Ana sayfa Bilim Gündemi Mitokondriyal DNA’da meydana gelen kırıklar bağışıklık tepkisini düzenliyor

Mitokondriyal DNA’da meydana gelen kırıklar bağışıklık tepkisini düzenliyor

201

Mitokondri adı verilen hücre organelinde DNA hasarı, çekirdekte bağışıklık tepkisini tetikler. Bu sürece ilişkin mekanik bilgiler, organellerin nasıl iletişim kurduğuna ışık tuttu.

Mitokondri, hücrelerde metabolizmanın ve doğal bağışıklık sistemi sinyallemesinin merkezi olarak hareket eden zarla çevrili organeldir. Her mitokondri, mitokondriyal genomun (mtDNA) birkaç kopyasını içerir ve bu mitokondriyal DNA’lar dışarıdan gelen çevresel stres faktörleri veya içeriden gelen genetik mutasyonlar tarafından zarar görebilir. Bu zararlar, mtDNA’nın parçalanmasına, mtDNA kopya sayısının azalmasına ve böylece mitokondriyal disfonksiyona (mitokondride işlev bozuklukları) neden olabilir. Buna ek olarak, sağlıklı bir mitokondrinin fonksiyonunu yerine getirmesi büyük ölçüde mitokondri ile çekirdek arasındaki çapraz karışmaya dayanır. Çapraz karışma (Cross-talk) bir sinyal iletim yolunun bir veya daha fazla bileşeninin diğer sinyal yolunu etkilediği durumları ifade eder. Tigano ve diğerleri hücrelerin çekirdekte bir bağışıklık tepkisi başlatmak için toksik mtDNA hasarını algıladığı bir mekanizmayı ortaya çıkarır.

Viral enfeksiyon veya ışınlaman (irradiyasyon) gibi akut stres koşulları, hücrede apoptotik (programlı hücre ölümü) yolların aktivasyonuna yol açabilir. Mitokondri bu apoptotik yollarda önemli bir role sahiptir. BAK ve BAX adı verilen gözenek oluşturan proteinler mitokondriyal zarda birikerek, hücre ölüm faktörlerinin organelden hücrenin sitozolik sıvısına salınmasına yol açar ve bu sürece herniyasyon adı verilir. Bazı durumlarda, hücre ölüm faktörleri aktif değildir, bu durumda hücre ölüm faktörleri yerine DNA ve RNA gibi mitokondriyal içerikler sitozole salınır. Sitozolde mtDNA ve mtRNA birikmesi güçlü bir antiviral tepki başlatır. Ancak, mitokondriyal disfonksiyonun tam olarak hangi yönlerinin bu mitokondriyal materyalin ekstrüzyonuna (sitozola salınmasına) ve birikmesine yol açtığı açık değildir.

Tigano ve diğerleri hücre için bir stres biçimi olan mtDNA’nın kesilmesini incelemek için yola çıktılar. Grup, mtDNA’nın her iki sarmalında da kesikler oluşturan mitokondri hedefli TALEN’ler (mtTLN) adı verilen “moleküler makas” yapılarını kullanarak memeli hücrelerini manipüle ettiler. TALEN molekülü DNA’nın istenilen sekansından çift sarmallı kesikler oluşturabilen bir enzimdir. mtTLN ise mitokondriyal DNA’yı kesmesi için modifiye edilmiş bir TALEN enzimidir. mtTLN uygulanan hücreler ve mtTLN uygulanmayan hücreler arasındaki gen ifade değişikliklerini analiz edebilmek için RNA dizileme tekniğini kullandılar. Analizin sonucunda, interferon gibi genellikle viral enfeksiyonlarla savaşırken karşılaştığımız doğal bağışıklık tepkisinde yer alan çekirdek genlerinin ifadesinin arttığını buldular. Yazarlar ayrıca STAT1 adı verilen transkripsiyon faktörünün fosfat grupları tarafından modifiye edildiğini ve interferon tepkisinde kritik bir önemi olan STAT1’in çekirdeğe taşınması olayının gerçekleştiğini buldular.

Toksik, DNA’ya zarar veren ajanlara maruz bırakılma yoluyla ya da DNA’nın kendi kopyasını oluştururken gerçekleşen hatalarla meydana gelen mtDNA’daki kırılmalar genellikle organel işlevinin bozulmasına neden olur. Ancak Tigano ve meslektaşları mtTLN uygulanan hücrelerde mtDNA sayısının yüzde 60 oranında azaldığını ve bunun mitokondriyal fonksiyon üzerinde hemen bir etkisi olmadığını buldu. Grup, morfoloji, mitokondri zarında olan proton (H+ iyonları) değişiminde ve reaktif oksijen türlerinin oluşturması gibi normal mitokondriyal fonksiyonun temel göstergelerinde değişiklik gözlemlemedi. Bu veriler, mtDNA kesilmesinin antiviral tepkilerin anahtar tetikleyicisi olduğunu göstermektedir.

Sonra, Tigano ve arkadaşları mtDNA kesilmesini çekirdeğe mesaj olarak ileten sinyal moleküllerini tanımlamaya giriştiler. mtTLN uygulanan hücrelerin sağlam mitokondriyal fonksiyonu olmasına ve apoptotik olmamasına rağmen, mitokondriyal herniyasyonla uyumlu olarak mitokondriyal zarın üzerinde BAK-BAX tarafından oluşturulan gözeneklerin oluştuğunu gösterdiler. Araştırmacılar, mtDNA’nın mitokondride kalırken mtRNA’nın bu hücrelerin sitozolünde birikmiş olduğunu buldular. mtRNA molekülleri, RIG-I adı verilen sitozoldeki viral RNA sensörü olarak bilinen bir RNA algılayıcı protein tarafından tespit edildi. Mitokondriyal antiviral sinyalleme (MAVS) olarak adlandırılan mitokondriyal dış zar üzerindeki adaptör proteini ile çalışan RIG-I, çekirdekteki interferon yanıt genlerini etkinleştiren bir sinyal yolunu tetikler. Bu bulgular, hücrelerin, bağışıklık gözetleme mekanizmalarında mitokondriyal sinyal molekülleri ile etkileşime girdiği bir çerçeveye işaret etmektedir (Şekil 1).

Şekil 1. Tigano ve meslektaşları mtDNA zarar gördüğünde, bu hasarın çekirdeğe bildirilmesinde rol alan mekanizmayı açıklıyorlar. Moleküler makas mtTLN ya da iyonlaştırıcı radyasyon yolu ile mtDNA’da kesikler oluşturdular. Bu uygulama mtRNA’nın, BAK-BAX proteinlerinin oluşturduğu gözeneklerden geçerek sitozola salınmasını tetikler. Sitozolik RNA sensörü RIG-I ve birlikte çalıştığı adaptörü MAVS sitozoldaki mtRNA’yı algılar ve interferon tepkisinde yer alan bağışıklık sistemi genlerinin ifadesinin artmasına sebep olur. Buna ek olarak, STAT1 transkripsiyon faktörü fosfatlanır ve interferon tepki genlerini aktifleştirmede yer alma ihtimali olan STAT1 çekirdek içine taşınır.

Kanser tedavisinde kullanılan radyasyon gibi DNA hasarı oluşturan faktörler çekirdekteki DNA hasarından kaynaklandığı düşünülen sistemik bir bağışıklık tepkisi ortaya çıkarır Tigano ve meslektaşları, radyasyonun mtDNA sayılarını yüzde 40 oranında azalttığını ve mtTLN’lerle aynı bağışıklık tepkisini ortaya çıkardığını buldular, bu da çift sarmallı kesiklerin mtDNA’da olduğu kadar ışınlamadan sonra hücre çekirdeğindeki DNA’da da meydana geldiğini öne sürüyor. Çarpıcı bir şekilde, ışınlama sırasında interferon tepkisinin uyarılması, mtDNA’sı olmayan hücrelerde neredeyse tamamen iptal edildi. Bu gözlem, radyasyonun neden olduğu mtDNA hasarının interferon tepkilerinin tetikleyicisi olabileceğini göstermektedir. Dikkat çekici bir şekilde, diğer birkaç doğal bağışıklık tepkilerinin uyarılması, mtDNA’sı olmayan hücrelerde devam etti, bu da mtDNA’nın olmayışının özellikle interferon tepkisini bozduğunu düşündürüyor.

Çalışma, mtRNA’nın bağışıklık sistemi uyarıcı bir rolü olabileceğini vurgulamaktadır. Ancak yine de cevaplanması gereken sorular bulunuyor. Örneğin, mtRNA molekülleri doğası gereği oldukça kararsız bir yapıya sahiptirler, peki nasıl oluyor da kararlı bir hale getirilip sitozolde parçalanmadan birikebiliyorlar? Gelecekteki araştırmalar için bir başka konu ise mtDNA kesildikten sonra BAK-BAX gözeneklerinin oluşumunu tetikleyen faktörlerin neler olduğudur. Bu gözenek oluşumunu engelleyen ilaçların interferon bağışıklık tepkisini baskılayıp baskılayamayacağını araştırmak geniş bir ilgi yaratacaktır. Hücrelerin bir bağışıklık tepkisi başlatmak için mitokondriden kendi RNA’larını tanıdığı bir mekanizmanın keşfi, bu yolun otoimmün hastalığa dahil olup olmadığı sorusunu da gündeme getiriyor. Son olarak, yapay olarak uyarılan mtDNA hasarının kanser için hedeflenen immünoterapilerin etkinliğini artırmak için kullanılıp kullanılamayacağını keşfetmek heyecan verici olacaktır.

Kaynak: https://www.nature.com/articles/d41586-021-00429-w