.1016/0092-8674(95)90542-1. PMID 7774020free. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım)
  4. 1 2 "The cryo-electron microscopy structure of huntingtin". Nature. 555 (7694): 117-120. Mar 2018. doi:10.1038/nature25502. PMC 5837020 Özgürce erişilebilir. PMID 29466333free. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım)
  5. ↑ "The huntingtin interacting protein HIP1 is a clathrin and alpha-adaptin-binding protein involved in receptor-mediated endocytosis". Human Molecular Genetics. 10 (17): 1807-1817. August 2001. doi:10.1093/hmg/10.17.1807. PMID 11532990. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  6. ↑ "The hunt for huntingtin function: interaction partners tell many different stories". Trends in Biochemical Sciences. 28 (8): 425-433. Aug 2003. doi:10.1016/S0968-0004(03)00168-3. PMID 12932731.
  7. ↑ "A protein interaction network links GIT1, an enhancer of huntingtin aggregation, to Huntington's disease". Molecular Cell. 15 (6): 853-865. Sep 2004. doi:10.1016/j.molcel.2004.09.016. PMID 15383276. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  8. ↑ "HIP-I: a huntingtin interacting protein isolated by the yeast two-hybrid system". Human Molecular Genetics. 6 (3): 487-495. Mar 1997. doi:10.1093/hmg/6.3.487. PMID 9147654. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  9. 1 2 "SH3 domain-dependent association of huntingtin with epidermal growth factor receptor signaling complexes". The Journal of Biological Chemistry. 272 (13): 8121-8124. Mar 1997. doi:10.1074/jbc.272.13.8121. PMID 9079622free. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım)
  10. ↑ "The Huntington's disease protein interacts with p53 and CREB-binding protein and represses transcription". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (12): 6763-6768. Jun 2000. doi:10.1073/pnas.100110097. PMC 18731 Özgürce erişilebilir. PMID 10823891free. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım)
  11. ↑ "PACSIN 1 interacts with huntingtin and is absent from synaptic varicosities in presymptomatic Huntington's disease brains". Human Molecular Genetics. 11 (21): 2547-2558. Oct 2002. doi:10.1093/hmg/11.21.2547. PMID 12354780. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  12. ↑ "SH3GL3 associates with the Huntingtin exon 1 protein and promotes the formation of polygln-containing protein aggregates". Molecular Cell. 2 (4): 427-436. Oct 1998. doi:10.1016/S1097-2765(00)80142-2. PMID 9809064. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  13. ↑ "Interaction of Huntington disease protein with transcriptional activator Sp1". Molecular and Cellular Biology. 22 (5): 1277-1287. Mar 2002. doi:10.1128/MCB.22.5.1277-1287.2002. PMC 134707 Özgürce erişilebilir. PMID 11839795.
  14. 1 2 "Huntington's disease". Lancet. London, England. 369 (9557): 218-228. Jan 2007. doi:10.1016/S0140-6736(07)60111-1. PMID 17240289.
  15. 1 2 "Contribution of DNA sequence and CAG size to mutation frequencies of intermediate alleles for Huntington disease: evidence from single sperm analyses". Human Molecular Genetics. 6 (2): 301-309. Feb 1997. doi:10.1093/hmg/6.2.301. PMID 9063751. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  16. ↑ "Aberrant splicing of HTT generates the pathogenic exon 1 protein in Huntington disease". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (6): 2366-2370. Feb 2013. doi:10.1073/pnas.1221891110. PMC 3568346 Özgürce erişilebilir. PMID 23341618. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  17. ↑ "Formation of neuronal intranuclear inclusions underlies the neurological dysfunction in mice transgenic for the HD mutation". Cell. 90 (3): 537-548. Aug 1997. doi:10.1016/S0092-8674(00)80513-9. PMID 9267033free. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım)
  18. ↑ "Neurodegenerative disease: neuron protection agency". Nature. 431 (7010): 747-748. Oct 2004. doi:10.1038/431747a. PMID 15483586.
  19. ↑ "Oxidative Stress in Neurodegenerative Diseases: From Molecular Mechanisms to Clinical Applications". Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017. 2017. doi:10.1155/2017/2525967. PMC 5529664 Özgürce erişilebilir. PMID 28785371. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  20. ↑ "Huntingtin is a scaffolding protein in the ATM oxidative DNA damage response complex". Human Molecular Genetics. 26 (2): 395-406. 25 Aralık 2016. doi:10.1093/hmg/ddw395. PMID 28017939. Tarih değerini gözden geçirin: |erişimtarihi= (yardım);
  21. ↑ "Role of oxidative DNA damage in mitochondrial dysfunction and Huntington's disease pathogenesis". Free Radical Biology & Medicine. 62: 102-110. September 2013. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2013.04.017. PMC 3722255 Özgürce erişilebilir. PMID 23602907.

Dış bağlantılar