Mitokondrion Hareketi

Transkript

1 Mitokondrion Hareketi Büşra Bodur, Fatma Pelin Çelik, İrem Erdem, Tuğba Kaya Danışman : Prof. Dr. F. Belgin Ataç ÖZET Hücrenin enerji santrali olarak tanımlanan; dış zar, iç zar, membranlar arası boşluk ve matriks olmak üzere dört ana bölümden oluşan mitokondrion; pürivat oksidasyonu, Krebs döngüsü, amino asit, yağ asitleri ve steroid metabolizmasındaki işlevlerine ek olarak maternal kalıtımda da aktif rolü olan bir organeldir. Dinamik bir yapıya sahip olan mitokondrion, yaşam döngüsü boyunca çok sık füzyon (iki mitokondrionun iç ve dış zarlarının tamamen kaynaşması) ve fragmentasyon (mitokondrionun hasarlı bölümünün kesilerek çıkartılması) geçirir. Mitokondriyal dinamik olarak adlandırılan bu antagonistik olaylar, mitokondriyal morfolojiyi kontrol etmesine ek olarak hücre içinde mitokondrion dağılımını, biyogenezi ve hücre ölümünü de etkilemesi açısından çok önemlidir. Söz konusu dinamik mekanizmanın açıklanmasına yönelik çalışmalar henüz tamamlanmamış olsa da mitofusinlerin (Mfn1/2) ve Opa1 in füzyon sırasında işlevsel olduğu, Drp1 ve Fis1 in de fragmentasyonda işlevsel proteinler olduğu bildirilmiştir. Mitokondriyal homeostazda, mitokondriyal dinamiğe ek olarak rol alan bir diğer mekanizma ise hasarı telafi edilemeyen mitokondrionun seçici olarak ortadan kaldırıldığı mitofajidir. Hücrelerin hayatta kalması mitokondrionun fonksiyonelliğine ek olarak transportuna da bağlıdır. Bu nedenle mitokondriyal hareket, mitokondriyal kalite kontrol açısından önemli bir unsur olarak kabul görmektedir. Özellikle polarize hücreler mitokondriyon hareketine çok duyarlıdır. Bu özellik, mitokondrion hareketinin incelenebilmesinde nöron hücrelerini bir model konumuna getirmiştir. Moleküler düzeyde yapılan çalışmalar mitokondriyal motilite bozukluğunun da nöron hücrelerinin ölümünü tetikleyebileceğini ortaya koymaktadır. Bu da nöron hücre ölümü ile karakterize edilen hastalıkların hücresel tedavisi için yeni hedef olarak kabul edilmektedir. Anahtar kelimeler: Mitokondrion, mitokondriyal dinamik, mitokondriyal motilite

2 Mitokondrion ve Mitokondrion Dinamiğinin Hücre İçin Önemi Hücrenin enerji evleri olarak bilinen mitokondrion endosimbiyotik kökenli sitoplazmik bir organeldir. Mitokondrion oksidatif fosforilasyon enzimleri ve mitokondriyal trna ları kodlayan haploid DNA ya sahiptir. Ama bu proteinler daha sonra nükleer genomdan kodlanan proteinlerle bir araya getirilir. Esas görevi oksijenli solunumla ATP üretmek olmasına rağmen mitokondrion Ca +2 iyonları için bir depodur. Aynı zamanda hem ve steroid biyogenezinde rol oynar. Mitokondrionun bu özgünlüğü onu hücre proliferasyonu ve hücre ölümünde önemli bir konuma oturtur (1). Dinamik bir yapıya sahip olan mitokondrion, yaşam döngüsü boyunca çok sık füzyon (iki mitokondrionun iç ve dış zarlarının tamamen kaynaşması) ve fragmentasyon (mitokondrionun hasarlı bölümünün kesilerek çıkartılması) geçirir. Mitokondriyal dinamik olarak adlandırılan bu antagonistik olaylar, mitokondriyal morfolojiyi kontrol etmesine ek olarak hücre içinde mitokondrion dağılımını, biyogenezi ve hücre ölümünü de etkilemesi açısından çok önemlidir. Söz konusu dinamik mekanizmanın açıklanmasına yönelik çalışmalar henüz tamamlanmamış olsa da mitofusinlerin (Mfn1/2) ve Opa1 in füzyon sırasında işlevsel olduğu, Drp1 ve Fis1 in de fragmentasyonda işlevsel proteinler olduğu bildirilmiştir. Mitokondriyal homeostazda, mitokondriyal dinamiğe ek olarak rol alan bir diğer mekanizma ise hasarı telafi edilemeyen mitokondrionun seçici olarak ortadan kaldırıldığı mitofajidir (2-7). Şekil 1: Mitokondrial Fisyon-Füzyon(7) Mitokondrionun dinamik yapısı bütün hücreler için önemli olmakla beraber, postmitotik olan nöron hücrelerinde, hücrelerin uzunluğu ve asimetrik yapısı nedeniyle ayrı bir öneme sahiptir. Bu nedenle mitokondrion çalışmalarında nöron hücreleri bir model olarak kullanılır (3).

3 Yapılan çalışmalar hücrelerin; enerji dengesini ve oksidatif stresin azaltılmasını mitokondriyal hareket, dağılım ve hasarlı mitokondriyonun kleransı ile sağladığını göstermektedir. Bu nedenle nöron hücrelerinin hayatta kalması mitokondrionun fonksiyonelliğine ek olarak transportuna da bağlıdır (4). Bu bilgilerin ışığında çalışmamızda mitokondriyal hareketin moleküler mekanizması incelenmiştir. Mitokondriyal Hareket Mitokondriyal hareket anterograd ve retrograd olarak ikiye ayrılır (Şekil 2). Anterograd transportta yeni üretilen organellerin ve diğer materyallerin hücrede akson boyunca terminal uca doğru taşınımı gerçekleşir. Yaşlanan ve/veya hasarlanan yapıların yıkımı ve tamiri için hücre gövdesine geri dönmesi ise retrograd transport ile sağlanır. Mitokondrion bu hareketleri hücre içi iskelet yapıları, motor ve bağlayıcı proteinlerle etkileşime girerek gerçekleştirir. Şekil 2: Anterograd ve retrograd transport(4) Birbiri ile zıt yönlü olan bu transport işleminde motor proteinleri kullanır (Şekil 3) (5,6).

4 Şekil 3: Mitokondriyal Transport(4) Mitokondrion uzun mesafe taşınımını mikrotübüller aracılığı ile gerçekleştirir. Anterograd taşınım için kinezin ailesi, retrograd taşınım içinse dynein ailesi üyesi proteinler görev almaktadır. Kısa mesafeli motor olayları için ise ince ve yumuşak yapıda olan aktin filament kullanılır. Bu taşınımda miyosin motor proteinleri işlevseldir. Her motor proteininin ağır zinciri ailesine özgü bir baş kısım içerir. Bu baş kısım ATP hidrolizi, filament bağlama ve konformasyon değiştirme çemberlerine doğru kuvvet ve hareket sağlar. Gövde kısmı ise baş kısmın filamente bağlı olmasını sağlar. Gövde ve kuyruk dizilerinin ayrıca motor bağlayıcılarla kargo arasında ara buluculuk yapan ve transportu regüle eden proteinlere bağlanma bölgesi sağladığı gösterilmiştir (1-7). 9 Mitokondriyal Transportun Düzenlenmesi Hücrede mitokondrionun işlevsel olabilmesi için mitokondriyal transportun regüle edilebilmesi gereklidir. Bu regülasyon üç basamaktan oluşur: 1. Hareket etmeye karar verme Hücrenin metabolik durumuna ek olarak organelin işlevselliği de hareketi zorunlu kılar.(etkiler) 2. Hareketin yönüne karar verme Farklı motor proteinleri mitokondrionun dış zarına aynı anda bağlanır. Ancak mitokondrionun motor proteinlere karşı değişen afinitesi hangi motor proteinin aktif kalacağını belirler. Serbest motor proteinleri ise mitokondrionun sabit

5 çalışır. kalmasında işlevseldir. Bu iki düzenleyici mekanizma kooperatif 3. Hareket Mitokondriyal anterograd transportun regülasyonunu sağlayan mekanizma Miro\Milton\KHC kompleksidir. Mitokondrion dış zarına bağlanan mironun milton aracığı ile kinesin ağır zinciri (KHC) ye bağlanması sonucu mikrotübüle tutunma sağlanır (Şekil 4). Şekil 4:Mitokondrionun anterograd hareketi(2) Şekil 5: Mitokondrionun Retrograd Hareketi(2) Retrograde herekette işlevsel olan adaptör proteinlerin karakterizasyonu ile ilgili çalışmalar halen devam etmektedir. Ancak söz konusu harekette dyneyin motor proteininin işlevsel olduğu kesinleşmiştir (2) (Şekil 5). Mitokondriyal hareketin önemli olduğu bir diğer olay ise mitofajidir. Mitokondrionda oluşan hasar tamir edilemeyecek düzeyde ise hasarın yayılmasının önlenmesi için mitokondri kendini imha eder. Bu olay ; hasarlanan mitokondrionun mironun parçalanması sonucu kinesine bağlanamayıp hareket edememesi ve otofagozom içine alınıp imha edilmesinde dayanır. Mitokondriyal depolarizasyon olduğunda mitokondri dış zarında biriken PTEN-induced putative kinase 1 (PINK-1) mitokondriona Parkin in bağlanmasını ve mironun fosforlanmasını sağlar. Aktive olan Parkin ise mitokondriyal substratları olan mitofusin 1,2 ve VDAC1 i ubikütinleyerek füzyon ve apoptozisi baskılar. K68 ubikütinlenmesi ile sitoplazmada bulunan ubikütin bağlayıcı reseptörler tarafından hasarlı mitokondrionun fagozom içinde lizozoma aktarımı ile seçici mitofajisi gerçekleşir. Ancak bu işlemin gerçekleşebilmesi için mitokondrionun anterograd hareketinin de bloke edilmesi

6 Şekil 6: Parkin/ PINK1 Yolağı(6) gereklidir. Bu da mitokondrion dış zarında bulunan Miro nun PINK-1 aracılığı ile parçalanması sonucu gerçekleşir (Şekil 6). SONUÇ: Nöron hücrelerindeki mitokodrion hareket bozukluğu nöronların disfonksiyou ve dejenerasyonuna neden olmaktadır. Bu özelliği nedeniyle çok çeşitli nörodejeneratif ve psikiyatrik hastalıkların patogenezinde rol oynar. Mitokondriyal hareketin de yeni bir parametre olarak eklendiği mitokondriyal kalite kontrolün önemi giderek artmaktadır. Mekanizmaların aydınlatılması ile hücresel temelli tedavi stratejilerinin geliştirilmesi mümkün kılınabilir. KAYNAKLAR 1. Lesley A. Kane, Richard J. Youle,PINK1 and Parkin Flag Miro to Direct Mitochondrial Traffic, Cell 2. Jonathan R. Lovas, Xinnan Wang, The meaning of mitochondrial movement to a neuron's life, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research 3. Peter J.Hollenbeck, William M. Saxton, The axonal transport of mitochondria, Journal of Cell Science (2005) 4. William M. Saxton, Peter J. Hollenbeck, The axonal transport of mitochondria, Journal of Cell Science(2012) 5. Rugarli El, et al. Mitochondrial quality control : a matter of life and death for neurons

7 6. Xinnan Wang, Dominic Winter, Ghazaleh Ashrafi, Julia Schlehe, Yao Liang Wong, Dennis Selkoe, Sarah Rice, Judith Steen, Matthew J. LaVoie and Thomas L. Schwarz, PINK1 and Parkin Target Miro for Phosphorylation and Degradation to Arrest Mitochondrial Motility 7. Hsiuchen Chen and David C. Chan, Emerging functions of mammalian mitochondrial fusion and fission, Human Molecular Genetics