Hücre Ölüm Mekanizmaları


Ali Aslan-Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Biruni Üniversitesi

Bilim insanları hücre ölüm mekanizmalarını uzun süredir araştırmaktadır. Geçtiğimiz yıllarda bu alanda büyük çalışmalar kaydedildi. Bilim insanları, hücre ölüm mekanizmalarının birçok metabolik rahatsızlığın, kanserin ve nörodejeneratif hastalıkların temelinde yer aldığını düşünmektedir.


Hücre ölüm mekanizmaları, hücrenin iç korunumunu sağlamak amacıyla özelleşmiş mekanizmalardır. “Düzenlenmiş Hücre Ölümü” (RCD) adı verilen mekanizma vücut içerisinde zarar görmüş, enfekte olmuş ya da toksik oranı artmış hücrelerin imhasında rol oynar. Bu mekanizmalar özellikle bazı mantar ve bakteri türlerinde gözlemlenmiştir. Bu gözlemler de bu mekanizmaların hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda mevcut olduğunu göstermektedir.[1-6] Hücrelerde bu mekanizmaların etkin olmasını sağlayan belirli etmenler mevcuttur. Örneğin; yüksek basınç, sıcaklık değerleri, osmotik etmenler ve pH değerleri gibi etmenler bu konuda belirleyici rol oynamaktadır. Ayrıca hücre ölüm mekanizmaları kendi içerisinde Düzenlenmiş Hücre Ölümü ve Kaza sonucu Hücre Ölümü olarak ikiye ayrılmaktadır. DHÖ, diğer hücrelerin etkinliğine ve çekirdekten gelen emir sonucunda hareket ederek sistematik bir şekilde hücre imhasını sağlarken KHÖ, beklenmedik bir durumda hücrelerin zarar görmesi sonucu oluşan bir hücre ölümüdür. DHÖ içerisinde bazı şartlarda diğer hücrelerin oluşturmuş olduğu tehlike sinyalleri vardır. Bu tehlike sinyallerine “hasar ilişkili moleküler model” ya da “alarmin” adı verilir.[7-11]


Hücre ölümlerinde makro ölçekte değişimler yaratacak etmenler mevcuttur. Bu etmenlere göre hücre ölüm mekanizmaları 3 tipe ayrılmaktadır. Tip I hücre ölümü ya da Apoptoz, hücrede sitoplazmik büzülme ile kendini gösterir. Kromozom kümelenmesi denilen Piknoz, çekirdeksel parçalanma olarak bilinen Karyorreks, bu tip hücre ölümlerindendir. Tip II hücre ölümünde lizozomal degredasyonun rol oynadığı otofaji temelli hücre ölümü rol oynamaktadır. Tip III hücre ölümünde ise nekroz, diğer tip I ve tip II gibi belirgin özellikler göstermez, herhangi bir fagositik etkinlik ya da lizozomal etkinlik olmadan bozulmuş hücrelerin atılmasıyla sona erer.[12,13]


Apoptoz kendi içerisinde İç Apoptoz (İntrensek) ve Dış Apoptoz (Ekstrensek) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.[14] Bunun sebebi İç Apoptoz’un hücre içerisindeki etmenlerin etkisiyle işleyen bir süreç olması, Dış Apoptoz’un da hücre zarındaki reseptörlerin çeşitli moleküller aracılığı ile uyarılmasıyla işleyen bir süreç olmasından dolayıdır.[15]

Şekil 1: Düzenlenmiş Hücre Ölüm Mekanizmalarının (RCD) gösterimi. Şekil, RCD’nin iki tür morfolojiye ayrıldığını ve bu morfolojilere göre şekillendiğini göstermektedir.[16]

İntrensek Apoptoz

İntrensek Apoptoz hücre içerisindeki mikroçevrede meydana gelen DNA hasarı, reaktif oksijen türleri (ROS) aşırı yüklenmesi, mitotik bozukluklar gibi etmenleri düzelten, RCD’nin bir çeşididir.[17-22] İntrensek Apoptoz’u düzenleyici rol oynayan Apoptoz düzenleyicisi(BCL2) adı verilen proteinin iki ana düzenleyici daha mevcuttur. Bunlar; BCL ilişkili X(BAX) ve BCL2 antagonist 1(BAK1)’dir. BAX, apoptoz’un işlenmesinden sorumluyken, BAK1 ise BCL2’nin etkinsiz hale getirilmesinde rol oynar. Mitokondrinin yapısına bakılırsa, İntrensek apoptoz, ya BAX ve BAK'ın aracılık ettiği porlara geçirgenlik geçiş gözeneğinin açılmasının mitokondriyal geçirgenlik geçişine (MPT) yanıt olarak ortaya çıkan mitokondriyal dış zar geçirgenliği (MOMP) ile tetiklenir.[23-26] MOMP’dan mitokondri zarlar arası boşluğa salınan sitokrom c gibi hücre ölümü düzenleyici molekülleri APAF1 adı verilen apoptozu aktive edici bir etmene bağlanarak Apoptozom’u oluştururlar ve Kaspaz 9’un etkinleştirilmesiyle diğer Kaspaz türleri etkin olur ve Apoptoz gerçekleşir.[27]


Extrensek Apoptoz

TNF-alfa, FASL, TRAIL gibi dış uyaranların Ölüm reseptörüne bağlanmasıyla birlikte etkinleştirilen Ekstrensek Apoptoz, daha sonrasında Fas ile ilişkili, ölüm alanı olan protein (FADD) adı verilen proteinin reseptörün alt kısmına bağlanarak öncül Kaspaz 8 ve öncül Kaspaz 10 gibi Kaspaz enzim üyeleri ile bir araya gelmesinden sonra Kaspaz 8’in oluşturduğu BID proteini, sonrasında İntrensek Apoptoz’a yönlendirilir.

Ekstrensek Apoptoz iki tip hücre zarı reseptörüne sahiptir. Ligandlar tarafından etkinleştirilen Ölüm reseptörleri ve belirli miktardaki ligandların eşik değerini aşmalarıyla etkinleştirdikleri Bağımlılık reseptörleri, bu iki tip hücre zarı reseptörlerini oluşturmaktadır.[28]


Ekstrensek Apoptoz, Ölüm reseptörü bağlanmasında çoklu proteinlerin, reseptörün kuyruğu olan “Ölüm-indükleyici sinyal kompleksi” (DISC) adı verilen kompleksler içinde bir araya gelmesi ve CASP8’in aktive edilmesi ile sonuçlanır.[29-31]


Şekil 2: Intrensek ve Ekstrensek Apoptoz yolaklarına genel bir bakış.[32]

MPT İlişkili Düzenlenmiş Nekroz

Bir RCD tipi olan MPT İlişkili düzenlenmiş Nekroz, hücreler arasındaki mikroçevrede reaktif oksijen türlerinin ve kalsiyum iyonlarının fazlaca birikmesi nedeniyle oluşmaktadır.[33] Hücre içerisinde sitoplazmik tanecikler, şişkinleşme görülmektedir. Bu düzenlenmiş Nekroz tipi “Mitokondiyel geçirgenlik geçiş gözeneği” (MPT) ile ilişkilidir. Düzenlenmiş nekroz, Kaspaz inhibisyonu, NADPH oksidasyon etkinliği gibi bazı biyokimyasal süreçleri de beraberinde getirir. MPT İlişkili Nekroz’un Mitokondrinin “geçişi sağlayan por kompleksi”ni (PTPC) takiben oluştuğu düşünülmektedir. Bu kompleks Mitokondrinin iç ve dış zarın arasında yer almaktadır. MPT İlişkili Nekroz, özellikle DNA hasarı, toksik maddelerin birikimi gibi etmenler tarafından etkinleştirilir. Belirli sinyal yolaklarına bağlı olarak düzenlenmiş Nekroz kendi içerisinde Nekroptoz, Partanatoz gibi farklı dallara ayrılabilir.[34] Düzenlenmiş Nekroz yolağı incelendiğinde TNF-alfa/FASL ikilisi kinaz alanında fosforillenmiş olan RIPK1 ve RIPK3’ü etkinleştiren TNFR1/FAS reseptörüne bağlanır. RIPK3, Kaspaz-8 ve FADD tarafından etkinleştirilir. En nihayetinde RIPK1 ve RIPK3 de Karışık soy kinaz alanı benzeri protein ve hücre zarı geçirgenliğini etkinleştirerek Düzenlenmiş Nekrozu gerçekleştirir.[35-37]

Kalsiyum iyonlarının birikmesi, çeşitli hastalıkları ve bozuklukları da beraberinde getirmektedir. Reaktif oksijen türlerinin ve kalsiyum iyonlarının yaratmış olduğu stress nöronlarda, kalp kasında ve renal bölgede iskemiye rol açmaktadır. Kemirgenler ile ilgili yapılan bir çalışmada, MPT’nin yapısına katılan siklofilin D (CYPD)’in HCLS1 ilişkili protein X-1(HAX1) tarafından degrade edilmesiyle MPT ilişkili Nekroz’un etkinliğinin kaybolduğu ve iskemi kaynaklı kardiyomiyosit dejenerasyonunun önüne geçildiği görülmüştür.[38] Bunun sonucunda nöral, kardiyak ve renal iskemisi olan kemirgenlerde iyileşme görülmüştür.

Siklofilin D’yi inhibe eden birçok farmakolojik inhibitör mevcuttur. Siklosporin A(CsA), Sanglifehrin A(SfA) ve JW47 gibi inhibitörler buna örnektir. Siklofilin D’nin inhibisyonu MPT ilişkili Nekroz’un da inhibisyonuna neden olmaktadır. Ayrıca bazı fiziksel ve fonksiyonel PTPC etkileşimcilerinin MPT ilişkili Nekrozu düzenlediği bilinmektedir. Pro apoptotik ve anti apoptotik BCL2 aile üyeleri olan BAK, BAX ve BID buna örnek olarak gösterilebilir.[39-41]


Şekil 3: Otofajik yolağı etkinleştiren kristallerin fagolizozomal bozulmadan dolayı katepsinleri etkinleştirmesi ve katepsin’in mitokondri geçirgenlik geçiş gözeneğinden geçerek MPT İlişkili Nekroz’u etkinleştirdiği görülmektedir. Diğer taraftan, hücre zarı bozulmasının Nekroz’a neden olduğu görülmektedir.[42]

Partanatoz

Partanatoz, DNA Hasarı Yanıtı mekanizmasının bir bileşeni olan Poli (ADP-riboz) polimeraz I (PARP1)’ın fazlaca etkin olmasından kaynaklı oluşan bir Düzenlenmiş Hücre Ölümü tipidir. Partanatoz’u etkinleştiren birçok etmen vardır, bunların başında nitrosatif stress (NO), hipoksi, hiperglisemi gelmektedir. Reaktif Nitrojen türlerinin birikimi PARP1’in nöronlarda fazlaca etkinleşmesine neden olmaktadır.[43] Bu da nöron ölümüne neden olmaktadır. Partanatoz’u aktifleştiren temel etmenlerden birisi mitokondri ilişkili apoptoz etkinleştirici faktör 1’in(AIF) poli (ADP-riboz) polimer ile birleşmesidir. Bu birleşme, AIF’ın sitozolde serbest kalmasını ve çekirdek içerisine hareket etmesine olanak sağlar ki bu, büyük ölçekte DNA parçalanmasına ve kromozom kümelenmesine neden olmaktadır.[42] Partanatotik DNA parçalanması, RCD hızlandırıcıları olan apoptotik kaspazlardan ve endonükleaz G (ENDOG)’den bağımsız olarak oluşur.[44]

Makrofaj göçü inhibitör faktörü (MIF) AIF-bağlayıcı proteine bağlanarak Partanatoz’u hızlandırıcı etkide bulunur. Sitozolik AIF MIF’in çekirdek içerisine geçişini sağlar. MIF, DNA kırılımını kataliz etmek için Partanatoz’u hızlandırır.

Yapılan hayvan çalışmalarında PARP1’in inhibisyonunun sitoprotektif (hücre koruyucu) bir etkisi olduğu görülmüştür. Yine de PARP1’in mekanizmasını inhibe eden farmakolojik ve genetik ilaçların geliştirilmesi için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.


Şekil 4: Hücre çekirdeğinde oluşan DNA hasarı PARP’ı etkinleştirmektedir. Etkin olan PARP, mitokondriye bağlanarak AIF salınımına sebep olmakta bu da hücre çekirdeği içerisinde Kromatin yoğunlaşmasına ve DNA parçalanmasına neden olmaktadır.[45]

Nekroptoz


Nekroptoz, temel olarak Reseptör-etkileşimli Serin-Treonin Kinaz 3(RIPK3) ve Psödokinaz gibi karışık soy kinaz alanına (MLKL) bağlı olan düzenlenmiş bir hücre ölümüdür. Nekroptoz genel olarak nekroz ile aynı morfolojik özellikleri gösterir. Nekroptoz’un moleküler işleyişine bakıldığında, MLKL’nin yapısında yer alan serin ve treonin amino asitlerinin RIPK3 tarafından fosforillenmesiyle ortaya çıkmaktadır. Nekroptoz’un başlatıcı elemanları tümör nekroz faktörü reseptörü 1(TNRF1) ve RIPK3‘dür. RIPK3’ün etkinleşmesiyle birlikte RIPK1 de etkinleşir ve CASP8 yolağını etkinleştirir. Bu da bilinen Nekroptoz’un oluşmasını sağlar. Nekroptoz’un oluşumunda birçok etmen mevcuttur. Nekroptoz’un FAS ve TNRF1 gibi reseptörleri hücre içi ve hücre dışı etmenler tarafından etkinleşerek Nekroptoz’u etkinleştirirler. Ayrıca TLR3 ve TLR4 gibi Patojen Tanıma Reseptörleri (PRRs) de etkinleşerek Nekroptoz’u etkinleştirebilirler. Nekroptoz sadece belirli stres etmenleri yüzünden etkinleşmez, aynı zamanda T Hücresi homeostaz’ının dengede kalmasına da yardımcı olur.[46-48]