Denge İçin Savaş Deniz Eda Orhan, Ender Ergüder, Canberk Usta, Ozan Saraçoğlu, Halit Övgehan Aydoğan 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. Evrimsel süreçte, mitokondrionun anaerobik ökaryotik hücre ile oksidatif fosforilasyon kabiliyeti olan aerobik bakteri arasındaki simbiyotik etkileşimden köken aldığı rapor edilmiştir. Zaman içinde kalıcı hale gelen bu simbiyotik etkileşim sonucunda konakçı hücre, oksijeni daha verimli şekilde kullanarak yaşamsal faaliyetleri için daha fazla miktarda enerji üretebilir hale gelmiştir. 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 ise 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. Hücre içinde sağlıklı mitokondriyon varlığı; füzyon, fragmentasyon ve mitofaji arasındaki dengeye bağlıdır. Memeli hücrelerinde gerçekleşen mitokondriyal dinamikte işlevsel olan proteinleri açıklamaya yönelik çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir; ancak bu çalışmalar kadar mitokondriyal dinamiği regüle eden mekanizmaların ve bu mekanizmalarda işlevsel olan proteinlerin tanımlanması ileride geliştirilebilecek hücresel temelli tedavi stratejilerinde yol gösterici olabilecektir. Anahtar kelimeler: Mitokondriyal dinamik, mitofaji, mitokondriyal homeostaz Mitokondrionun Genel Özellikleri Mitokondrion, hücrenin enerji üretiminden majör olarak sorumlu yarı otonom bir organeldir. Morfolojisi incelendiğinde; dış zar, iç zar, membranlar arası boşluk ve matriks olmak üzere dört
ana bölümden oluşmaktadır (Şekil 1). Westermann, B.. Nature Rev. Mol. Cell Biol.,2010 Şekil 1: Mitokondrionun morfolojik yapısı Dış zar, mitokondriyal fonksiyonları ekstra mitokondriyal sinyallerle koordine eder ve mitokondri homeostazisini sağlar. Dış zar, iç zar ile kıyaslandığında daha az seçici geçirgendir. İç zar fizyolojik işlevi nedeni ile daha kontrollü bir geçirgenliğe sahip olmasının yanı sıra oksidatif fosforilasyondan sorumlu kompleksleri üzerinde bulundurur, elektron taşıma işlemi bu zar üzerinde gerçekleşir. Matriks ise hücrelerin ihtiyaç duydukları metabolik enerjiyi ATP formunda sağlamaktadır. Mitokondrionun organizmanın yaşamı için önemli olmasının tek nedeni solunuma bağımlılık değildir. Mitokondrion; demir-sülfür metabolizmasında birleştirici olması, birçok katabolik ve anabolik reaksiyonu, yağ asitlerinin beta oksidasyonunu, hem biyosentezini gerçekleştirmesi ve Sitrik Asit Döngüsü nü(tca) içermesi nedeniyle hücre için zaruridir. Ek olarak kendine ait genom bulundurmasıyla elektron transport zincirinde görevli bazı proteinlerin sentezini gerçekleştirebilmektedir; fakat yine de mitokondrionun ihtiyaç duyduğu birçok protein nükleer genom tarafından kodlanmakta ve translasyon sonrası transport ile mitokondriye transfer edilmektedir (2). Mitokondrion, mitos(iplik) ve khondrion(tane) kelimelerinin birleşmesi ile ortaya çıkmaktadır. Bunun nedeni ise organelin morfolojisindeki dinamizmdir. Söz konusu dinamizm yalnızca mitokondriyal kalıtım için değil, mitokondriyal fonksiyonların sürdürülmesi için de önemlidir. Mitokondrionun Dinamiği: Mitokondrionun bölünmesi olarak tanımlanan fragmentasyon ve iki mitokondrionun birleşmesi anlamına gelen füzyon, mitokondriyal dinamiğin iki bileşenidir. (Şekil 2).
Westermann, B.. Nature Rev. Mol. Cell Biol.,2010 Şekil 2: Mitokondriyal füzyon ve fragmentasyon Hücresel sinyaller ve hücrenin metabolik durumuna göre değişim gösteren bu antagonistik olaylar mitokondriyal morfolojiyi kontrol eder. Buna ek olarak hücre içinde mitokondrion dağılımını, biyogenezi, mitokondrion trafiğini, mitokondriyal kalıtımı ve hücre ölümünü de etkilemesi açısından çok önemlidir. (Şekil 3) (8,9). Westermann, B.. Nature Rev. Mol. Cell Biol.,2010 Şekil 3: Mitokondriyal dinamiğin işlevleri Bozulan fragmentasyon ve füzyon mekanizmalarının mitokondrion işlevini bozması ve hücrede enerji açığı oluşturmasının bazı hastalıkların patogenezinde rol oynayabileceğinin anlaşılması sonucu bu antagonistik olayların gerçekleşmesinde ve kontrolünde işlevsel olan proteinlerin karakterizasyonuna yönelik çalışmalar büyük oranda artmıştır. Henüz tüm mekanizma tam olarak açıklanmamış olmakla beraber güncel bilgiler doğrultusunda GTPaz ailesi üyesi olan proteinlerin bu dinamik mekanizmada rol aldığı tanımlanmıştır. (3/4) (6-9).
1) Mitokondriyal Füzyon Mitokondriyal füzyon, ökaryotik hücrelerde sık gerçekleşir ve iki membranın kaynaşması anlamına gelir. Füzyonun gerçekleşebilmesi için lipid tabakanın geçici bir süre destabilize olması gerekir. Mitokondriyal füzyondan, mitofusin(mfn)1 ve 2 isimli iki protein ve OPA-1 sorumludur. Mitokondrionun dış zarında lokalize olan ve GTPaz aktivitesine sahip olan Mfn1 ve 2 dış zarların kaynaşmasında işlevseldir. Mitokondrionun iç zarlarının kaynaşması ise optik atrofi protein 1(OPA1) tarafından gerçekleştirilmektedir. (Şekil 5) (6-9). Seo AY etal;j Cell Sci. 2010 Şekil 5: Mitokondrial füzyon OPA1 in mitokondri iç zarındaki diğer bir işlevi ise mitokondriyal kristanın yapılanmasıdır. İç zarda bulunan PARL isimli bir enzim tarafından proteolitik kesime uğrayan OPA-1, kristanın yeniden modellenmesini ve sitokrom c nin söz konusu yapı içinde tutulmasını sağlar (Şekil 6). Ayrıca literatürde, iki mitokondrionun elektron transport zincirlerinin nasıl birleştiğini açıklayan bir mekanizma henüz tanımlanmamıştır (1,4). 2) Mitokondriyal Fragmentasyon Fragmentasyon, mitokondrionun bölünmesi anlamına gelmektedir. Mekanizmayı aydınlatmaya yönelik yapılan çalışmalar mekanizmayı tam olarak açıklayamamış olsa da bu olayda endoplazmik retikulum (E.R.) ile mitokondrion arasında bir haberleşme olduğu anlaşılmıştır (9). Güncel veriler; E.R. nin granülsüz bölgesinin, mitokondrion üzerinde FIS1 proteinin bulunduğu bölgeyi kıskaçlayarak bir boğum oluşturduğunu göstermiştir. (Şekil 6)
Westermann B., Curr. Biol., 2012 Şekil 6: E.R. nin mitokondrionu kıskaçlaması Eş zamanlı olarak da E.R. den salınan Ca +2, sitoplazmik bir protein olan DRP1 in mitokondrinin dış zarında lokalize olan FIS1 e yönlenerek bağlanmasını ve hasarlı bölgenin çıkartılmasını sağlar. (Şekil 7) 3) Mitofaji Seo AY etal; J Cell Sci. 2010 Şekil 7: Mitokondriyal fragmentasyon Hasarı giderilememiş mitokondrionun seçici olarak imha edilmesi anlamına gelen mitofaji, mitokondriyal dinamiğin üçüncü bileşenidir. Mitokondriyal membran potansiyelindeki azalma, hasar görmüş mitokondrionun en önemli belirtecidir. Hasar oluşması ile mitokondrionun dış zarı üzerinde PINK-1 proteini birikmeye başlar. Bu birikim, sitoplazmik bir protein olan ve ubikütin ligaz ailesi üyesi olan Parkin proteinin seçici olarak hasar görmüş mitokondriona bağlanmasını sağlar. Bu bağlanma, mitokondrion dış zarında bulunan iki proteinin ubikütinlenmesine neden olur. Parkin substratlarından olan Mfn1 ve 2 nin ubikütinlenmesi ile hasarlı mitokondrionun sağlam mitokondrion ile füzyonu önlenirken, mitokondri dış zarında lokalize olan ve voltaj sensör görevi olan voltaj bağımlı anyon seçici kanal protein 1(VDAC-1) in ubikütinlenmesi ile de hücrenin apoptoza gitmesi önlenmiş olur.
K68 ubikütinlenmesi ile sitoplazmada bulunan ubikütin bağlayıcı reseptörler tarafından hasar görmüş mitokondrionun fagozom içinde lizozoma aktarımı ile seçici mitofajisi gerçekleşir(3,5,7,10) SONUÇ: Hücre içinde sağlıklı mitokondrion varlığı; füzyon, fragmentasyon ve mitofaji arasındaki dengeye bağlıdır. Bu dengenin bozulması tüm hücreleri farklı şekillerde etkiler. Mitotik hücrelerde kanser oluşumuna neden olan bu mekanizma, post-mitotik hücrelerde ise nörodejeneratif hastalıklara neden olabilmektedir. Memeli hücrelerinde gerçekleşen mitokondriyal dinamikte işlevsel olan proteinleri açıklamaya yönelik çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir; ancak bu çalışmalar kadar mitokondriyal dinamiği regüle eden mekanizmaların ve bu mekanizmalarda işlevsel olan proteinlerin tanımlanması ileride geliştirilebilecek hücresel temelli tedavi stratejilerinde yol gösterici olabilecektir. KAYNAKLAR 1. Bernard G., Karbowski M., Mitochondrial fusion and division: Regulation and role in cell viability, Seminars in Cell & Developmental Biology 20: 365-374, 2009 2. Burbulla L. F., Krebiehl G.,Kru R., Balance is the challenge The impact of mitochondrial dynamics in Parkinson s disease. European Journal of Clinical Investigation 40. 2010 3. Cho D., Nakamura T., Lipton S., Mitochondrial Dynamics in Cell Death and Neurodegeneration. Cell Mol. Life Sci. 67: 3435-3447, 2010 4. Karbowski M., Mitochondria on Guard: Role of Mitochondrial Fusion and Fission in the Regulation of Apoptosis, Landes Bioscience and Springer Science, Business Media 11: 131-142, 2010 5. Perier C, Vila M., Mitochondrial biology and Parkinson's disease. Cold Spring Harb Perspect Med. 2012 6. Seo AY etal; New insights into the role of mitochondria in aging: mitochondrial dynamics and more. J Cell Sci. 2010 7. Suen D,. Norris K., Youle R., Mitochondrial Dynamics and apoptosis, Genes & Development, 22: 1577-1590, 2008 8. Westermann, B. Mitochondrial fusion and fission in cell life and death. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 11-872-882(December,2010) 9. Westermann B., Bioenergetic role of mitochondrial fusion and fission. Biochim Biophys Acta. 2012 10. Youle R. J., Narendra D. P., Mechanisms of mitophagy Molecular cell Biology volume 12. 2011