1950’lerin ortasında Washington Üniversitesi’nde çalışan Sam Clark, elektro mikroskobuyla yeni doğan fare böbreklerini inceledi ve daha önce görmediği bir şey dikkatini çekti. Böbrek hücrelerinin sitoplazmasında (hücrenin içerisinde organellerin arasını dolduran sıvı) hücre zarına bağlı yapılar gördü. İlginç şekilde bu yapılar, değişikliğe uğramış mitokondri (hücreye enerji sağlayan organel) içeriyorlardı.
Günümüzde bu olay otofaji olarak bilinir. Bu terim Yunanca’dan türevlenmiştir. Oto eki kendi anlamına gelirken, faji yeme eylemini ifade eder. Otofaji olayı sırasında hücre, düzenli olarak kendi parçasını tüketir.
Otofajinin ayırıcı özelliği, çift katlı geçici bir zar yapısında olan fagoforların varlığıdır. Salgılayıcı transport vesiküllerinin (proteinlerin salgılanmasını sağlayan zar yapısındaki küçük cepler) aksine, fagoforlar kurumlumları sırasında kargoyu (taşınacak moleküller) biriktirirler. Sitoplazmada tek başına bulunabilirler ya da endoplazmik retikulumla bağlantılı olabilirler. Kargo kapasitesine göre genişleyebilirler. Genişledikçe; protein, lipit, gibi sitoplazmik bileşenleri ve hatta bir organelin tamamını içine alabilir. Atıklar toplandığında fagofor kapanır ve otofagosoma olgunlaşır.
Otofagosom kargoyu zar füzyonu yoluyla lizozom gibi parçalayıcı organellere dağıtır.
Günümüzde otofaji, hücresel dengenin korunabilmesi için kritik bir süreç olarak tanınır. Hücre bir stres faktörü ile karşılaştığında, otofaji düşük seviyede ortaya çıkarak biyomolekül miktarını arttırır. Hücrenin bir bölümünün yıkıma uğramasıyla ortaya çıkan makromoleküller (proteinler, lipitler, karbonhidratlar) sitoplazmaya salınır ve metabolik reaksiyonlara ve enerji üretimine katkı sağlar.
Normal koşullarda ve stres durumunda otofajinin hücresel sağlığa katkısı, sıkıca kontrol edilen bir mekanizmadır. Buna ek olarak, son yıllarda yapılan araştırmalar çok sayıda hastalık için otofajinin kritik bir düzenleyici olduğunu keşfetti. Gelişimde ve hastalıkta otofajinin rolünü anlamak, hastalıkların tedavisinin önünü açacaktır. Bu olayın morfolojisini ve işlevini kısmen anlarken, karmaşık yolağı ile ilgili çok sayıda aşama, aydınlatılmaya devam etmektedir.
Otofajinin Mekanizmaları![Otofajinin Hastalıkta ve Sağlıktaki Rolü]()
Otofajiyi eşsiz yapan nedir? Bu sorunun cevabı otofagosomların büyüklüğü ve kargo seçimi konusundaki esneklikte yatar. Otofaji, büyük kütlelerde parçalanmayı teşvik edebilir ve hücre besin eksiliğiyle karşı karşıya kaldığında moleküllerin geri dönüşümünü sağlayabilir. Buna ek olarak otofaji, bir organeli tamamen parçalayabilecek tek yoldur.
Otofaji, doğru zamanda ortaya çıkabilmesi için sıkı şekilde kontrol edilen bir mekanizmadır. Hücrenin merkezi metabolik sensörü olan TOR kompleksi 1, amino asitlerin ve büyüme faktörlerinin varlığına duyarlıdır. Bu bileşenler eksik olduğunda, otofaji baskılanmasını kaldırır. Hücreler bu moleküllere aç olduğunda, TORC1/MTORC1 protein kompleksi inaktive olurken, otofaji aktifleşir. Bu esnada diğer moleküler düzenleyiciler de, hücreyi glukoz ve ATP açısından gözden geçirir ve bu moleküller kritik derecede düşük olduğunda otofajiyi tetikler.
Otofaji başladığında, otofaji ile ilişkili birkaç protein (Atg proteinleri) fagofor formunu ve otofajinin diğer basamaklarını oluşturmak için koordine olurlar. Mayadaki Atg genleri ilk defa 1990’lı yıllarda keşfedildi. Sonrasında diğer organizmalar üzerindeki araştırmalar da başladı ve araştırmalar otofajinin evrimsel açıdan oldukça korunan bir mekanizma olduğunu açığa çıkardı.
Henüz fagofor genişlemesinin tam olarak nasıl düzenlendiği anlaşılamadı. Bu süreci başlatan ve düzenleyen mekanizmaların tamamı henüz bilinmemektedir. Bu sürecin daha iyi anlaşılması oldukça önemlidir çünkü otofaji; embriyonik gelişim, sağlıklı büyüme ve insan hastalıkları ile yakından ilgilidir.
Gelişimde Otofaji ![Otofajinin Hastalıkta ve Sağlıktaki Rolü]()
1970’li yılların sonunda, Richard Lockshin ve meslektaşları otofajinin böcek metamorfozu sırasında gerçekleştiğini gösterdiler. Bu keşiften on yıl sonra araştırmacılar, otofaji mekanizması anormal olan mutant mayaların spor oluşturamadığını gözlemlediler. Bu kanıtlar, otofajinin organizma gelişiminde rol oynadığına dair ilk ipuçlarıydı. Son zamanlarda da hücre farklılaşması ve gelişimi üzerine rolüyle ilgili çalışmalar devam etmektedir.
Geçen 15 yılda araştırmacılar, erken memeli embriyogenezinde (embriyo oluşumu) açlık cevabı olarak seçici olmayan otofajinin varlığını gösterdi. Döllenmeden sonra yumurtanın programlanması için, otofaji kritik önemdedir. Yumurtadaki çeşitli mRNA’lar ve proteinler, spermle birleşmesinin ardından parçalanır. Bu nedenle, yumurta kimliğinden embriyonik kontrole geçiş, kısmen otofajidir. Bunu destekleyen bir kanıt, Atg5 genin (otofaji mekanizması ile ilgili bir gen) açısından mutasyonlu fare embriyolarının ancak 4-8 hücreleri aşamaya kadar yaşayabilmesiydi.
Seçici otofaji de gelişimde önemli rol oynar. Kırmızı kan hücrelerinin dokulara oksijen taşıması, oksijen bağlayan bir protein olan hemoglobinin kanda yüksek miktarda olmasına bağlıdır. Bu talebi karşılayabilmek için öncü retikülosit hücreleri, eritrositlere olgunlaşırken birçok organaneli elimine etmek zorundadır. Bir tür seçici otofajik parçalanma olan mitofaji ile hücrenin mitokondrileri parçalanır. Hedefli mitokondri parçalanması, zigotik gelişim sırasında da görülür. Bu sırada babadan gelen mitokondri parçalanır ve böylece sadece anneden gelen mitokondrinin kalıtılması sağlanır. Organizma olgunlaştıkça bu geri dönüşüm mekanizması, hücresel ortamda sağlıklı organellerle temel biyomakromoleküller arasında sağlıklı bir denge oluşturur.
Otofaji mekanizmasındaki bozukluk, enfeksiyon hastalıklarından kansere ve nörodejeneratif hastalıklara kadar çok sayıda sağlık sorununda ortaya çıkar. Otofaji ve hastalıklar arasındaki ilişkinin anlaşılması, etkili tedavi edici stratejilerin tasarlanması için kritik önem taşır.
1984’te enfeksiyona karşı otofajinin uyarılması, ilk defa keşfedildi. Riketsiya ile inkübe edilen memeli hücrelerinde otofagosomların oluştuğu görüldü. Patojenleri yok etmek amacıyla tetiklenen bu tür seçici otofajiye ksenofaji denir. Ksenofaji; bakteriyal yüzey proteinlerinin ubikitinlenmesiyle (ubikitin adlı kimyasal grupların eklenmesi) başlatılır. Ubikitine bağlanan otofaji reseptörleri tarafından tanınmaya başlamasıyla, fagoforların içerisine patojenleri alır.
Bağışıklık sisteminin otofaji ile manipüle edilmesi her zaman faydalı değildir. Zürih Üniveristesi’nde yapılan bir çalışmada, otofaji mekanizmasının bileşenlerinin, merkezi sinir sistemini etkileyen otoimmün (bağışıklık sisteminin vücudun kendi hücrelerine saldırması) bir hastalık olan multiple sklerozisi kötüleştirmede rolü olabileceğini gösterdi. Bir bağışıklık sistemi hücresi olan dendritik hücreler, merkezi sinir sisteminde parçalan hücrelerden türevlenen peptidleri antijen olarak bağışıklık sistemine tanıtır. Bu antijenler de T- hücrelerini (patojenleri parçalayan hücre türü) aktive ederek, sürekli bir sinir hasarına neden olurlar.
Otofajinin koruyucu işlevi, Parkinson ve Huntington hastalığı gibi birkaç nörodejeneratif hastalıkta ortaya çıkar. Huntington hastalığının nedeni olan huntingtin proteinlerinin birikmesine karşı, otofaji mekanizması aktive olur ve proteinleri parçalar.
Parkinson hastalığında da mitofaji kaybı, hastalığın anahtar faktörlerinden biri olarak tanımlandı. Çoğu Parkinson vakasının kendiliğinden ortaya çıkmasına rağmen, mitofaji ile ilişkili PINK1 ve PRKN genlerindeki mutasyonlar kalıtsal Parkinson ile ilişkilidir. Nöronların sinyal üretebilmesi için sağlıklı mitokondrilerin varlığı çok önemlidir ve mitofaji eksikliği sonucu hasarlı mitokondrilerin hücrede birikmesi nöronların işlevini yerine getirememesine neden olur.
Otofaji, kanserle de ilişkilidir. Otofajinin var olan mekanizması nedeniyle tümörü bloklaması beklenirken, tümörlerin büyümesini ve metastaz yapmasını teşvik ettiği görüldü. Tümör oluşumunda hızlı çoğalma görüldüğü için, kanser hücrelerinin çok fazla besine ihtiyacı vardır. Kanser hücreleri bu ihtiyaçlarını da otofaji yoluyla karşılar. Bu açıdan otofaji, kanser hücrelerinin hayatta kalmasına yardım eder.
Bilimsel alanda otofaji çalışmaları, oldukça heyecan verici bir alandır. Otofajinin başlatılması, ilerleyişi ve düzenlenmesi ile ilgili mekanizmaların bir kısmı açığa çıksa da, bu mekanizmanın gelişim ve hastalıkların üzerinde nasıl bir etkisi olduğuna dair bilgimiz sınırlıdır. Otofaji ile ilişkili proteinlerin işlevine dair cevaplanacak daha çok soru vardır. Şu ana kadar bildiklerimiz özetle, hücrenin geri dönüşüm için kısmen kendini sindirmesi gerektiği ve bu mekanizmadaki denge bozukluğunun da hastalıklara yol açtığıdır.
Kaynakça:
https://www.the-scientist.com/features/eat-yourself-to-live-autophagys-role-in-health-and-disease-30024
Yazar: Ayça Olcay