Mitokondri adı verilen organeller, hücrede önemli rollere sahiptir ve bölünürken yeni oluşan hücrelere başarılı bir şekilde aktarılmalıdır. Ayrıca, aktarım şekli hücreye bazı avantajlar sağlamaktadır. Hücre bölünmesi sırasında mitokondrinin bölünen hücrelere aktarımı ve hücre iskeletinin elemanları arasında üç tip etkileşim olduğu ortaya çıkarılmıştır.
1855 yılında Alman doktor Rudolf Virchow “Tüm hücreler, hücrelerden oluşur” anlamına gelen “Omnis cellula e cellula” ifadesini öne sürdü. Başka bir deyişle, hücreler, mevcut hücrelerin büyümesi ve bölünmesiyle ortaya çıkar. Kromozomlarda depolanan genetik bilgi, hücre bölünmesi sırasında, mitoz adı verilen oldukça düzenli bir süreçle bir sonraki nesle aktarılır. Biyologlar, bu büyüleyici sürecin moleküler koreografisini deşifre etmek için onlarca yıl harcadılar ancak mitokondri adı verilen organellerin kalıtımı ile çok daha az ilgilenildi. Mitokondriler enerji metabolizması için gereklidir ve de novo olarak oluşturulamazlar (hücre içinde kendiliğinden oluşamazlar), bu yüzden yeni oluşan hücrelere aktarılmaları gerekir. Moore ve arkadaşları Nature‘daki makalelerinde, bu süreci benzeri görülmemiş bir ayrıntı düzeyinde açıklamaktadır.
Hücre iskeleti ve bölünme ilişkisi
Hücre iskeletinin (hücresel mimariyi belirleyen bir protein ağı) iki ana bileşeni, hücresel dinamiklerden sorumludur. Bunlar, organellerin uzun mesafeli taşınması için rota oluşturan yapılar olan mikrotübüller ve kısa mesafelerde taşımaya aracılık eden aktin filamentleridir. Ayrıca bu filamentler korteks adı verilen bölgede hücrenin dış sınırındaki şekil değişikliklerini oluşturur. Hücre iskeleti, hücre bölünmesi sırasında büyük ölçüde yeniden şekillendirilir. Mikrotübüller, hücre bölünürken kromozomları bölmek için gerekli olan mitotik mil adı verilen bir yapı oluşturur ve daha sonra aktin filamentleri hücre bölünmesine neden olan bir kasılma hareketi (halka şeklinde) meydana getirir.
Organeller ayrıca mitoz evresinde kapsamlı bir şekilde yeniden şekillenir. Genellikle mitokondri, insan hücrelerinde genişlemiş ve birbirine bağlı ağlar oluşturur. Oldukça uzun zamandır hücreler bölünürken mitokondrinin bölünmesinin büyük ölçüde pasif bir süreç olduğu düşünülüyordu, ancak artık bu görüş değişiyor.
Yaklaşık 10 yıl önce araştırmacılar, insan hücrelerinde alışılmadık şekilde davranan aktin hücre iskeletini keşfetti. Bir aktin filamenti kümesinin, mitoz sırasında erkenden ortaya çıktığı ve daha sonra sabit bir açısal hızda sitoplazma boyunca döngülerle hareket ettiği fark edildi.
Floresan filamentli hücrelerin hızlandırılmış filmlerinin, bir radar ekranına benzeyen dairesel dalgaları ortaya çıkardığı belirlendi. (Şekil 1’de detaylı bir biçimde açıklanmaktadır.) Görsel olarak son derece çarpıcı olmasına rağmen, bu garip fenomenin işlevi bir sır olarak kalmıştı ancak artık bu, bir muamma olmaktan çıktı. Araştırmacılar, en son ışık mikroskobu teknolojisini kullanarak, bu aktin dalgalarının, insan hücrelerinin mitozu sırasında mitokondriyal bölünmede rol oynadığına dair kanıtlar buldu. Kromozomal bölümleme gibi, mitokondriyal kalıtım da hücre iskeleti tarafından yönetilen dinamik süreçlere bağlıdır ancak bu bölümleme olaylarının tamamen farklı bir şekilde gerçekleştiği görüldü.
Mitokondri ve aktin arasındaki üç etkileşim
Araştırmacılar, mitoz sırasında mitokondri ve aktin arasındaki üç etkileşim modunu tanımlıyor (Şekil 1). Önceki çalışma, miyozin motor proteini olan Myo19’un mitokondriyi bir aktin ağına dinamik olarak bağladığını ve böylece mitokondrinin sitoplazma boyunca dağılımını koruduğunu anlatıyordu.
İlk olarak, Moore ve meslektaşları bu süreci daha önce bildirilenden daha ayrıntılı olarak gözlemlediler ve bunun aktin dalgalarının varlığından bağımsız olduğunu buldular. İkinci olarak, bir dalga içinde olan mitokondrinin, organelleri hareketsiz kılan aktin filamentlerinin bulut gibi görünen yapıları ile çevrelendiği gözlemlenmiştir. Son olarak, bazen bu bulutlar “açılır” ve hemen ardından şaşırtıcı bir mitokondriyal hareket meydana gelir. Organeller, aktin filamentlerinin hızlı büyümesi (polimerizasyonu) sonucu harekete geçer. Böylece daha önce bahsedilen aktinden yapılmış kuyruklu yıldız benzeri yapı oluşur. Bu mitokondriyal hareketler hızlı ve rastgele yönelimliydi ve hücre içinde ciddi mesafeler kat ediyordu.
Moore ve meslektaşlarının, oluşan aktin kuyruklu yıldızı hakkındaki gözlemleri özellikle heyecan vericiydi. 20 yıl önce, aktin polimerizasyonunun maya hücrelerinde mitokondriyal hareketliliği tetiklediği öne sürüldü ancak bu düşünce tartışmalıdır. Çünkü maya hücresi bölündüğünde oluşan tomurcuğa mitokondri taşınırken, aktin hattı boyunca “yürüyen” bir miyozin motor proteini ona aracılık eder ve bu mayada, bahsedilen aktin mitokondriyal kuyruklu yıldızı belgelenmemiştir. Bununla birlikte, aktin dinamiğine dayanan hareket, hayvan hücrelerinde oldukça yaygındır. Aktin, bir konak hücrenin sitoplazmasında, bazı istilacı mikroorganizmaların hareket etmelerini sağlamak için yine bu istilacı organizmalar tarafından ele geçirilir.
Araştırmacılar, çift motorlu uçakların gökyüzünde bıraktığı izlere benzer şekilde mitokondrinin önünden çıkan ve organellerin arkasına uzanan ikiz aktin kuyruklarının çarpıcı görüntülerini sunuyor. Moore ve meslektaşlarının gözlemlediği kuyruklu yıldız şeklindeki yapı genellikle biraz bükülmüş durumdadır. Bu bükülmüş yapı, hücreleri enfekte eden ve hastalığa neden olan Rickettsia cinsi belirli bir bakteri tarafından üretilen aktin kuyruklu yıldızına oldukça benzerdir.
Aktin dinamiklerinin mitokondriyal kalıtımdaki işlevi ne olabilir?
Mitokondri, enerji üretimi için gerekli olan temel proteinleri, solunum zinciri adı verilen (aynı zamanda elektron taşıma zinciri olarak da bilinir) bir yolla kodlayan kendi genomunu içerir. DNA’da bu tür bileşenleri kodlayan mutasyonlara sahip bir mitokondri birikimi varsa, bir hücrenin enerji üretimi tehlikeye girer. Dahası, eğer bir hücreye ana hücresinden mutasyona uğramış DNA ile yüksek miktarda mitokondri aktarılırsa, sonraki her hücre bölünmesi bu enerji kusurlarını soy hücrelerine aktarır. Bu nedenle anormallikler dokunun büyük bir kısmına yayılabilir ve nihayetinde organ fonksiyonunu bozabilir. Bu olasılık, aktin dinamiklerinin kalıtsal olarak aktarılan mitokondrinin dağılımına aktif bir katkıda bulunabileceğini göstermektedir.
Moore ve arkadaşları, hasarlı mitokondriye sahip hücreler oluşturmak için optogenetik araçlar denen araçları kullandılar. Mitokondrinin alt bölümlerinde zararlı reaktif oksijen türlerinin üretimini tetiklediler ve aynı zamanda bu mitokondrileri işaretlediler. Böylece hasarlı organellerin dağılımının döngüsel aktin dalgalarının varlığına bağlı olduğunu gözlemlediler. Bu deneysel verileri bilgisayar modellerine aktardılar. Sonuçlar, aktin dalgalarının, hücre bölünmesi sırasında mitokondriyi rastgele dağıtan kuyruklu yıldızın yol açtığı hareketlenmeleri göstermektedir. Bu hareketlenmeler organel dağılımına neden olur ve hasar görmüş mitokondrinin, mitotik bölünme sonucu oluşan iki yeni yavru hücre arasında eşit olarak dağılmasını sağlar (Şekil 1).
Moore vd.’nin keşifleri, bu konunun daha fazla çalışılmaya değer olduğunu kanıtlayan birkaç ilginç yönü ortaya çıkardı. Mitokondriyal yüzeydeki aktin dinamiklerini düzenleyen moleküler yolları belirlemenin ilginç olacağı düşünülüyor. Bu konu ile ilgili daha önce yapılan bir çalışmada, hücre döngüsünün mitozdan önceki fazlar arası evresinde, dönen aktin dalgalarının, mitokondrinin bölünmesi ve dağıtılması arasındaki dengeyi düzenlediği rapor edildi. Ayrıca, mitokondriyal hareketin, birbirine bağlılığın ve dağılımın birbirini karşılıklı olarak etkileyen bir süreç olup olmadığını keşfetmek önemli olacaktır.
Kök hücre ve mitokondri dağılımı
Bazı hücre türleri asimetrik olarak bölünür ve farklı durumlara sahip yeni yavru hücreler oluşturur. Bir kök hücrenin bölünmesi sırasında, bölünen hücredeki eski mitokondriler, tercihen farklılaşmaya mahkum olan yavru hücreye aktarılırken, daha “genç ve sağlıklı” mitokondriler, kök hücre özelliklerini koruyan yavru hücreye aktarılır. Sonuç olarak bir paylaştırma söz konusudur. Bu nedenle, bu hücrelerde mitokondri karışımının önlendiği ve henüz bilinmeyen diğer mekanizmaların mitokondrinin asimetrik kalıtımını sağladığı öngörülebilir. Hiç şüphe yok ki, mitokondriyal araştırmalar gelecekte çok daha fazla sürprizle karşılaşmamıza neden olacak.
Kaynak: https://www.nature.com/articles/d41586-021-00511-3