Memelilerde bulunan sodyum kanallarının homoloji modellemesi ve doğruluğunun test edilmesi

Abstract

Hücre zarı birbirine kenetlenmiş lipid moleküllerinden oluşur ve iyonlara geçirgen değildir. Hücreye iyon taşınımını gerçekleştiren yapılar zar boyunca uzanan integral proteinlerdir. İyon kanalları, bu integral proteinlere örnek verilebilir. Voltaj kapılı sodyum (Nav) kanalları iyon kanalları ailesinin önemli bir üyesidir ve fizyolojik süreçleri denetleyen aksiyon potansiyellerini başlatan yapılardır. İyon kanallarının bozulmasıyla kalıtsal epilepsi, migren, periyodik paralizi, kardiyak aritmi ve kronik ağrı sendromları oluşmaktadır. Son zamanlarda ortaya çıkan bakteriyel sodyum kanallarının kristal yapıları bu konuda çalışmaya olanak sağlamıştır. Kristal yapısı bilinen bir örneği kullanarak bilinmeyen bir kristal yapıyı tahmin etme işlemi homoloji modeli olarak adlandırılmaktadır. Memelilerde bulunan dokuz farklı fonksiyona sahip sodyum (Nav1.1-Nav1.9) kanallarının kristal yapısı bilinmemektedir. Bu nedenle memelilerde bulunan sistemlerin modellemesi için bilinen benzer sistemler baz alınarak homoloji modellemesi yardımıyla üç boyutlu yapılar elde edilmektedir. Ancak memeliler ile diğer yapıların protein dizilimlerindeki benzerliğin az oluşu bu işlemi zorlaştırmaktadır. Yakın zamanda amerikan hamam böceğinden elde edilen bir kristal yapı, memelilerde iyon geçirgenliğinin denetlendiği bölgede (S5-S6 Bölgesi) %90 oranında yüksek bir benzerlik göstermektedir. Bu nedenle yaptığımız modellemelerde NavPaS (PDB kodu: 5X0M) kristal yapısı baz alınmıştır. Memelilerde bulunan kanalların kristal yapıları bilinmemelerine rağmen bu kanallara seçici olarak bağlanan bazı toksinler hakkında deneysel sonuçlar mevcuttur. Geliştirdiğimiz modellerin geçerliliği (validasyonu) moleküler dinamik simülasyonları yardımıyla bağlanan toksinler hakkında bilgi edinip, bu bilgilerin deneysel sonuçlarla karşılaştırılması aracılığıyla yapılmaktadır. Geliştirilen modeller memelilerde iyon geçirgenliği ve toksin bağlanması mekanizmalarının anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır.

Cell membranes consist of two layers of lipid molecules and are impermeable to ions. Ion transportation across the membrane comes true by means of integral proteins such as ion channels. Voltage gated sodium (NaV) channels are essential elements in ion channels family that responsible for the rapid upstroke of the action potential. Disruption of any ion channels leads to hereditary epilepsy, migraine, periodic paralysis, cardiac arrhythmia and chronic pain syndromes. The crystal structures of bacterial NaV channels that have been determined recently, have made way for studies of mammalian NaV channels through homology modeling. The process of predicting an unknown crystal structure using a known crystal structure is called homology modeling. The crystal structures of nine isoforms of sodium channels (Nav1.1- Nav1.9) found in the mammals are unknown. For this reason, crystal structures are obtained by using homology modeling based on known structures for modeling the systems found in mammals. However, homology modeling becomes difficult because of differences between mammalian and bacterial NaV channels. A crystal structure recently obtained from american cockroach shows a high similarity of 90% in the region where ion permeability occurs in mammals (S5-S6 Region). So our model is based on this crystal structure called NavPaS (PDB ID: 5X0M). Although the crystal structures of the channels found in mammals are not known, experimental results are available for some toxins that selectively bind to these channels. The validation of the models we have developed is based on the knowledge of toxin binding by molecular dynamic simulations and the comparison of these data with the experimental results. The developed models play a key role in understanding the mechanisms of ion permeability and toxin binding in mammals.