Hücre-Hücre Etkileşimin Arasındaki Köprüler: Tünel Nanotüpler
Güncelleme tarihi: 9 Nis 2021
Ali Aslan - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Biruni Üniversitesi
Hücreler, canlıların sahip olduğu yapısal ve işlevsel özellikleri olan en küçük yapı birimleridir. Atomların bir araya gelmesi ile moleküller, moleküllerin birleşimi ile makromoleküller, makromoleküllerin de bir araya gelmesi ile de kompleks makromoleküller oluşur. Bunların da dengeli organizasyonuyla da yaşamsal faaliyetlerin devam ettiği hücre dediğimiz küçük fabrikalar oluşmaktadır[1]. Bu mini fabrikalar birbirleriyle sürekli etkileşim halindedir ve bu etkileşim içerisindeki trafik çok çeşitli ve yönlüdür. Bu trafik içerisinde vezikül denilen keseciklerin salınımı, sinyal oluşumları, glukoz, oksijen gibi hayati moleküllerin taşınımı ve daha birçok süreç bulunmaktadır[2]. Hücrenin ayrıntılı keşfinden sonra özellikle ökaryotik hücreler üzerindeki çalışmaların artmasıyla beraber hücrelerin birbirleriyle olan etkileşimi de araştırılmaya başlandı. Hücrelerin birbirleriyle olan etkileşiminin moleküllerin salınımı, hücre reseptörlerinin sinyal üretmesi ve boşluk kavşakları denilen kısımlar aracılığı ile olduğu bilinmekteydi[3]. Bu etkileşimler, oluşumlarının çeşitlerine göre kendi içlerinde ayrılmaktadır. Endokrin dediğimiz iletişim şeklinde hücre iletmesi gerektiği molekülleri (hormonlar) kan akışı yoluyla başka hücrelere iletir ve bu hücreler de reseptörler vasıtasıyla bu molekülleri teslim alır[4]. Parakrin olarak adlandırılan diğer bir iletişim şeklinde ise, birbirlerine yakın olan hücrelerin birbirleriyle reseptör-ligand ilişkisi kurdukları bir iletişim şeklidir. Nöron hücrelerinde iletim şekli ise akson ve onun ucunda yer alan sinaps kısmı ile sağlanır[4]. Nöron başka bir nörona iletmek istediği mesajı aksonlar yoluyla sinapslar aracılığı ile iletir. Başka bir iletim şekli olan kontakt bağımlı iletişimde ise sinyal gönderen hücrenin membran yüzeyinde bulunan bir sinyal molekülü ile hedef hücredeki reseptör arasında kontakt sağlanır[4]. Bu sayede iletişim gerçekleşmiş olur.
Son yıllarda yapılan çalışmalarda hücre-hücre iletişiminde daha ayrıntılı mekanizmalar ve yollar keşfedildi. Hücreler arasındaki iletişime yeni bir boyut kazandıran “Tünel nanotüpler (TNT)” bu iletişimin nasıl gerçekleştiği konusundaki bilgilerin de güncellenmesini sağladı.
Bu iletişim sistemi, sinyal molekülleri iletiminden ya da boşluk kavşakları yoluyla oluşan iletişimden oldukça farklıdır. Ekzozom adı verilen mini veziküller vasıtasıyla TNT, uzun menzilli iletişimlerin gerçekleşmesine olanak sağlamaktadır[6]. Temelde TNT dediğimiz bu yapılar yakınlardaki ya da uzak bölgelerdeki hücrelerin birbirleriyle iletişimi sağlayan membranöz yapılardır. Daha da ilginç olanı, bu yapıların birçok hücre tipinde bulunuyor olmasıdır[7-9]. Makrofajlardan miyeloid hücrelere, osteoklastlardan dendritik hücrelere hatta kanser hücrelerine kadar çok geniş bir hücre skalasında bu iletişim şeklini görmek mümkündür[6].
Şekil 2: Kanser hücre kültüründe TNT oluşumu. Görselde(solda) iki hücrenin birbirleriyle yaptıkları TNT’nin temsili görüntüsü. Oluşturulan bu moleküler köprüde, mitokondri taşınmasından patojenik uyarıma kadar çok geniş bir skalada bir iletim şekli olduğu görülmektedir. Görselin diğer kısmında(sağda) ise kültür hücrelerinin oluşturduğu TNT’nin flurosan görüntüleri yer almaktadır. Aktin filamentler kırmızı ile gösterilirken, mikrotübüller yeşille ve çekirdek kısmı da maviyle gösterilmiştir. Aktin filamentleri rodamin falloyidin ile mikrotübüller anti-tubulin ile ve çekirdekler ise DAPI ile boyanmıştır[10].
TNT’lerin yapısına bakıldığında iki veya daha fazla hücrenin kısa veya uzak mesafelerde bağlantılarını sağlayan membranöz yapılar olduğu görülür[6]. Bu TNT yapılarının uzunluğu makrofajlarda 200 μm’ye kadar ulaşmaktadır[11]. Ayrıca TNT’leri karakteristik olarak belirginleştiren üç temel unsuru olduğu bilinmektedir. Bunlardan ilki en az iki hücre arasında kontakt sağlıyor olmalarıdır[8]. İkincisi ise F-aktin denilen yapılardan oluşuyor olmalarıdır. Üçüncüsü ise var olan substratlarla etkileşime girmiyor olmalarıdır[8]. Bu sayede, filopodya gibi hücresel yapıların F aktince zengin olduğu düşünüldüğünde TNT ile filopodya arasında farkın da ayırt edilmesi de mümkün olmaktadır[6]. Ayrıca var olan iletişimin etkisiyle de TNT yapıları kapalı ya da açık şekilde olabilmektedir. Örneğin, TNT’nin bittiği kısımda kavşaksal bir sınır oluşurken (kapalı-sonlu TNT), birbirleriyle etkileşim halinde olan ve sitoplazmaları karışmış olan iki hücre arasında da açık sonlu TNT bulunmaktadır[6]. Açık sonlu TNT’ler büyük boyutlu lipofilik bir boya olan DIO ile tespit edilebilirken[12], kapalı sonlu TNT’ler elektron mikroskop yöntemi(SEM) ile tespit edilebilmektedir[13]. Ayrıca kapalı sonlu TNT’nin açık sonlu TNT’nin oluşumunda ara bir süreç olduğu da düşünülmektedir[6].
Şekil 3: Görselde iki mekanizma yoluyla TNT oluşumu görülmektedir. Çıkıntı uzantı mekanizmasıyla(ÇUM) TNT oluşumu sağlanabildiği gibi Hücre ayrılma mekanizmasıyla(HAM) da TNT oluşumu sağlanabilmektedir. ÇUM’da filopodya benzeri bir çıkıntının oluştuğu ve hedef hücreye bağlandığı görülmektedir. HAM’da ise başlangıçta kontakt halinde olan hücrelerin birbirlerinden ayrılmasıyla oluşan bir mekanizma olduğu görülmektedir. Sonda görülen iki hücrenin sitoplazmasını paylaşması halinde ise multinükleer dev hücre oluşumu görülmektedir[6].
TNT’nin ilk keşfi, PC12 sıçan böbrek hücre hattında olmuştur[14]. Daha sonrasında insan hücre hatlarında da incelenmiştir. İlerleyen çalışmalarla monositlerde ve makrofajlarda da bu mekanizmanın olduğu görülmüştür[15]. Her ne kadar birçok hücrede bu yapı bulunuyor olsa da granülositlerde TNT’nin tanımlanmadığı da rapor edilmiştir. Dendritik hücrelerde(DH) bulunan TNT, monosit türevli makrofajlardaki TNT’ler ile benzerlik göstermektedir[2,16]. Bununla birlikte, anti-inflamatuar koşullara maruz kalan DC'nin aksine, yalnızca pro-inflamatuar koşullar tarafından etkinleştirilenler, çözünen molekülleri ve patojenleri aktarabilen karmaşık bir TNT ağı oluşturur[17]. Makrofajların da inflamatuvar M1 ve anti-inflamatuvar M2 polarizasyonu gibi değişken durumlara sahip olduğu düşünüldüğünde bu oldukça anlamlıdır[6].
TNT’nin oluşumundaki moleküler mekanizmalara bakıldığında, birtakım moleküler aktörün bu oluşumda yer aldığı gözükmektedir. Bunlardan biri olan M-Sec diğer adıyla tümör nekroz faktör alfa indüklü protein, makrofajlarda en iyi karakterize edilen proteinlerden biri olmuştur[18]. Raw264.7 hücrelerindeki M-Sec tükenmesi de novo TNT’nin ve bununla ilişkili olan kalsiyum akışının da azalmasına neden olmaktadır[18]. Yapılan araştırmalar neticesinde, aktin polimerizasyonunda rol oynayan Rac1, Cdc42 ve aşağı akış efektörleri olan WASP ve WAVE gibi proteinlerin TNT oluşumunda rol oynadığı görülmüştür[19]. Ayrıca HeLa ve HEK hücre hatlarında lökosit spesifik transkript 1(LST1) ekspresyonunun da TNT’nin işlevi üzerinde etkisi olduğu anlaşılmıştır[6].
Şekil 4: TNT’nin moleküler oluşum mekanizması. A) Filamin,RalpBP1,Ral-A-GTP,M-Sec ve Exocyst kompleksinin oluşturmuş olduğu daha büyük bir kompleks aktin hücre iskeletinde yapılanmaya, membran takviyesine ve dolayısıyla da TNT oluşumuna neden olduğu görülmektedir. Hidrojen peroksit, serum açlığı gibi durumlarda p53 etkinleşerek EGFR, Akt-PI3K-mTOR ve M-Sec’i etkinleştirir. Üç durumun da nihai TNT oluşumuna yol açtığı görülmektedir[21].
TNT oluşumu her ne kadar hücresel iletimin oluşmasını mümkün kılsa da, aynı zamanda kanser hücrelerinin yayılımında, manipülasyonunda da rol oynadığı görülmektedir[10]. Bununla birlikte nörodejeneratif hastalıklarda oluşan protein birikimlerinin varlığında ve metabolik hastalıklardaki bozuklukların oluşmasında da etkili olduğu bilinmektedir[20]. TNT oluşumunun iyi bir şekilde anlaşılması ve mekanizmalarının aydınlatılması ile kanser ve nörodejeneratif hastalıkların tedavisinde de önemli yöntemler geliştirilmesine olanak sağlayabilir.
Referanslar
Sohail, A. A., Gaikwad, M., Khadka, P., Saaranen, M. J., & Ruddock, L. W. (2020). Production of Extracellular Matrix Proteins in the Cytoplasm of E. coli: Making Giants in Tiny Factories. International Journal of Molecular Sciences, 21(3), 688. doi:10.3390/ijms21030688
Gerdes HH, Carvalho RN. Intercellular transfer mediated by tunneling nanotubes. Curr Opin Cell Biol (2008) 20:470–5. doi:10.1016/j.ceb.2008.03.005
Gerdes, H.-H., Rustom, A., & Wang, X. (2013). Tunneling nanotubes, an emerging intercellular communication route in development. Mechanisms of Development, 130(6-8), 381–387. doi:10.1016/j.mod.2012.11.006
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P., 2002. General Principles of Cell Communication. [online] Ncbi.nlm.nih.gov. Available at: <https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26813/> [Accessed 20 March 2021].
Slideplayer.com. 2016. Essential Cell Biology - ppt video online download. [online] Available at: <https://slideplayer.com/slide/9550795/> [Accessed 20 March 2021].
Dupont, M., Souriant, S., Lugo-Villarino, G., Maridonneau-Parini, I., & Vérollet, C. (2018). Tunneling Nanotubes: Intimate Communication between Myeloid Cells. Frontiers in Immunology, 9. doi:10.3389/fimmu.2018.00043
Sisakhtnezhad S, Khosravi L. Emerging physiological and pathological implications of tunneling nanotubes formation between cells. Eur J Cell Biol (2015) 94:429–43. doi:10.1016/j.ejcb.2015.06.010
McCoy-Simandle K, Hanna SJ, Cox D. Exosomes and nanotubes: control of immune cell communication. Int J Biochem Cell Biol (2016) 71:44–54.doi:10.1016/j.biocel.2015.12.006
Zaccard CR, Rinaldo CR, Mailliard RB. Linked in: immunologic membrane nanotube networks. J Leukoc Biol (2016) 100:81–94. doi:10.1189/jlb.4VMR0915-395R
Pinto, G., Brou, C., & Zurzolo, C. (2020). Tunneling Nanotubes: The Fuel of Tumor Progression? Trends in Cancer. doi:10.1016/j.trecan.2020.04.012
Eugenin EA, Gaskill PJ, Berman JW. Tunneling nanotubes (TNT) are induced by HIV-infection of macrophages: a potential mechanism for intercellular HIV trafficking. Cell Immunol (2009) 254:142–8. doi:10.1016/j.cellimm.2008.08.005
Onfelt B, Nedvetzki S, Benninger RK, Purbhoo MA, Sowinski S, Hume AN, et al. Structurally distinct membrane nanotubes between human macrophages support long-distance vesicular traffic or surfing of bacteria. J Immunol (2006) 177:8476–83. doi:10.4049/jimmunol.177.12.8476
Sowinski S, Jolly C, Berninghausen O, Purbhoo MA, Chauveau A, Kohler K,et al. Membrane nanotubes physically connect T cells over long distances presenting a novel route for HIV-1 transmission. Nat Cell Biol (2008) 10:211–9.doi:10.1038/ncb1682
Rustom A, Saffrich R, Markovic I, Walther P, Gerdes HH. Nanotubular highways for intercellular organelle transport. Science (2004) 303:1007–10.doi:10.1126/science.1093133
Onfelt B, Nedvetzki S, Yanagi K, Davis DM. Cutting edge: membrane nanotubes connect immune cells. J Immunol (2004) 173:1511–3. doi:10.4049/jimmunol.173.3.1511
Watkins SC, Salter RD. Functional connectivity between immune cells mediated by tunneling nanotubules. Immunity (2005) 23:309–18. doi:10.1016/j.immuni.2005.08.009
Zaccard CR, Watkins SC, Kalinski P, Fecek RJ, Yates AL, Salter RD, et al. CD40L induces functional tunneling nanotube networks exclusively in dendritic cells programmed by mediators of type 1 immunity. J Immunol (2015) 194:1047–56. doi:10.4049/jimmunol.1401832
Hase K, Kimura S, Takatsu H, Ohmae M, Kawano S, Kitamura H, et al. M-Sec promotes membrane nanotube formation by interacting with Ral and the exocyst complex. Nat Cell Biol (2009) 11:1427–32. doi:10.1038/ncb1990
Hanna SJ, Mccoy-Simandle K, Miskolci V, Guo P, Cammer M, Hodgson L, et al. The role of Rho-GTPases and actin polymerization during macrophage tunneling nanotube biogenesis. Sci Rep (2017) 7:8547. doi:10.1038/s41598-017-08950-7
Xiao-tong Wang, Hua Sun, Nai-hong Chen, Yu-he Yuan, Tunneling Nanotubes: A Novel Pharmacological Target for Neurodegenerative Diseases?, Pharmacological Research,2021,105541,ISSN 1043-6618, https://doi.org/10.1016/j.phrs.2021.105541.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1043661821001250)
Abounit, S., & Zurzolo, C. (2012). Wiring through tunneling nanotubes - from electrical signals to organelle transfer. Journal of Cell Science, 125(5), 1089–1098. doi:10.1242/jcs.083279