HÜcreleriMİzde önemli Bİr taşima sistemi olan vesiKÜl trafiĞİNİ DÜzenleyen mekanizmanin keşFİ
Yüklə 1,65 Mb.
|
 
HÜCRELERİMİZDE ÖNEMLİ BİR TAŞIMA SİSTEMİ OLAN VESİKÜL TRAFİĞİNİ DÜZENLEYEN MEKANİZMANIN KEŞFİ Fizyoloji ve Tıp Nobel Ödülü 2013 
Sibel ŞABANÇELEBİ İstanbul Üniversitesi Deneysel Tıp Araştırma Enstitüsü
Kasım, 2014 2013 NOBEL TIP ÖDÜLÜ
James E. Rothman; ABD’nin Massachusetts eyaletinde 1950’de dünyaya gelen Rothman, 1976 yılında Harvard Üniversitesi Tıp Fakültesi’nden mezun oldu. 1978 yılında California’daki Stanford Üniversitesi’nde hücrelerdeki kesecikler üzerinde çalışmaya başlayan Rothman, 2008 yılından bu yana Yale Üniversitesi’nde Hücre Biyolojisi Bölümü’nün başkanlığını yürütmektedir. Randy W. Schekman; ABD’nin Minnesota eyaletinde 1948’de doğan Schekman, 1974’de Stanford Üniversitesi’nden mezun oldu. Üniversite yıllarında 1959’da Nobel Ödülü’nü kazanan Arthur Kornberg ile çalışan Schekman, 1976 yılından bu yana Berkeley’deki California Üniversitesi Moleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü’nde profesör olarak görev yapmaktadır. Thomas C. Südhof; Almanya’nın Göttingen kentinde 1955’te doğan Südhof, Georg August Üniversitesi’nden mezun olduktan sonra 1982’de sinir sistemi kimyası üzerine doktorasını tamamladı. 1983’te ABD’nin Dallas kentindeki Texas Üniversitesi’nde çalışmaya başlayan Südhof, 1985’te Nobel Tıp Ödülü’nü paylaşan Michael Brown ve Joseph Goldstein’ın öğrencisi oldu. Südhof, 2008 yılından bu yana Stanford Üniversitesi Moleküler ve Hücresel Tıp bölümünde profesör olarak görev yapmaktadır. Hormonlar, transport proteinleri ve nörotransmitterleri içeren moleküller hedeflerine nasıl doğru bir şekilde yönlenmektedir? Vücudumuzdaki her hücre, spesifik hücre fonksiyonlarının organel olarak adlandırdığımız farklı kompartmanlara ayrıldığı kompleks bir organizasyona sahiptir. Hücrede üretilen moleküller vesiküllerde paketlenir ve hücre içinde veya dışında doğru lokasyonlara transport edilir. Bu hücresel kompartmentalizasyonun gizemi bilim adamlarının uzun süre ilgisini çekmiştir. Ökaryotlarda spesifik hücresel fonksiyonlar hücre nukleusunda ve intrasellüler membranla çevrili organeller içinde kompartmentalize olmuştur. Bu kompartmentalizasyon çoğu hücresel fonksiyonların etkinliğini sağlar ve hücre içinde serbestçe dolaşan zararlı molekülleri engeller. Fakat, başka hücresel prosesler kompartmentalize olduğunda problem ortaya çıkar. Farklı kompartmanlar spesifik moleküleri değiştirmeye gerek duyar (Şekil 1). Bununla beraber, bazı moleküller hücre dışına export edilmelidir. Çoğu molekül membran boyunca doğrudan geçebilmek için çok büyüktür, bu yüzden bu moleküler kargonun spesifik tesliminin sağlanması için bir mekanizma gereklidir. Şekil1: vücuttaki her bir hücre spesifik hücresel fonksiyonların gerçekleştiği kompleks bir organizasyona sahiptir. Moleküller hücrede üretilir ve hücre içinde veya dışına doğru yere transport edilir. 
Hücresel kompartmentalizasyon bilim adamlarının uzun bir süre ilgisini çekmiştir. Işık mikroskop tekniklerinin gelişmesiökaryotik hücrelerdeki intrasellular organizasyonu anlamamıza yardımcı olmuştur, fakat diferansiyel ultrasantrifüj prosedürleri kullanılan subhücresel fraksiyon ölçümleriyle kombine edilen elektron mikroskopideki ilerleme ve yeni boyama teknikleri hücrenin iç hayatını daha iyi bir şekilde anlamamızı sağlamıştır. 1974’te Fizyoloji ve Tıp alanında Nobel ödülü alan Albert Claude, George Palade ve Christian de Duve bu alanın öncüleridir ve hücrelerin nasıl organize ve kompartmentalize olduklarına ışık tutmuştur. Salgı proteinlerinin endoplazmik retikulumdaki ribozomlar tarafından üretildiğini ve golgi kompleksine taşındıklarını göstermiştir. İlerleme aynı zamanda proteinlerin uygun hedefe nasıl bağlandığını da çözmesiyle devam etmiştir. Günter Blobel; proteinlerin hücre içindeki transportunu ve lokalizasyonunu yöneten intrinsik sinyallere sahip olduğuna dair keşiflerinden dolayı 1999’da Nobel Ödülü’nü (Fizyoloji ve Tıp) almıştır. Ancak, çözülmemiş bir soru kalmıştı. Hormon, transport proteinleri ve nörotransmitterleri oluşturan moleküller uygun hedeflere doğru bir şekilde nasıl yönleniyorlar? Palade’nin çalışmalarında, ER’den salgı proteinlerinin küçük membranla çevrili vesiküller (bir membrandan tomurcuklanan ve diğerleriyle birleşen) kullanılarak taşındığı anlaşılmıştır fakat bu prosesin kesinlik nasıl kazanabileceği gizemli kalmıştır. Maya genetiği kullanılarak vesikül füzyonundaki genlerin tanımlanması Randy W. Schekman (Biyokimya eğitimi almış), membranda ve vesikül trafiğindeki mekanizmaları incelemek için biyokimyadan ziyade maya genetiğini kullanmaya karar verdi. Schekman Saccharomyces cerevisiae’nin glikoproteinleri salgıladığından bu organizmanın genetik olarak uygun olduğunun farkına vardı ve vesikül transportu ve füzyonunda çalışmak için kullandı. Schekman intrasellular transportu regule eden genleri tanımlamak için genetik bir tarama tasarladı. Schekman bazı mutasyonların letal olabileceği sonucuna vardı ve bu letalite problemlerini bypass etmek için sıcaklığa duyarlı mutantları kullandı ve salgı enzimlerinin intrasellüler akümülasyonunu etkileyen genleri taradı. Taramanın ilk versiyonunda Schekman sec1ve sec2 adlı iki gen tanımladı ve bu tarama geliştirildiğinde bundan başka 23 genin daha tanımlanmasına yol açtı. Özellikle 23 gen üç farklı sınıfa ayrılabilir: hücre yüzeyine ya ER’den, ya Golgi kompleksinden veya sec1 spesifik zarfıyla trafiğe geri dönen membranların akümülasyonuna göre (Şekil2). Maya glikoproteinlerinin exportundaki posttranslasyonel olayların sırası golgi kompleksini etkileyen mutantların yardımıyla belirlendi. Schekman, bu mutantların morfolojik ve genetik çalışmaları sayesinde ER ve Golgi arasındaki trafiğe aracılık eden vesikülleri keşfetti. Özellikle sec17 ve sec18 mutantları vesikül füzyonunda bir rolü olan küçük vesikülleri biriktirdi. 
Şekil 2: Schekman vesikül trafiğinin anahtar regülatör proteinlerini kodlayan genleri keşfetti. Normal hücrelerle vesikül trafiği bozulmuş genetik mutant maya hücreleri karşılaştırarak hücre yüzeyine ve organellere taşınmayı kontrol eden genleri tanımladı. Schekman vesikül trafiğinde anahtar regulatör genleri tanımlayarak vesikül trafiği ve füzyonu için genetik bir temel sağladı. Schekman sistematik olarak vesikül trafiğini ve vesiküllerin hedef membranlarla etkileşimini içeren salgı pathwaylerindeki olayları aydınlattı. Füzyon sürecinde anahtar proteinleri tanımlamak için biyokimyasal bir yolculuk James E. Rothman, kendisinin vesikül trafiğini kapsayan olayları incelemek için in vitro “yeniden kurma analizi” geliştirdiği Stanford Üniversitesi’nde genç grup lideri olarak yeni bir yaklaşımda bulundu. Bu yaklaşımı kullanarak, vesikül füzyon prosesindeki esansiyel bileşenleri saflaştırdı. 1970’lerde hayvan hücrelerinde genleri ifade etmenin zor olduğu göz önüne alındığında, Rothman vesikular stomatitis virusü (VSV) temel alan bir sistemin avantajından yararlandı. Bu sistemde, büyük miktarda partikular viral protein (VSV-G) enfekte hücrelerde üretildi. VSV-G proteinini golgiye ulaştığında bir partikular şeker modifikasyonuyla işaretleyen bu sistemin tek bir özelliği, hedefine ulaştığında onun tanımlanmasını mümkün kılar. Rothman golgi kompleksi içinde VSV-G proteininin intrasellüler transportunu yeniden düzenlediği bir seri makale yayınladı. O daha sonra hem vesikül tomurcuklanmasını hem de füzyonunu çalışmak için bu analizi kullandı ve sitoplazmadan transport için gerekli proteinleri saflaştırdı. Saflaştırılan ilk protein N-etilmaleimid-duyarlı faktör (NSF) dir. Rothman’ın bu keşfi daha sonra vesikül füzyonunun kontrolünde önemli diğer proteinlerin tanımlanmasını kolaylaştırdı ve sıradaki keşif SNAP’lardı (çözünebilir NSF-bağlı protein). SNAP’lar membrana bağlanır ve NSF’nin takviyesine yardım eder. Schekman ve Rothman’ın çalışmaları arasındaki benzerliğin önemli bir noktası maya mutantlarının birinde (sec18) NSF’ye karşılık olmasıydı. Buna ek olarak Rothman ve Schekman işbirliği içinde sec17’yi klonladı ve sec17’nin fonksiyonel denkinin kanıtını sağladı (SNAP). Başka metodlarla tanımlanmış füzyon proteinlerini kodlayan genlere karşılık gelen diğer sec genleri de gösterildi. Rothman daha sonra, NSF ve SNAP proteinlerini yem olarak kullanarak beyin dokusunda yoğunlaştı ve daha sonra SNAREs (soluble NSF-attachment protein receptors) olarak adlandıracağı proteinleri saflaştırdı. Merak uyandırıcı bir şekilde, vesikülde ve hedef membranlarda birlikte fonksiyon gösteren üç SNARE proteini(VAMP/Synaptobrevin, SNAP-25 ve syntaxin) stokiyometrik (tam oranlı) miktarlarda bulundu. Bu üç protein daha önce Richard Scheller, Kimio Akagawa, Reinhard Jahn ve Pietro de Camilli gibi birkaç bilim adamı tarafından tanımlanmıştı ve presinaptik bölgelerde lokalize durumdaydı fakat onların fonksiyonu büyük ölçüde bilinmiyordu. VAMP/Synaptobrevin vesikül üzerinde bulunurken, SNAP-25 ve syntaxin plazma membranında bulunmuştur. Bu Rothman’ın “SNARE hipotezi” önermesine sebep oldu. SNARE hipotezi; hedef ve vesikül SNAREs (t-SNAREs ve v-SNAREs) bir takım sıralı aşamalar halinde sinaptik yerleştirme, aktivasyon ve füzyonu vesikül füzyonu için kritik olmasıdır. Rothman SNARE hipotezini test etmek için in vitro rekonstitusyon analizini kullandı ve SNARE’lerin gerçekten membrana kaynaştığını ortaya çıkardı. Rothman bu sistemin yüksek derecede spesifiteye sahip olduğunu kanıtlamış oldu; örneğin belirli bir t-SNARE yalnızca bir veya birkaç potansiyel v-SNARE ile etkileşmektedir (Şekil3). Rothman vesikül transportu ve membran füzyonu için mekanizmaları dikkatlice parçalayarak inceledi ve biyokimyasal çalışmalar süresince vesikül transportunun gerekli spesifitede nasıl oluştuğunu açıklamak için bir model tasarladı(Şekil3). 
Şekil 3: Rothman, vesiküllerin hedefleriyle kaynaşmasına olanak veren bir protein kompleksi keşfetti. Vesikül üzerindeki proteinler hedef membran üzerinde vesikülün doğru lokasyonda kaynaşmasını ve kargo moleküllerin doğru hedefe iletilmesini garantileyen spesifik komplementer proteinlere bağlanır. Vesikül füzyonunun zamanlamasını kontrol eden genlerin tanımlanması Thomas C. Südhof Georg-August Üniversitesi ve Max-Planck Biyofizik Bilimler Enstitüsü’8nde (Göttingen, Almanya) eğitim vermektedir ve Michael Brown ve Joseph Goldstein (Nobel Ödülü 1985) ile University of Texas Southwestern Medical School’da (Dallas) postdoktoral arkadaşlarıydı. O bir junior grup lideri olarak, sinaptik vesikül füzyonunun nasıl kontrol edildiğini çalışmak için kurdu. Rothman ve Schekman vesikül füzyonu için esas mekanizmayı oluşturmuşlardı fakat vesikül füzyonunun geçici olarak nasıl kontrol edildiği sır olarak kalmıştır. Vücutta vesikuler füzyonlar kontrolünün çok dikkatli bir şekilde olması gerekmektedir ve bazı durumlarda vesikül füzyonu spesifik uyarana cevapta yüksek hassasiyette olmalıdır. Bu duruma örnek olarak beyinde nörotransmitter salınımı ve endokrin pankreastan insülin salınımı verilebilir. Nörofizyoloji alanı Bernard Katz, Ulf von Euler ve Julius Axelrod’un keşifleriyle elektriklendi. Bu 3 bilim adamı sinir uçlarında humoral transmitörlere ve onların depolanması, salınması ve inaktivasyonu mekanizmalarına dair keşifleriyle 1970 yılında Nobel Ödülü’nü almışlardır. Sıkı zamansal kontrol altından olan ve sitoplazmik serbest kalsiyum konsantrasyonundaki değişiklerle düzenlenen sinaptik veziküllerin hızlı ekzositozu Südhof’un ilgisini çekti. Südhof, kalsiyumun nöronlarda nörotransmitter salınımını nasıl regule ettiğini açıklığa kavuşturdu ve kalsiyum-aracılı vesikül füzyonunda iki önemli protein olan compleksin ve sinaptotagmini keşfetti (Şekil4). 
Şekil 4: Südhof, beyinde sinyallerin bir sinir hücresinden diğerine nasıl geçtiği ve kalsiyum iyonlarının (Ca+2) bu prosesi nasıl kontrol ettiği konusunda çalıştı. Südhof, kalsiyum iyonlarını algılayan ve bu bilgiyi vesikül füzyonuna dönüştüren moleküler mekanizmayı tamamladı. Ve böylelikle temporal duyarlılığın nasıl başarıldığı ve komut üzerine vesiküllerin nasıl salınabildiği açıklanmış oldu. Compleksin alfa-SNAP ile yarışmaktadır, fakat SNAP reseptörüne bağlanan sinaptotagmin ile yarışmaz. Kompleksin knock-out farelerin nöronlarında sinaptik sekresyon sürecinin kalsiyum sensitivitesini azalmasına bağlı olarak transmitter salınım etkinliğinin önemli derecede azaldığı gösterilmiştir. Bu kompleksin’in konstitütif füzyonu engelleyen ve oluşan ekzositozun regülasyonuna izin veren bir kenetleme mekanizması olarak sinaptik füzyonun geç aşamasında rolü olduğunu açığa çıkarmıştır. Südhof aynı zamanda nörotransmitter salınımı için kalsiyuma bağlanan sinaptotagmin-1’i keşfetmiştir. Sinaptotagmin-1 kalsiyum-bağımlı bir yolda fosfolipitlerle etkileşir (sintaksin-1 ve SNARE’lerde olduğu gibi) ve Südhof sinapsta nörotrasmitter salınımını tetiklemede görev alan sinaptotagmin-1’e kalsiyum bağlanmasını kanıtlayan hızlı sinaptik füzyonda bir kalsiyum sensörü olarak sinaptotagmin-1 için bir rol belirledi. Südhof aynı zamanda Schekman’ın sec1ile uyumlu olan Munc18-1’i karakterize etti ve bu yüzden bir SM proteini (Sec/Munc) olarak adlandırdı. Munc18-1’in sintaksinle etkileşimde olduğu bulunmuştur ve daha sonra da Trans-SNARE kompleks ile kenetli olduğu bulunmuştur. SM proteinleri şuan vesikül füzyon protein kompleksinin (SNARE proteinleri ile birlikte) integral kısmı olarak bilinmektedir. Südhof sinaptik vesiküllerden nörotransmitter salınımının tam bir kaybına yol açan farelerde Munc18-1 delesyonunu göstermiştir. Südhof vesikül füzyonunun temporal olara nasıl kontrol edildiğini ileri derecede anlatan keşifler yaptı ve sinapsta kalsiyum seviyelerinin nörotransmitter salınımını regule etme yollarını açıklığa kavuşturdu (Şekil4). Vesikül füzyonu ve tıpta önemi Rothman, Schekman ve Rüdhof’un çalışması organizmada hücrelerde kargonun rotasının belirlenmesinde esansiyel olan sistemi ortaya çıkardı. Bu 3 bilim adamının keşfi, moleküllerin hücrede kesin doğru lokasyonu doğru bir şekilde nasıl ayırdığını anlamamızda majör bir etki olmuştur. Bu ışığın altında, hastalıklarla ilişkili vesikül transportu ve füzyonu kontrol eden mekanizmanın herhangi bir aşamasındaki defektler sürpriz olmamaktadır. Vesikül transportu ve füzyonu beyindeki sinir hücresi iletişiminin kontrolünden immünolojik cevaplara ve hormon kısmına kadar geniş bir aralıktaki fizyolojik süreçler için esansiyeldir. Transport sisteminin deregulasyonu bu alanlardaki hastalıklarla ilişkilidir. Örneğin, tip 2 diyabet gibi metabolik hastalıklar hem pankreatik β- hücrelerinden insülin salınımı hem de iskelet kas ve adipoz dokuda insülin aracılı glukoz transporterdaki defektlerle karakterize edilmektedir. Ayrıca vücudumuzdaki immun hücreler innat ve adaptif immun cevaplara aracılık eden sitokinler ve immünolojik efektörleri içeren maddelerin gönderilmesi için fonksiyonel vesikül trafiğine ve füzyona dayanmaktadır. Vesikül füzyonu ve hastalıklar arasında genel bağlantılara ilaveten vesikül füzyon sistemindeki proteinleri kodlayan genlerdeki spesifik mutasyonlar hastalıklarını sayısını artırmaktadır. Örneğin; epilepsinin belli formlarında Munc18-1 kodlayan gende mutasyonlar tanımlanmıştır. Bunun gibi, ailesel hemofagositik lemfohistiositozis (Familial Hemophagocytic Lymphohistiocytosis, FHL) hastalarının bir alt kısmında MUNC13-4, MUCH18-2 ve sintaksin-11 genlerinde mutasyonlar bulunmuştur. FHL hastalarında doğal öldürücü hücreler hedef hücrelerle karşılaştığında uygunca düzenlemede başarısızdır; bu da lethal olabilecek hiperinflamasyona yol açmaktadır. Bundan başka, belli bakteriyal toksinler vesikül füzyon mekanizmasını hedeflemektedir. Anaerobik bakteri Clostridium botulinum ‘un sebep olduğu botulizm paralitik bir hastalıktır ve toksin tiplerinin büyük bir kısmı nöromuskular bağlantıda asetilkolin salınımını inhibe etmenin yanısıra SNAP-25, VAMP/Sinaptobrevin ve sintaksine bağlanmaktadır. Tetanus (Clostridium tetani) nörotoksini inhibitör internöronlarda VAMP/Sinaptobrevini hedefler ve spastik paralizise yol açan GABA veya glisinin salınımını bloke eder. Bu sebeple, Rothman, Schekman ve Südhof’un keşifleri hastalık mekanizmalarına ve prospektif (ümit edilen) tedavilere açıklık sağlamıştır. Son olarak; James E. Rothman, Randy W. Schekman ve Thomas C. Südhof’un keşifleri ökaryotik hücrelerde moleküler kargonun doğru bir şekilde yönlendirildiğini garantiye alan en temel süreçlerin bazısını açıklığa kavuşturmuştur. Bu 3 bilim adamının keşifleri hücre içinde ve dışında doğru yere molekülleri yönlendiren hücresel iletişimin nasıl olduğunu anlamamızda büyük bir etki olmuştur. Vesikül transportu ve füzyon aynı genel prensiplerle organizmalarda faaliyet görür (maya ve insanda farklı). Bu, vesikül füzyonunun kontrol etmesi gereken hormon veya nörotransmitter salınımından immun sistem fonksiyonlarına kadar çeşitli fizyolojik süreçlerde önemlidir. Bu mükemmel hassas organizasyon olmazsa, hücre kaosa gömülür. 
Kaynaklar: Scientific Background Machinery Regulating Vesicle Traffic, A Major Transport System in our Cells; The Nobel Assembly at Karolinska Institutet Discoveries Of Machinery Regulating Vesicle Traffic, A Major Transport System In Our Cells, Scientific Background on The Nobel Prize in Medicine 2013; Daniela Scalet Yüklə 1,65 Mb. Dostları ilə paylaş:
|