Ana sayfa 153. Sayı 2016 Nobel Tıp Ödülü: Otofaji (kendi kendini sindirme) mekanizmasının keşfi

2016 Nobel Tıp Ödülü: Otofaji (kendi kendini sindirme) mekanizmasının keşfi

460
PAYLAŞ

Çeviren: Ebru Oktay

Bu yıl Nobel Tıp/ Fizyoloji ödülü, otofaji olarak adlandırılan, hücre içeriğinin bozulma ve geridönüştürülmesi süreci olan önemli bir mekanizmanın işleyişini aydınlatmayı başaran Japon biliminsanı Yoshinori Ohsumi’ye verildi.

Yoshinori Ohsumi, 1945’de Japonya Fukuoka’da doğdu. Ph. D düzeyini 1974’de Tokyo Üniversitesi’nden aldı. Amerika New York Rockefeller Üniversitesi’nde 3 yıl geçirdikten sonra Tokyo Üniversitesi’ne dönerek kendi araştırma ekibini kurdu (1988). 2009’dan beri de Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nde profesörlük yapıyor.

Otofaji kelimesi Yunanca, “oto” (kendi kendine) ve yemek anlamına gelen “faji” kelimelerinden oluşuyor. Yani “otofaji” kendi kendini yemek demek. Bu kavram aslında 1960’larda tanımlanmıştı. Araştırmacılar o dönemde, hücrenin kendi içeriğini yıkıma uğratarak hücre zarı aracılığıyla bu materyali “lizozom” adı verilen bir “geridönüşüm” bölümüne taşıdığını ve orada bozundurduğunu göstermişlerdi. Çalışma sırasındaki bazı zorluklar 1990’lara kadar konunun detaylarına inilmesini geciktirmişti. 1990’larda Yoshinori Ohsumi ve ekibinin ekmek mayası kullanarak yaptıkları bir dizi parlak çalışma sonucunda otofaji sürecinde yer alan temel genler belirlenebildi. Ohsumi, bundan sonra bu mekanizmanın bizim hücrelerimizde de maya hücreleriyle aynı şekilde işleyip işlemediğini aydınlatmaya çalıştı.

Ohsumi’nin keşifleri, hücrenin kendi içeriğini nasıl geridönüşüme soktuğunu anlamamıza yardımcı olan yeni bir bakış açısı kazandırdı. Bu da açlığa uyum sağlama veya enfeksiyonlara yanıt verme gibi çeşitli fizyolojik süreçlerimizde otofajinin temelde nasıl bir önem taşıyabileceğini anlamamızı sağlayacaktı. Otofaji genlerinin mutasyonu hastalıklara sebep oluyor olabilir. Ve bu süreç, kanser, nörolojik hastalıklar gibi pek çok sorunda karşımıza çıkabilir.

Şekil 1: Hücrelerimizin farklı ve özel bölümleri vardır. Lizozom, sitoplazmada bulunan bir hücre organelidir. Yuvarlak-oval kesecikler şeklinde olup, elektron mikroskobunda görülebilir. Dışları tek birim zarla çevrili mikroskobik havuzcuklardır. İçleri bir dizi yıkıcı sıvı enzim (biokatalizör) içerir. Otofagozom adı verilen yeni bir kesecik daha tanımlanmıştır ki, bu da hasarlı proteinleri ve organelleri içine çeken bir oluşumdur. Yani hücre sitoplazmasında yaşlanan ve bozulan organellerin bir zarla sarılmasıyla ortaya çıkar. Sonuçta diğer lizozomlarla birleşir.

Bozulma yaşayan tüm hücrelerin esas fonksiyonu

1950’ lerin ortalarında biliminsanları, içinde protein, karbonhidrat ve yağları sindiren enzimlerin bulunduğu ve “lizozom” adı verilen yeni bir hücre organeli tanımladı. Bu özel organel, hücresel kurucu unsurların bozunmasında adeta bir istasyon gibi çalışıyordu. Belçikalı biliminsanı Christian de Duve, lizozomun keşfiyle 1974 Nobel Tıp/Fizyoloji Ödülü’nü almıştı. 1960’larda ise yeni keşifler, çok büyük miktarda hücre içeriğinin, hatta tüm organellerin zaman zaman lizozomun içinde olabildiğini göstermişti. Hücrelerin bu yüzden, lizozoma büyücek kargo taşımacılığı yapma konusunda stratejileri varmış gibi görünüyordu. Daha fazla biyokimyasal ve mikroskobik analiz sonucu, bu “taşımacılığı” sağlayan yeni bir kesecik olduğu gösterildi (Şekil 1). Lizozomun kâşifi Christian de Devu, bu süreci de tanımlayarak “kendi kendini yeme” işleyişine “otofaji”, yeni keseciğe ise “otofagozom” adını verdi.

1970’ler ve 80’lerde ise araştırmacılar daha çok, “proteazom” adını verdikleri, hasar görmüş veya gereksinim olmayan hücresel proteinlerin parçalanmasında işlev gören enzimatik kompleksler birliğinin keşfine çalıştı. Sonuçta ökaryot hücrelerde yaygın olarak bulunan, hücre proteinlerinin proteazlarla parçalanabilmesi için parçalanacak proteine kovalent bağlarla bağlanan, enzim özelliği bulunmayan, sıcaklığa dayanıklı, 76 aminoasitlik küçük bir protein olan ubikitin aracılığıyla protein parçalanması yolağını keşfeden Aaron Ciechanover, Avram Heershko ve Irwin Rose’dan ouşan aynı ekip 2004 yılında Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü. Proteazom, proteinlerin tek tek yıkımında etkiliydi, ancak bu mekanizma, hücrenin daha büyük protein komplekslerinden ve haraplanmış organellerden nasıl kurtulabildiğini açıklayamıyordu. Otofaji süreci bir yanıt olabilir miydi, ve eğer öyleyse mekanizma nerede gizliydi?

Şekil 2: Resimde, ekmek mayasında, memeli hücrelerindeki lizozomla benzerlik gösteren vakuol adı verilen geniş hücre bölümü görülüyor. Ohsumi, vakuollerde bozulmaya yol açan enzimlerin eksik olduğunu belirledi. Bu maya hücreleri aç kaldığında, orta resimde görüldüğü gibi otofagozomlar hızlı bir şekilde vakuol içinde birikiyordu. Ohsumi’nin deneyi, otofajinin ekmek mayasında da olabildiğini gösterdi. Bir sonraki adım olarak, sağ resimde görüldüğü gibi binlerce maya hücresiyle çalışılarak otofajinin temel sürecine dahil olan en az 15 gen belirlendi.

Çığır açan deney

Yoshinori Ohsumi, çeşitli araştırmalarda aktifti, ancak 1988’de kendi laboratuvarını kurduğunda, enerjisini, protein yıkımında rol oynayan bir organel olan ve insanda lizozomla benzerlik gösteren “vakuol” (Bazı tekhücreli hayvanların dışında hayvanlarda bulunmayan bir organeldir. Tüm ilkel ve yüksek yapılı bitkilerde ve mantar hücrelerinde vardır. Vakuol –koful- sıvısı içinde, hücrenin ait olduğu doku çeşidine bağlı olarak organik maddeler ve asitler, çeşitli renk maddeleri, tuzlar, karbonhidratlar, yağlar, proteinler, müsilaj, kauçuk ve tanen maddeler bulunabilir) içinde olup bitene yoğunlaştırdı. Ekmek mayası hücreleri göreceli olarak üzerinde çalışması kolay, bu yüzden de insan çalışmalarında model olarak sıkça kullanılabilen hücrelerdir. Özellikle de, önemli kompleks hücresel yolaklarda işleyen genleri belirlemeye yardımcı olurlar. Ancak Ohsumi büyük bir engelle karşılaşmıştı. Bu hücreler küçüktü ve başlangıç yapıları mikroskop altında kolaylıkla seçilemiyorlardı. Bu nedenle de otofajinin var olup olmadığı kesin olarak söylenemezdi. Ohsumi bu sebeple, eğer otofajinin aktif sürecinde yıkım işlemini bozarsa, otofagozomların vakuol içinde birikeceğini ve mikroskop altında görünecek kadar bir kitle oluşturabileceğini öngördü. O bu yüzden aç ve mutasyona uğramış maya hücrelerinde vakuolar yıkım enzimlerini eksik bırakarak otofajiyi kendiliğinden tetikledi. Sonuçlar çarpıcıydı. Saatler içinde vakuoller, yıkıma uğramamış çok sayıda küçük kesecikle dolmuştu (Şekil 2). Bu kesecikler otofagozomlardı ve Ohsumi, deneyiyle maya hücrelerinde de “otofaji” olduğunu göstermişti. Ancak daha da önemlisi bu deneyle, süreçte yer alan genleri belirlemişti. Bu büyük deneyin sonuçları 1992’de yayımlandı.

Şekil 3: Ohsumi, anahtar otofaji genlerince dizgilenmiş proteinlerin işlevleri üzerinde çalıştı. Stres tetikleyicilerinin otofajiyi nasıl başlattığı ve otofagozom düzenlemesinde ki evrelerin belirlenmesinde hangi protein ve protein komplekslerinin kesin olarak rol aldığını tarif etti.

Otofaji genlerinin keşfi

Ohsumi şimdi, açlık sırasında maya hücrelerinde hangi otofagozomların birikme eğiliminde olduklarını tasarlayan bir deneye sahipti. Bu birikme, otofajide önemli olan genlerin işlevsizliği durumunda gözlemlenmiyordu. Ohsumi, maya hücrelerini kimyasallara maruz bırakarak mutasyonu pek çok gende rasgele oluşturduğunda, otofajiyi tetiklediğini gördü. Stratejisi işe yaramıştı. Bir yıl içersinde Ohsumi, otofaji sürecinde temel rol oynayan ilk genleri tanımlamıştı. İlerleyen çalışmalarda ise bu genler tarafından kodlanan proteinleri işlevsel olarak karakterize edebildi. Sonuçlar, otofajinin, ardışık protein ve protein kompleksleri tarafından kontrol edildiğini, otofajinin her başlama ve düzenlenme aşamasının belirgin bir gen tarafından düzenlendiğini göstermişti (Şekil 3).

Otofaji: Hücrelerimizin kaçınılmazı

Maya hücrelerinde otofaji düzeneğinin belirlenmesinden sonra geriye kritik bir soru kalmıştı. Diğer organzimalarda da bu süreci kontrol eden benzer bir mekanizma var mı? Yakın zamanda bizim hücrelerimizde de neredeyse tamamen aynı bir mekanizma olduğu açıklık kazandı. Şimdi ise bunun insan bedenindeki önemini keşfedecek araştırma gereçlerine ihtiyacımız var.

Ohsumi ve onu izleyen diğer araştırmacılar sayesinde bugün, hücresel içeriklerin bir kendini yok etme-geridönüşüm sürecine gerek duyduklarını ve bunu otofaji yöntemiyle yapabildiklerini öğrendik. Otofaji, hızlı bir şekilde enerji sağlayıp hücresel içeriklerin yenilenmesi için gereken ortamı yaratabiliyor. Tam da bu sayede, hücrenin açlığa ve diğer stress faktörlerine yanıt verebilmesinde esas görevi görüyor. Enfeksiyondan sonra otofaji, istilacı hücre içi bakterileri ve virüsleri saf dışı edebiliyor. Yine otofaji, embriyonun gelişimi ve hücre farklılıaşmasına yardımcı olabiliyor. Hücreler otofajiyi aynı zamanda, hasar görmüş protein ve organellerin atılmasında da kullanabiliyor. Bu da yaşlanma sürecinin olası olumsuz sonuçlarını önlemede kritik bir önem taşıyabiliyor.

Bozulmuş otofaji, Parkinson hastalığı, tip 2 diyabet ve yaşlılıkla bağlantılı diğer hastalıklarda da rol oynuyor. Otofaji genlerinin mutasyonu genetk hastalıklara sebep olabiliyor. Yine bu bozulma kanserle de ilişkili gibi görünüyor. İlerlemiş çalışmalar şimdilerde, ciddi hastalıklarda doğrudan otofajiyi hedefleyen ilaçlar geliştirme yolunda.

Otofaji yaklaşık 50 yıldır biliniyor. Ancak fizyoloji ve tıptaki temel önemi 90’larda Yoshinori Ohsumi’nin paradigma değiştiren araştırmalarından sonra fark edildi. Bu keşif ona bu yılın Fizyoloji/Tıp Nobel Ödülünü getirdi.

Kaynaklar

– http://www. nobelprize. org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/press. html

– http://biyolojik. org/genelbilgiler/120-vakuol-koful

– http://www. evrimagaci. org/sozluk/ubikitin