Girifl

Biyolojik olaylar› moleküller aras› iliflkilerle aç›klamaçabalar›ndan Moleküler Biyoloji bilim dal› geliflmifltir. Yenibulufllar biyolojik olaylar hakk›ndaki bilgilerin yenidengözden geçirilmesini gerektirmifltir. Hücre vemoleküllerin yap›lar›n›n organizasyonu ile ifllevleriaras›nda bir iliflkinin bulunmas› gere¤i gittikçe daha aç›kflekilde ortaya konmufltur. Nitekim, nükleik asitler veproteinlerin yap›lar›, biyosentezleri ve görevleriyle ilgiliolarak bakterilerden insana kadar bütün yaflam flekilleriiçin ortak olan mekanizmalar tan›mlanm›flt›r. Bilimadamlar› karbonhidratlar›n gerçeklefltirdi¤i molekülerolaylar› ise yak›n zamanda anlamaya bafllam›fllard›r. Bunedenle, karbonhidratlar›n molekül, hücre, doku veorganizma düzeyinde; 1-Biyolojik çeflitlilikten sorumluolduklar›n›n, 2-Bilgi geçifliyle haber iletiminin herhangi bir

basama¤›nda ifl gördüklerinin, 3-Özel tan›ma olaylar›n›idare ettiklerinin ve 4-Biyolojik olaylar›n de¤iflmesinisa¤lad›klar›n›n, k›saca temel biyolojik görevlerininkeflfedilmesi yeni geliflmelerdir.

Glikobiyoloji Nedir?

Biyolojik çeflitlilik ve bilgi iletiminde proteinler venükleik asitlerin oynad›¤› rol uzun zamand›rbilinmektedir. Karbonhidratlara ise uzun süre sadeceenerji sa¤layan, yüksek molekül a¤›rl›kl› destek veyakoruyucu yap›lar› oluflturan ve besin depolayan, fakathücrenin “ikinci s›n›f vatandafllar›” (1) olarak bak›lm›flt›r.‹yi saflaflt›r›lm›fl proteinlerde bile bulunan az miktardakifleker örneklerinin de teknik s›n›rland›rmalaradayand›r›larak uzun süre, kal›nt› olduklar› düflünülmüfltür.Bilim adamlar› proteinlerin ve nükleik asitlerin biyolojik

Turk J Vet Anim Sci27 (2003) 489-495© TÜB‹TAK

489

GlikobiyolojiGüncel Moleküler Biyoloji

Sabire KARAÇALIEge Üniversitesi, Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Moleküler Biyoloji Anabilim Dal›, 35100 Bornova, ‹zmir - TÜRK‹YE

Gelifl Tarihi: 27.03.2002

Özet: Karbonhidrat kimyas›, geçen yüzy›l›n sonunda karbonhidrat biyokimyas›na ve giderek karbonhidrat biyolojisine veyaglikobiyoloji’ye dönüflmüfltür. Glikobiyoloji, yeni ve modern moleküler biyoloji araflt›rma alan›d›r ve flekerlerin yap›lar›n›,biyosentezlerini ve biyolojik görevlerini araflt›r›r. Monosakkaritlerin say›lar›, ba¤lar›n›n (α veya β) tipi, pozisyonlar›, ba¤lanmanoktalar› ve ifllevsel grup farkl›l›klar› mikroheterojeniteyi oluflturur. Böylece ince küçük yap›sal farklarla çok say›da glikoformlarmeydana gelir. Her bir glikoform farkl› bir biyolojik ligant olarak farkl› görev yapar. Glikobiyolojide araflt›rmalar moleküler yap›lar›n,glikozilasyon mekanizmalar›n›n, biyolojik kontrol mekanizmalar›n›n ayd›nlat›lmas›, farkl› hücre tiplerinin fenotipik özelliklerininbelirlenmesi ve iliflkili enzimlerin klonlanmas› üzerine yo¤unlafl›r. Glikobiyoloji temel araflt›rma, t›p bilimi ve modern biyoteknolojideartan öneme sahiptir.

Anahtar Sözcükler: Glikobiyoloji, k›sa tarihçe, mikroheterojenite, yöntemler, gelecekteki önemi

GlycobiologyCurrent Molecular Biology

Abstract: Carbohydrate chemistry evolved into carbohydrate biochemistry and gradually into the biology of carbohydrates, orglycobiology, at the end of the last century. Glycobiology is the new research area of modern molecular biology, and it investigatesthe structure, biosynthesis and biological functions of glycans. The numbers, linkage types (α or β), positions, binding points andfunctional group differences of monosaccharides create microheterogeneity. Thus, numerous glycoforms with precise structuraldifferences occur. Each glycoform as a distinct biological ligand has a different function. Studies in glycobiology have concentratedon determining molecular structures and glycosylation mechanisms, investigating biological control mechanisms and the phenotypiccharacteristics of different cell types and on the cloning of related enzymes. Glycobiology is of increasing importance in fundamentalresearch, medical science and modern biotechnology.

Key Words: Glycobiology, short history, microheterogeneity, methods, importance in the future

Derleme

rollerine gösterdikleri ilginin aksine karbonhidratlar›nbiyolojik rollerine uzun süre ilgisiz kalm›fllard›r. Bunedenle moleküler biyolojinin geliflmesi s›ras›nda flekerzincirleriyle (glikanlarla) ilgili yap›lan çal›flmalar, di¤eryaflam moleküllerinin (proteinler ve nükleik asitlerin)gerisinde kalm›flt›r. Ancak ondokuzuncu yüzy›l›nortas›ndan bafllayarak, yirminci yüzy›l›n bafllar›ndaKarbonhidrat Kimyas›, Karbonhidrat Biyokimyas› veKarbonhidrat Biyolojisi yani Glikobiyoloji çok belirgin ilgioda¤› olmufltur. 1960’l› y›llar Karbonhidrat Biyolojisiaraflt›rmalar›nda bir dönüm noktas› olmufl ve flekerleringerçekten di¤er moleküllere ba¤l› yap›sal k›s›mlar oldu¤uortaya ç›km›flt›r. Di¤er moleküllere ba¤l› flekerlerinoluflturdu¤u hibrit moleküller glikokonjugatlar olarakisimlendirilmifltir (2-4).

Glikokonjugatlar› oluflturan glikoproteinler,proteoglikanlar ve glikolipitlerde oligosakkarid yanzincirleri s›ras› ile polipeptit ve lipitlere kovalent ba¤larlaba¤lan›rlar. Glikozilfosfatidil içeren glikokonjugatlar, zarç›palar›nda ise hücre zar›n›n yap›s›nda bir yandan birproteini bir yandan da bir lipidi ba¤layarak moleküler birköprü gibi görev yaparlar.

Glikobiyoloji, do¤ada yayg›n flekilde bulunan flekerzincirlerinin yap›lar›n›, biyosentezlerini ve biyolojikgörevlerini çal›flan yeni araflt›rma alan›n›n ad›d›r. Bu,karbonhidrat kimyas› ile glikan sentezi veyaparçalanmas›ndan sorumlu proteinlerin enzimolojisinden,flekerlerin görevlerine ve çeflitli tekniklerle çeflitlidüzeylerde yap›lan yönlendirme çal›flmalar›na kadar geniflbir alana yay›l›r. Bu alan; organik kimya, moleküler hücrebiyolojisi ve fizyolojisi, moleküler genetik gibi disiplinlerindeste¤iyle giderek geliflmektedir (5,6).

Moleküler biyolojide bilgi ak›fl yönünün uzun zamand›rDNA → RNA → Protein → Hücre fleklinde oldu¤u bilinir.Yeni bilgilerle bu ak›fl›n, flekerlerin rolleri de göz önüneal›narak afla¤›daki gibi de¤ifltirilmesi önerilmektedir (fiekil1) (6). Bilgilerimizin bu flekilde de¤iflmesi yak›n zamandaortaya ç›kan bir geliflmedir.

Glikobiyolojinin Tarihçesi

Glikobiyolojinin tarihçesinde kilometre tafl› olanafla¤›daki çal›flmalar, çeflitli kaynaklardan (7-9) derlenereks›ralanm›flt›r.

Ayr› bir biyolojik bileflik olarak ilk belirlenenglikoproteinler, musinlerdir (1835, Saussure).Ondokuzuncu yüzy›l›n ikinci yar›s›nda musinlerin bir ço¤u

saf olarak ayr›lm›flt›r. Eichwald 1865’de, musinlerin birproteinin bütün özelliklerini ve belli flartlar alt›nda birflekerin özelliklerini tafl›yan k›s›mlardan oluflan bileflikleroldu¤unu bildirmifltir. Musinlerin k›rlang›ç gibi yuva yapanbir kuflun tükürü¤ünde bulundu¤u ve yuva harc› olarakrol oynad›¤› 1881’de Hoppe-Seyler taraf›ndanbildirilmifltir. Hammarsten (1885, 1888) daha ileri netbir aç›klamayla flekerlerin musin glikoproteinlerininyap›sal k›s›mlar› oldu¤unu göstermifltir. 1889’da ilkkondroitin sülfat izolasyonu Mörner taraf›ndanyap›lm›flt›r. Glikobiyolojinin geliflmesinde en önemlibelirlemelerden biri sialik asidin saptanmas› vetan›mlanmas›d›r. Bu, 1936’da submaksillar musininden(Blix taraf›ndan) ve 1935-1939 y›llar›nda da sinir dokusuglikolipitlerinden (Klenk taraf›ndan) s›ras›yla sialik asit venöraminik asit ad›yla elde edilmifltir. Glikoproteinlerianlamam›za do¤ru ilk önemli ad›m 1938’de Neubergertaraf›ndan at›lm›flt›r ve flekerlerin musinlerin d›fl›ndakidi¤er proteinlerde de ba¤l› bulundu¤u bildirilmifltir.Protein glikozilasyonunun biyolojide öneminin anlafl›lmas›ve glikokonjugatlardaki protein ve lipitlere ba¤l› fleker yanzincirlerinin fizyolojik ve t›bbi anlamlar›, 1941 y›llar›ndabelirmeye bafllam›flt›r. 1942 y›l›nda Influenza virüsününeritrosit aglutinasyonuna neden oldu¤u gösterilmifltir(Hirst taraf›ndan). Bu, glikokonjugatlar›n biyolojisine ilgiyiuyaran ilk gözlem olmufltur. Burnet ve grubu da (1947)benzer flekilde etki yapan Vibrio cholerae’n›n kültüründereseptör bozan enzim (reseptör destroying enzyme, RDE)olarak isimlendirilen bir enzimin varl›¤›n› bildirmifllerdir.Reseptör bozan enzim ile musinlerin aktivitesininbozulmas› s›ras›nda daima N-asetilnöraminik asit a盤aç›kt›¤›ndan Gotschalk, daha sonra bu enzimi nöraminidazolarak isimlendirmifltir (1949).

1954’de N-asetilnöraminik asidin izolasyonubaflar›lm›flt›r (Klenk ve Faillard). Ayn› y›l, seçici flekildekarbonhidrat ba¤layan proteinlerin (Lektinlerin) tan›m›yap›lm›flt›r (Boyd ve Shapleing). Ellili y›llar›n sonunda

GlikobiyolojiGüncel Moleküler Biyoloji

490

DNA

Karbonhidratlar

Organizma

Hücre Glikokonjugatlar

Lip it ler

Enz im l e rProteinlerRNA

fiekil 1. Hücreye bilgi ak›fl yollar› (Varki ve ark., 1999’danal›nm›flt›r).

karbonhidrat zincirlerinin proteinlere kovalentba¤lanmas› aç›kça ortaya konmufltur (Muir, 1958).1960’lar›n bafllar›nda O-ba¤l› (Lindahl ve Rodén) ve N-ba¤l› (Neuberger ve Marshall) karbonhidrat ba¤lar›tan›mlanm›flt›r. Bütün bu biriken bilgilerden sonra,birdenbire karbonhidratlar›n her yerde bulundu¤ugörülmeye bafllanm›flt›r. Lewisa (Lea) ve Lewisb (Leb) kangrubu belirleyicileri, kan hücrelerinin karbonhidratyap›lar›na dayand›r›lm›flt›r (Kabat ve Morgan, 1968).

Bu tarihe kadar yap›lan net bulufllara karfl›n, döneminaraflt›r›c›lar›n›n ço¤u dikkatlerini yeni geliflmekte olanmoleküler biyolojiye ve nükleik asitlere do¤ruçevirdiklerinden, karbonhidrat biyolojisine yeterli ilgigösterilmemifltir. 1968’de Ashwell ve Morell, dönümnoktas› anlam›na gelen bir bulufl yaparak karbonhidratbiyolojisine ilgiyi canland›rm›fllard›r. Araflt›r›c›lar 64Cuiflaretli seruloplazmin kullanarak fleker zincirlerinde sonuçta bulunan sialik asidi enzimatik olarak uzaklaflt›rm›fllarve bu sialik asit tafl›mayan formu laboratuvar tavflanlar›naenjekte ettiklerinde, bu maddenin kanda dolafl›mömrünün k›sald›¤›n› ve iflaretli seruloplazminmoleküllerinin ise karaci¤erde birikti¤ini ortayakoymufllard›r. Aç›klamaya göre, sialik asidin alt›nda yeralan galaktozu tan›yan karaci¤er reseptörleri(asialoreseptörler) sialik asitsiz seruloplazmini kandanuzaklaflt›rm›fllard›r.

Serum glikoproteinlerindeki fleker zincirlerinin,molekülleri ve hücreleri kan dolafl›m›ndan uzaklaflt›rmazaman›n› belirleyen sinyallerden sorumlu oldu¤unun keflfi,araflt›r›c›lar aras›nda büyük yank› uyand›rm›flt›r. Art›k dahaönce düflünüldü¤ü gibi flekerlerin anlams›z ve kabamaddeler olmad›klar› ortaya ç›km›flt›r. fiekerlerinanlafl›lmas› güç fakat çok ince bir seçicilikle bilgi tafl›y›c›lar›olarak ifl gördüklerinin ay›rt edilmesi, son y›llardaaraflt›r›c›lar›n dikkatlerini büyük ölçüde çekmektedir.1960’lar›n sonuna do¤ru, normal hücrelerden farkl› olarak,kanser hücrelerinin yüzeyinde glikokonjugat flekerzincirlerinin bulundu¤unu iflaret eden yay›nlar görülmeyebafllam›flt›r. Protein glikozilasyonunu kanserle iliflkilendirenen önemli gözlemlerden biri 1969’da ilk defa Robbins vegrubu taraf›ndan yap›lm›flt›r. Radyoaktif iflaretlenmiflmonosakkaritlerin varl›¤›nda kültürü yap›lan kanserhücrelerinde normal hücrelerde bulunanlara göre çok dahabüyük moleküllü fleker zincirlerinin bulundu¤u iflaretedilmifltir. Farkl› transformasyon yöntemleri ve çeflitli hücretiplerini kullanan Warren ve Glick’in baflar›l› çal›flmalar›ndan(1970,1971,1972) sonra bu fenomen Warren-Glick

Fenomeni olarak an›lmaya bafllanm›flt›r. Fenomen basitçekanser durumunda hücre yüzeyinde dallanm›floligosakkaritlerin say›s›n›n çoklu¤unu ve oligosakkaritzincirlerinin dallanmas›ndan sorumlu özel birglikoziltransferaz enziminin (N-asetilglukozaminiltransferaz V) hiperaktivitesini ifade eder.Elde edilen bu bilgiler, glikoprotein biyosentezinidüzenleyen anahtar enzimler olan glikoziltransferazlarlailgili çal›flmalar› uyarm›flt›r. Bu enzimlerin, hücrelerin yüzeyfleker profilinin kontrolünde kopya ç›k›fl›n›n düzenlenmesive kanser durumu için anlamlar› yak›n zamandakeflfedilme¤e bafllanm›flt›r. 1970’lerin sonundaglikoziltransferaz enzimlerinin izolasyonuna bafllanm›flt›r.‹lk izolasyon kolon kromatografi yöntemiyle (Schwaezer veHill 1977; Hill 1978) gerçeklefltirilmifltir. 1981’de Nunezve Barker’in sentetik amaçlar için ilk glikoziltransferazuygulamas›n› yapmalar› kimyac›lar ve biyologlar›n buenzimleri pratik olarak kullanabilmelerinin yolunu açm›flt›r.Daha sonra 1986’da üç grup -Shaper, Qasba ve Fukuda-taraf›ndan β1,4-galaktoziltransferaz cDNA’larklonlanm›flt›r. Geçen süreç içinde, farkl› türlerde bir çokglikoziltransferaz genleri ve cDNA’lar› elde edilmifltir.Glikoziltransferaz genlerinin klonlanmas› sürüp gidenglikobiyoloji çal›flmalar› içinde temel önemde bir geliflmedir.

Glikobiyolojide çeflitli özel alanlar için anahtar rolüoynayan birbirinden ayr› önemli bulufllar yap›lmaktad›r.Bunlardan birisi, glikoproteinlerin da¤›l›fl› ile ilgilidir.1980’lerin ortalar›na kadar glikokonjugatlar›n yo¤unflekilde hücrelerin d›fl yüzünde, hücre içi organellerin içyüzünde ve salg› moleküllerinde bulundu¤u kabuledilmiflti. Bugün glikokonjugatlar, sadece hücre yüzeyindede¤il art›k hücrenin sitoplazmas› ve nukleusunda dagösterilmektedir (Hart ve grubu, 1984). Hücrenin bubölgelerindeki glikozilasyonun, sitoiskeletorganizasyonunun devaml›l›¤› ve kopya ç›k›fl›n›ndüzenlenmesi gibi olaylarda rolleri vard›r. Bir di¤erönemli bulufl, N-ba¤l› oligosakkaritlerin özelliklehormonal sinyallerin geçiflini kontrol etmede oynad›klar›rollerde yap›lm›flt›r. 1985’de Calvo ve Ryan, insankorionik gonadotropin hormonun N-glikozilasyonundakide¤iflikli¤in hormonun davran›fl›n› etkiledi¤ini veagonistten antagoniste de¤ifltirdi¤ini bildirmifllerdir. Sonolarak glikojen molekülü 1855’de Bernard taraf›ndanglukozun depo flekli olarak tan›mlanm›flt›. Glikojeninkovalent ba¤l› proteinler içerdi¤i, asl›nda bir glikoproteinoldu¤u yak›n zamanda ortaya konmufltur. Bu bilginin eldeedilmesi için 100 y›l› aflan bir sürenin geçmesigerekmifltir.

S. KARAÇALI

491

1980'lerin sonunda bilimsel dile bu yeni terminolojigirifli yap›lm›flt›r. Glikobiyoloji konusunda çal›flanlarkendili¤inden glikobiyolog olarak tan›nmaya bafllanm›flt›r.

fiekerlerin Görevi ve Mikroçeflitlili¤in Önemi

Bir biyolojik sistemde flekerlerin biyosentezi ve yap›lar›ile görevleri aras›nda iliflkiler olmal›d›r. fiekerlerinbiyolojik rolleri çok de¤iflkendir. Bu rol, geliflme, büyüme,farkl›laflma olaylar›nda, önemsiz olandan çok önemli olanakadar genifl bir spektruma yay›l›r.

fiekerlerin en önemli görevleri moleküller ve hücreleraras› tan›ma olaylar›nda görülür (3,10-16). Molekülleraras› tan›ma olaylar›n›n örnekleri, hücre içi trafiktelizozomal enzimlerin veya salg› proteinlerininyönlendirilmesinde bulunur. Hücreler aras› tan›maolaylar›n›n çeflitli örnekleri; embriyonik, otoimmun-alloimmun iliflkiler ve metastazlarda oldu¤u gibi hücre-hücre tan›mas›nda, hücre matriks-tan›mas›nda, virüs,bakteri ve protozoa gibi zararl›lar›n enfeksiyoniliflkilerinde, hücreler aras› trafikte, enfeksiyonbölgelerine kan hücrelerinin göçünde bilinmektedir.fiekerlerin iyi bilinen bir di¤er görevi, tan›may› engellemeveya maskeleme olarak tan›mlanmaktad›r. Tan›maolaylar›ndan sorumlu fleker reseptörleri bir di¤er flekerlekapat›larak tan›ma iliflkilerinin kurulmas› engellenir.Hücre yüzeylerinde özel tabaka oluflturma, koruyucu vesa¤lamlaflt›r›c› görevlerine ek olarak baz› metabolitlerinbelli yerlerde depolanmas›nda da rol oynarlar. Hücrebüyümesini, kopya ç›k›fl›n›n düzenlenmesini ve sitoiskeletorganizasyonunu, açma-kapama ve ayarlama fleklindekiifllevleri ile kontrol ederler. Hormonlar veya bilgi tafl›yandi¤er moleküllerin tan›nmas› yoluyla sinyal iletiminigerçeklefltirerek biyolojik olaylar›n de¤iflimini düzenlerler.Hücreler aras› sosyal iliflkilerde moleküler hakemler gibiçal›fl›rlar. Tüm bu görevler az say›daki (glukoz, galaktoz,mannoz, fukoz, N-asetilglukozamin, N-asetilgalaktozamin, glukuronik asit, iduronik asit ve ksilozgibi) monomerik birimlerle gerçeklefltirilir (6,17).

Do¤adaki biyolojik farkl›l›k ve flekerleringerçeklefltirdi¤i özel biyolojik görevler monomerikbirimlerin; 1-S›ralanma özellikleri, 2-Modifikasyonlar› ve3-Glikozilasyon h›zlar›yla ortaya ç›kan mikroçeflitlilik ileaç›klanmaktad›r. Monomerik birimlerin s›ralanmaözellikleri; say›lar›, dizileri, α- veya β- ba¤lar›, ba¤lanmapozisyonlar› ve dallanma özellikleriyle belirlenir.Monomerik birimlerin modifikasyonlar›; hidroksilgruplar›n›n fosforilasyonu, sulfasyonu, metilasyonu, O-asetilasyonu ve ya¤ asidi ba¤lanmas›yla, amino gruplar›n›n

N-asetillenmesi ve N-sulfatlanmas›yla ve karboksilgruplar›n›n da laktonize olmas›yla ortaya ç›kar.Glikozilasyon h›z›, Golgi sahas›nda yer alan s›raylameydana gelen yar›flmal› reaksiyonlar›n h›z›yla ilgilidir. Birglikozilasyon yerinden-di¤erine, bir proteinden-di¤erine,bir hücreden - di¤erine de¤iflir. Yeni çal›flmalardamikroçeflitlili¤in görevsel anlamlar› aç›klanmayaçal›fl›lmaktad›r.

Glikoproteinlerin gösterdi¤i mikroçeflitlili¤i aç›klamakiçin glikoform ve glikotip terimleri kullan›l›r (18).Glikoformlar, ayn› dokudan elde edilmifl, ayn›glikoproteine ait farkl› oligosakkarit yan zincirlerinitafl›yan farkl› moleküllerdir. Her bir glikoform farkl›fiziksel veya biyokimyasal özelliklere sahip olduklar› içingörevsel olarak da farkl›d›r. Böylece glikozilasyon profilide¤ifltirilerek mikroçeflitlilik yoluyla hücreler, iliflkili geninifadesini de¤ifltirerek, bir glikoproteinin görevini kontroledebilmektedirler. Glikotip terimi ise özel bir hücre tipininbir tek glikozilasyon kapasitesini iflaret eder. Bu, ayn›organizmada farkl› dokular aras›nda, erkek-difli aras›ndave türler aras›nda glikozilasyondaki de¤iflikli¤i yans›t›r. Eniyi bilinen örnek; glikoprotein γ-glutamyltranspeptidase(γ-GT)’›n fleker zincirlerinde, karaci¤erden mi yoksaböbrekten mi elde edildi¤ine ba¤l› olarak görülenfarkl›l›kt›r. Böbrek örneklerinde -γ-glutamyltranspeptidase yap›s›nda- iki dall› oligosakkaritlerbulunurken, karaci¤er dokusu örneklerinde dallanmam›floligosakkaritler bulunur. Böylece farkl› hücreler ayn›proteinin glikozilasyonu için farkl› yeteneklere sahipolmaktad›rlar (8). K›saca mikroçeflitlilik, bir farkland›rmamekanizmas› gibi çal›fl›r ve flekerlerin yap›s›nda oluflanince farklar biyolojik ligantlar olarak ifl görür (6,19).

Glikobiyoloji Çal›flmalar›nda Yöntemler

Glikobiyoloji alan›nda çal›flmalar 1-Moleküler yap›belirlenmesi, 2-Glikozilasyon mekanizmas›n›n kontrolü,3-Miktar ve Fenotipik belirlemeler ve 4-Gen klonlanmas›konular›na odaklanm›flt›r (5,6).

Glikokonjugatlar›n moleküler yap›lar› çok hassas çeflitlikromatografik ve spektroskopik yöntemlerle belirlenir (9,20-24). Çok pahal› ve özel aletler gerekir.Glikokonjugatlar›n saflaflt›r›lmalar› s›ras›nda çeflitli tiptekay›plar olur. Biyolojik olarak aktif bilefliklerin ço¤unun izmiktarlarda bulunmalar›, bu yöntemlerle çal›fl›rkenkarfl›lafl›lan en temel sorundur. Çünkü belirli bir kal›bagöre sentezlenmediklerinden (25) miktar›n› art›rmak içinpolimeraz zincir reaksiyonuna benzer bir yöntem yoktur.

GlikobiyolojiGüncel Moleküler Biyoloji

492

Glikozilasyon mekanizmas›n› çal›flmak için; enzimler(endoglikozidazlar ve ekzoglikozidazlar), lektinler,kimyasal modifikasyonlar veya kesmeler, metabolikradyoaktif iflaretlemeler, glikozilasyon engelleyicileri,antikorlar, glikoziltransferazlar›n moleküler klonlanmas›ve yaflayan hücrelerde glikozilasyon enzimleri yoluylagenetik de¤ifltirmeler gibi yöntemler kullan›l›r. Sony›llarda kimyasal ve enzimatik yöntemler kullanarakflekerlerin yönlendirilmifl in vitro sentezi, glikozilasyonmekanizmas›n› aç›klamak için önemli katk›lar sa¤lam›flt›r.Ek olarak, kültürü yap›lan hücrelerde genetikhasarland›r›lm›fl mutant hücrelerle ve hücre matriksiliflkilerinde tan›ma olaylar› çal›fl›lmaktad›r.

Miktar ve fenotipik belirlemeler için lektinlerin,flekerleri özel seçicilikle tan›y›p-ba¤lanmas› özelli¤indenfaydalan›l›r. Lektinler, monomerik birimleri, glikoproteinizolasyonunu ve miktar tayinlerini, kültür hücrelerininfenotiplerini, özel bir hücre tipinin farkl› görevsel vemetabolik safhalar›n› ve farkl› hücre populasyonununfenotipik özelliklerini belirlemek için kullan›lmaktad›r(6,26,27).

Glikobiyoloji alan›nda gen klonlanmas› çal›flmalar›,glikozilasyondan sorumlu enzimlerin (glikoziltransferazve glikozidaz) genlerinin klonlanmas›yla ilgilidir. Klonlamaçal›flmalar› hem mutant enzimler oluflturarakglikozilasyon mekanizmas›n›n anlafl›lmas› ve hem dekimyasal sentez yoluyla yeni glikoprotein ilaçlar›n›ngelifltirilmesini amaçlayan biyoteknoloji için önemlidir.

Glikobiyoloji çal›flmalar›nda elektron mikroskobu (EM)birkaç noktada önemli katk›lar sa¤lamaktad›r. Farkl›lektinlerin karbonhidrat ba¤lama seçicili¤indenyararlan›larak, lektinlerle iflaretleme ve enzim sindirimi ileizleme yöntemleri (22,28-30) yayg›n flekildekullan›lmaktad›r. Baz› lektinlerin seçicili¤i zay›fken, di¤erbaz›lar› bir tek flekeri, onun ba¤›n› da seçecek kadar seçicidavranmaktad›rlar. Bu hassas seçicili¤inden yararlanarak,lektinler EM çal›flmalar›nda oligosakkaritlerdemonasakkarit bileflimi, s›ra analizi ve ba¤lanma özelli¤ibelirlemeleri için kullan›lmaktad›r. Kolloidal alt›nuygulamalar›n›n (31) sa¤lad›¤› görüntüleme kolayl›¤›ndanfaydalanmak için alt›n partikülleri ba¤lanm›fl lektinlerinkullan›m› EM çal›flmalar›nda yayg›nd›r. Bugün hücrelerinbilinmezlerle dolu bir kara kutu gibi duran glikozilasyonmakinesinin nas›l çal›flt›¤›n› anlamak, glikozilasyondayap›sal de¤iflmelerin biyolojik, fizyopatolojik sonuçlar›n›incelemek için lektinler çok de¤erli araçlard›r. Hücreseltan›ma olaylar›n›n incelenmesinde; hücre yüzeylerinin

yo¤un fleker örtüsü de¤iflikliklerinin ve flekerreseptörlerinin gösterilmesinde (32) lektin iflaretlemelerigüvenilir bilgiler sa¤lar. Ayr›ca lektinler glikozilasyonmekanizmas›n›n gerçekleflti¤i Endoplazmik Retikulum →Golgi → Plazmalemma yolundaki ifllevsel bölmeleri vesorumlu enzimleri göstermek için kullan›lmaktad›r.

Temel Araflt›rma, T›p ve BiyoteknolojideGlikobiyoloji

Glikobiyoloji, temel araflt›rma ile t›p ve teknoloji gibiuygulamal› alanlarla iliflkili olarak çok çabuk geliflen bilimdallar›ndan biridir. Biyoteknoloji, farmasötik velaboratuvar malzemeleri sa¤layan flirketler bu alanabüyük yat›r›mlar yapmaktad›rlar. Son 20 y›ldaaraflt›rmalar patlama fleklinde artm›flt›r. Bunun iki nedenivard›r. Birincisi; hücrelerin çevreleriyle her türlüiliflkilerinin kurulmas›nda hücre farkl›laflmas›, geliflmesi,ölümü, fizyopatolojisi ve kanser durumunda flekerleringörevlerinin gittikçe daha iyi belirlenmesidir. ‹kincisi;glikobiyolojinin t›ptaki öneminden kaynaklanmaktad›r.‹laçlar›n yak›n gelecekte rekombinant proteinlerdenoluflaca¤› giderek daha iyi anlafl›ld›¤›ndan,glikoproteinlerdeki flekerlerin rollerini (sa¤lamlaflt›rma,proteazlar ve antikorlar›n tan›mas›ndan koruma, biyolojiketki de¤iflimi, açma-kapama-ayarlama, yar› ömrünbelirlenmesi ve bilgi iletimi gibi) anlamak için büyükat›l›mlar yap›lmaktad›r.

Glikobiyoloji alan›nda çal›flmalar›n art›fl gösterdi¤idönem, lektinlerin tan›nmas›yla uyumludur. Yüksekomurgal›larda lektin-karbonhidrat iliflkilerinin örneklerihücrelerin tutunmas›nda, reseptörlerin aktifleflmesinde,hücre farkl›laflmas›nda, doku morfogenezisinde, sinirselmimarinin düzenlenmesinde, moleküler sinyallerinokunmas›nda, sialik asidi uzaklaflt›r›lm›fl (asialo-)glikoproteinlerin ve hücrelerin reseptörle idare edilenendositozisinde, yumurta-sperm ba¤lanmas›nda, immünsistemde hücreler aras› iliflkilerde, hücreselproliferasyonun kontrolünde, nötrofillerin enfeksiyonyerlerine yönlendirilmesinde ve miyelin flekillenmesindegörülmektedir (6,26).

Molekül ve hücrelerde glikozilasyon de¤iflmeleriembriyogeneziste hücre tutunmas›nda, reseptöraktifleflmesinde, hücre farkl›laflmas› ve dokumorfogenezisinde görülmektedir. Kansere de¤iflmiflhücrelerdeki belirlemelere ek olarak çeflitli hastal›klardada (aterosiklerozis, diabetis mellitus, romatoit artritis,kistik fibrozis, nörolojik ve psikiyatrik hastal›klarla çeflitlienfeksiyon hastl›klar›) glikozilasyon de¤iflmeleri

S. KARAÇALI

493

bildirilmifltir (6,33). Omurgas›zlarda çeflitli dokuglikokonjugatlar›nda farkl› geliflme safhalar›nda da uçfleker sialik asidin miktar› ve tipleri ile de¤iflimleribelirlenmektedir (23,34,35).

Glikobiyoloji, modern biyoteknolojide de gittikçe artanöneme sahiptir. Çünkü biyolojik aktif do¤al moleküllerinço¤u glikokonjugatlard›r. fiekerler ba¤l› olduklar›moleküllerin sentezi, parçalanmas›, kararl›l›¤› veaktifleflmesinde çok önemli etkilere sahiptir (5,20).Biyolojik olarak aktif moleküllerin iliflkilerini hassas birseçicilikle kurmalar› için, fleker ligantlar›n›nreseptörlerinin belirlenmesi gerekmektedir. fieker-reseptör iliflkilerinin ayr›nt›lar›n›n bilinmesi, biyoteknolojive t›p gibi uygulamal› alanlarda moleküler düzeydeyaklafl›mlarla üretim, koruma, tan› ve tedavi amaçl›

yöntemlerin gelifltirilmesini sa¤lar. Bu nedenleGlikobiyoloji ve Karbonhidrat Kimyas›n›n ModernBiyoteknolojideki önemi gittikçe artmaktad›r. T›pta tedaviedici düzenlemelerin (patojenlere ve toksinlere karfl›engelleyicilerin, kanser, iltihaplanma ve doku nakliuygulamalar›nda immün sistemi bask›layan ilaçlar›n)yap›lmas› ve organizmada hedef hücrelere veya dokularaseçici flekilde flafl›rmadan ba¤lanan ilaçlar›n sentezlerininbaflar›lmas› hedeflenmektedir.

Bugün glikobiyoloji, moleküler düzeydeki bilimselaraflt›rmalar›n en son, iyi belirlenmifl ve h›zla geliflmekteolan dal›d›r. Glikopatoloji, Glikoimmünoloji veGlikoteknoloji alt bölümleri genifl bir yelpazeyeyay›lmaktad›r. Birbiriyle iliflkili bu alanlar GL‹KOB‹L‹MLER(GLYCOSCIENCES) ad› alt›nda toplanmaktad›r.

GlikobiyolojiGüncel Moleküler Biyoloji

494

Kaynaklar

1. Sharon, N., Lis, H.: Carbohydrates in cell recognition. Sci. Am.,1993; 268: 82-89.

2. Reuter, G., Kelm, S., Schauer, R.: Chemistry and biology of cellsurface glycoconjugates. Acta Histochemica, 1988; Suppl. Band36: 51-79.

3. Allen, H.J., Kisailus, E.C.: Glycoconjugates: Composition,Structure and Function. New York: Marcel Dekker Inc., 1992; pp685.

4. Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M.: Principles ofBiochemistry. New York: Worth Publishers, 1993; pp 1013.

5. Fukuda, M., Hindsgaul, O.: Molecular Glycobiology. Oxford: IRLPress, 1994; pp 261.

6. Varki, A., Cummings, R., Esko J., Freeze, H., Hart, G., Marth, J.:Essentials of Glycobiology. New York: Cold Spring HarborLaboratory Press, 1999; pp 653.

7. Faillard, H.: The early history of sialic acids, in Proceedings of theJapanese-German Symposium on Sialic acids (Eds. Schauer R.,Yamakawa T.), 1988; 6-18.

8. Bill, R.M., Revers, L., Wilson, I.B.H.: Protein Glycosylation.Boston: Kluver Academic Publishers, 1998; pp 508.

9. Rao, V.S.R., Qasba, P.K., Balaji, P.V., Chandrasekaran, R.:Confirmation of Carbohydrates. Australia: Harwood AcademicPublishers, 1998; pp 359.

10. Feizi, T.: Cell-cell adhesion and membrane glycosylation. Curr.Opin. Struc. Biol., 1991; 1: 766-770.

11. Feizi, T.: Towards understanding roles of oligosaccharides asrecognition structures. In Glyco- and Cell Biology. Biosynthesis,Transport and Function of Glycoconjugates (Eds. Wieland F. andReutterW.) 44. Collogium-Mosbach 1993, Berlin: Springer-Verlag, 1994; 145-160.

12. Baenziger, J.U.: The biologic significance of glycoprotein hormoneoligosaccharides. In Glyco- and Cell Biology. Biosynthesis,Transport and Function of Glycoconjugates (Eds. Wieland, F. andReutter, W.) 44. Collogium-Mosbach 1993, Berlin: Springer-Verlag, 1994; 161-167.

13. Kelm, S., Schauer, R., Crocker, P.R.: The sialoadhesins -a familyof sialic acid-dependent cellular recognition molecules within theimmunoglobulin superfamily. Glycoconjugate J., 1996; 13: 913-926.

14. Kelm, S., Schauer, R.: Sialic acids in molecular and cellularinteractions. Int. Rev. Cytol., 1997; 175: 137-240.

15. Schauer, R., Kamerling, J.P.: Chemistry, Biochemistry andBiology of Sialic Acids. In Glycoproteins II (Eds: Montreuil J.,Vliegenthart J.F.G., Schachter H.), Amsterdam: Elsevier, 1997;243-402.

16. Varki, A.: Biological roles of oligosaccharides. In Tools forGlycobiology. Novato: Glyco Inc., 2001; 7.18-7.32.

17. Kobata, A.: Principles of glycobiology. In Tools for Glycobiology.Novato: Glyco Inc., 2001; 7.2-7.7.

18. Rademacher, T.W., Parekh, R.B., Dwek, R.A.: Glycobiology. Ann.Rev. Biochem. 1988; 57: 785-838.

19. Hart, G.W.: Glycosylation. Curr. Opin. Cell Biol., 1992; 4: 1017-1023.

20. Fukuda, M., Kobata, A.: Glycobiology: A Practical Approach.Oxford: IRL Press, 1993; pp 401.

21. Chaplin, M.F., Kennedy, J.F.: Carbohydrate Analysis: A PracticalApproach. Oxford: IRL Press, 1994; pp 324.

22. Karaçal›, S., K›rm›z›gül, S., Deveci, R., Deveci, Ö., Onat, T., Gürcü,B.: Presence of sialic acid in prothoracic glands of Galleriamellonella (Lepidoptera). Tissue Cell, 1997; 29: 315-321.

S. KARAÇALI

495

23. Karaçal›, S., K›rm›z›gül, S., Deveci, R.: Sialic acids in developingtestis of Galleria mellonella (Lepidoptera). Invertebr. Reprod.Dev., 1999; 35: 225-229.

24. Towsen, R.R., Hotchkiss, J.R.: Techniques in Glycobiology. NewYork: Marcel Dekker Inc., 1997; pp 637.

25. Pierce, M., Turley, E.A., Roth, S.: Cell surface glycosyltransferaseactivities. Int. Rev. Cytol., 1980; 65: 1-47.

26. Gabius, H.J., Gabius, S.: Lectins and Glycobiology. Tokyo:Springer-Verlag, 1993; pp 521.

27. Rhodes, J.M., Milton, J.D.: Lectin Methods and Protocols:Methods in Molecular Medicine. Totowa: Humana Press, 1998;pp 616.

28. Karaçal›, S., Deveci, R., Deveci, Ö.: Fine Structural Localization ofSialic Acid on the Cell Coat of Prothoracic Glands of Galleriamellonella (Lepidoptera). 17th Conference of EuropeanComparative Endocrinology, 1994; Abst. no. 264.

29. Karaçal›, S., Deveci, R., Deveci, Ö.: Galleria mellonella(Lepidoptera)'n›n Protorasik Bezlerinde Glikozaminoglikanlar,Tübitak Projesi, TBAG-1181, 1994; pp 38.

30. Karaçal›, S., Deveci, R., Pehlivan, S., Özcan, A.: Adhesion ofhemocytes to desialylated prothoracic glands of Galleria mellonella(Lepidoptera) in larval stage. Invertebr. Reprod. Dev., 2000; 37:167-170.

31. Horisbarger, M.: Colloidal and its application in cell biology. Int.Rev. Cytol., 1992; 136: 227-287.

32. Karaçal›, S., Deveci, R.: Protorasik Bezlerdeki HemositReseptörünün Belirlenmesi, Tübitak Projesi, TBAG-AY/214,2001; pp 16.

33. Brockhausen, I., Kuhns, W.: Glycoproteins and Human Disease.Heidelberg: Springer-Verlag, 1997; pp 242.

34. Karaçal›, S., Deveci, Ö., Deveci, R., Onat, T., Gürcü, B.:Spectrophotometrical determination of sialic acid in severaltissues of isolated and crowded Locusta migratoria (Orthoptera).‹st. Üniv. Fen Fak. Biyol. Derg., 1995; 58: 47-57.

35. Karaçal›, S., Deveci, R., Deveci, Ö., Onat, T., Gürcü, B.:Spectrophotometrical determination of sialic acid in the tissues ofGalleria mellonella (Lepidoptera). ‹st. Üniv. Fen Fak. Biyol. Derg.,1995; 58: 59-67.