Memelilerde bulunan sodyum kanallarının homoloji modellemesi ve doğruluğunun test edilmesi

Abstract

Hücre zarı birbirine kenetlenmiş lipid moleküllerinden oluşur ve iyonlara geçirgendeğildir. Hücreye iyon taşınımını gerçekleştiren yapılar zar boyunca uzanan integralproteinlerdir. İyon kanalları, bu integral proteinlere örnek verilebilir. Voltaj kapılısodyum (Nav) kanalları iyon kanalları ailesinin önemli bir üyesidir ve fizyolojiksüreçleri denetleyen aksiyon potansiyellerini başlatan yapılardır. İyon kanallarınınbozulmasıyla kalıtsal epilepsi, migren, periyodik paralizi, kardiyak aritmi ve kronikağrı sendromları oluşmaktadır. Son zamanlarda ortaya çıkan bakteriyel sodyumkanallarının kristal yapıları bu konuda çalışmaya olanak sağlamıştır. Kristal yapısıbilinen bir örneği kullanarak bilinmeyen bir kristal yapıyı tahmin etme işlemihomoloji modeli olarak adlandırılmaktadır. Memelilerde bulunan dokuz farklıfonksiyona sahip sodyum (Nav1.1-Nav1.9) kanallarının kristal yapısıbilinmemektedir. Bu nedenle memelilerde bulunan sistemlerin modellemesi içinbilinen benzer sistemler baz alınarak homoloji modellemesi yardımıyla üç boyutluyapılar elde edilmektedir. Ancak memeliler ile diğer yapıların proteindizilimlerindeki benzerliğin az oluşu bu işlemi zorlaştırmaktadır. Yakın zamanda amerikan hamam böceğinden elde edilen bir kristal yapı, memelilerde iyongeçirgenliğinin denetlendiği bölgede (S5-S6 Bölgesi) %90 oranında yüksek birbenzerlik göstermektedir. Bu nedenle yaptığımız modellemelerde NavPaS (PDBkodu: 5X0M) kristal yapısı baz alınmıştır. Memelilerde bulunan kanalların kristalyapıları bilinmemelerine rağmen bu kanallara seçici olarak bağlanan bazı toksinlerhakkında deneysel sonuçlar mevcuttur. Geliştirdiğimiz modellerin geçerliliği(validasyonu) moleküler dinamik simülasyonları yardımıyla bağlanan toksinlerhakkında bilgi edinip, bu bilgilerin deneysel sonuçlarla karşılaştırılması aracılığıylayapılmaktadır. Geliştirilen modeller memelilerde iyon geçirgenliği ve toksinbağlanması mekanizmalarının anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır.

Cell membranes consist of two layers of lipid molecules and are impermeable toions. Ion transportation across the membrane comes true by means of integralproteins such as ion channels. Voltage gated sodium (NaV) channels are essentialelements in ion channels family that responsible for the rapid upstroke of the actionpotential. Disruption of any ion channels leads to hereditary epilepsy, migraine,periodic paralysis, cardiac arrhythmia and chronic pain syndromes. The crystalstructures of bacterial NaV channels that have been determined recently, have madeway for studies of mammalian NaV channels through homology modeling. Theprocess of predicting an unknown crystal structure using a known crystal structure iscalled homology modeling. The crystal structures of nine isoforms of sodiumchannels (Nav1.1- Nav1.9) found in the mammals are unknown. For this reason,crystal structures are obtained by using homology modeling based on knownstructures for modeling the systems found in mammals. However, homologymodeling becomes difficult because of differences between mammalian andbacterial NaV channels. A crystal structure recently obtained from american cockroach shows a high similarity of 90% in the region where ion permeabilityoccurs in mammals (S5-S6 Region). So our model is based on this crystal structurecalled NavPaS (PDB ID: 5X0M). Although the crystal structures of the channelsfound in mammals are not known, experimental results are available for some toxinsthat selectively bind to these channels. The validation of the models we havedeveloped is based on the knowledge of toxin binding by molecular dynamicsimulations and the comparison of these data with the experimental results. Thedeveloped models play a key role in understanding the mechanisms of ionpermeability and toxin binding in mammals.