Nörodejeneratif hastalıkların patogenezinde yer tutan tau proteinlerinin biyoinformatik açıdan incelenmesi
Bioinformatics investigation of tau proteins involved in the pathogenesis of neurodegenerative diseases
Yazar: HÜDANUR DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ESMA ERYILMAZ DOĞAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Tau proteinleri, hücre iskeleti proteinlerinden olan mikrotübüllerin stabilitesini korumasında ve organizasyonunda rol alarak, mikrotübüllerin normal bir şekilde çalışmasını sağlayan proteinlerdir. İnsan beyninde tau proteinleri, 17. kromozom tarafından kodlanan MAPT (Mikrotübül-İlişkili Protein Tau) ailesine ait bir proteindir ve 6 izoformu bulunmaktadır. Alzheimer hastalığı gibi bazı nörodejeneratif hastalıkların oluşum sebeplerinden biri hücre içinde NFY' lerin (Nörofibriler yumaklar) oluşmasıdır. Tau proteininin hiperfosforilizasyonu sonucunda da tau proteinlerinin mikrotübüllere bağlanma yeteneği bozulmaktadır. Bağlanmamış fosforilize tau proteini çözülemeyen çift sarmallı iplikçiklere polimerize olur ve bunlar zamanla NFY' ler haline gelirler. Nöronlar içerisinde biriken NFY' ler nöronların tahribatına yol açarak nöron kaybına sebebiyet verebilirler. Tau proteinleri NFY' lerin temel bileşeni olduklarından dolayı Alzheimer, Demans, Parkinson gibi çeşitli nörodejeneratif hastalıkların patogenezinde önemli role sahiptir. Bu çalışmada, mikrotübül-ilişkili tau proteini incelenmiştir. Çeşitli biyoinformatik araçları kullanarak, ilgilenilen proteinin özelliklerinin araştırılması, proteinin dizisi ve yapısının incelenmesi, mutasyonların belirlenmesi, üç boyutlu yapısının incelenmesi ve modellenmesi gibi çalışmaları gerçekleştirerek tau proteininin biyoinformatik araçlarla karakterizasyonu amaçlanmıştır. NCBI, SASBDB veri bankası, PDBe, Protein Data Bank, Uniprot gibi çeşitli veri bankaları kullanılarak elde edilen tau proteinin izoformları ve tau proteinindeki önemli fosforilasyon bölgeleri elde edilmiştir. İlk yapılan analiz işlemi olan BLAST taraması tau 2N4R ve 2N3R izoformları üzerinde uygulanmış ve karşılaştırılan veri tabanlarındaki dizilerle olan homoloji benzerlikleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan yola çıkarak, bu proteinle ilgili gelecekte yapılabilecek olan klinik çalışmalar için en uygun organizmaların hangileri olduğu ortaya konmuştur. Bir sonraki aşamada, tau proteinin 2N4R ve 2N3R izoformlarının coiled coil bölge tahmini işlemi için, Paircoil2 ve MPI Bioinformatics Toolkit de bulunan Deepcoil2 sunucuları kullanılmıştır. Daha sonra, ExPASy'deki ProtScale programındaki bulunan aminoasit ölçeklerinden moleküler ağırlık, hidropatilik seçenekleri kullanılarak, 2N4R tau izoformu ve 2N3R tau izoformlarının proteinin profillerinin oluşturulması ve özelliklerinin incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Son olarak, tau proteinin, üç boyutlu yapısının elde edilmesi ve incelenmesi için VMD programı kullanılmıştır. Bu şekilde çeşitli nörodejeneratif hastalıklar için önemli bir yere sahip olan tau proteinlerinin biyoinformatik açıdan analizinin gerçekleştirilmesiyle bu tarz hastalıkların anlaşılmasının hızlandırılması ve tedavi süreçlerine ışık tutulması hedeflenmektedir. Çalışmadaki bu in silico çalışmalarla, laboratuvar çalışma süreçlerinde, klinik çalışmalarında ve ilaç keşif sürecinde hız, verimlilik ve maliyet açısından büyük bir önem arz edeceği düşünülerek bu tarz çalışmalara katkı sağlamak amaçlanmıştır.

Abstract:
Tau proteins are proteins that ensure the normal functioning of microtubules by playing a role in maintaining the stability and organization of microtubules, which are cytoskeletal proteins. In the human brain, tau proteins are a protein belonging to the MAPT (Microtubule-Associated Protein Tau) family, which is encoded by chromosome 17 and has 6 isoforms. One of the causes of some neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease is the formation of NFTs (Neurofibrillary tangles) within the cell. As a result of hyperphosphorylation of tau protein, the ability of tau proteins to bind to microtubules is also impaired. The unbound phosphorylated tau protein polymerizes into insoluble double-stranded strands, which eventually become NFTs. The NFTs accumulated in neurons can cause the destruction of neurons and cause the loss of neurons. Tau proteins have an important role in the pathogenesis of various neurodegenerative diseases such as Alzheimer's, Dementia, Parkinson's due to the fact that they are the basic components of NFTs. In this study, microtubule-associated tau protein was investigated. It is aimed to characterize tau protein with bioinformatic tools by performing studies such as investigating the properties of the protein of interest, studying the sequence and structure of the protein, determining mutations, studying and modeling its three-dimensional structure using various bioinformatic tools. Isoforms of tau protein and important phosphorylation sites in tau protein were obtained by using various data banks such as NCBI, SASBDB data bank, PDBe, Protein data bank, Uniprot. BLAST scanning, which is the first analysis process performed, was performed on tau 2N4R and 2N3R isoforms and homology similarities with the sequences in the compared databases were examined. Based on the results obtained, it has been revealed which organisms are the most suitable for future clinical studies on this protein. In the next stage, server Deep coil 2 in the MPI Bioinformatics Toolkit and server Paircoil2 were used for coiled coil region estimation of 2N4R and 2N3R isoforms of tau protein. Then, the molecular weight and hydropathy options of the amino acid scales found in the ProtScale program at ExPASy were used to create protein profiles and study the properties of the 2N4R tau isoform and 2N3R tau isoforms. Finally, the VMD program was used to obtain and examine the three-dimensional structure of the tau protein. In this way, it is aimed to accelerate the understanding of such diseases and to shed light on the treatment processes by performing the bioinformatic analysis of tau proteins, which have an important place for various neurodegenerative diseases. With these in silico studies, it is aimed to contribute to such studies, considering that it will be of great importance in terms of speed, efficiency and cost in laboratory work processes, clinical studies and drug discovery processes.