Hücre Sinyal İletimi
Şeyma BULUT – Biyoteknoloji Yüksek Lisans, Bezmialem Vakıf Üniversitesi
Hücre sinyal iletimi, hormonların veya diğer sinyal moleküllerin aktarılması ile organizma için önemli döngüleri organize eden, tüm hücreler için temel bir özellik olan hücresel iletişim sürecidir. Hücre sinyal iletimi organizma içerisinde geniş bir ağa sahip olarak gerekli koordinasyonu sağlamaktadır.[1] Hücresel bilgi iletiminde oluşabilecek hatalar kanser, otoimmun hastalıklar gibi ciddi sorunlara neden olabildiğinden yaşam döngüsü bakımından kritik öneme sahiptir.[2]
Bu derleme ile hücrelerin birbirleri ile nasıl iletişim kurduğu temel olarak incelenmiştir. Hücreler arası sinyal iletiminin nasıl gerçekleştiği ve vücutta meydana gelen farklı etkileri genel bir bakış açısı ile sunulmuştur.
Hücre Sinyali
Hücreler klasik olarak kimyasal sinyaller sayesinde birbirleri ile iletişim kurmaktadır. Gönderici hücre tarafından üretilen protein veya diğer moleküller olan bu kimyasal sinyaller, genellikle hücreden hücre dışı boşluğa salınarak komşu hücrelere iletilmektedir (Şekil 1).[3]
Şekil 1: Gönderici tarafından üretilen sinyal molekülü spesifik bir reseptör ile etkileşime girerek hücresel yanıtın başlatılmasını sağlayan hücre içi transdüksiyon işlemini uyarmaktadır. Spesifik reseptörler ile hedef dışı hücreler tarafından yanıt oluşumu engellenebilmektedir.[16]
Hücrenin aktarılan kimyasal mesajı algılayabilmesi için spesifik reseptöre sahip olması gerekmektedir. Bir sinyal molekülünün spesifik reseptörüne bağlanması ile hücre içerisinde birtakım değişiklikleri tetikleyerek reseptörün şeklini veya aktivitesini değiştirmektedir. Sinyal iletiminde genellikle diğer moleküllere (örneğin reseptör) spesifik olarak bağlanan moleküller, genel bir terim olan ligand olarak adlandırılmaktadır.[4]
Bir ligand tarafından taşınan mesaj genellikle hücre içerisinde gerekli mesaj iletim basamaklarından geçerek nihayetinde ilgili genin aktivitesinde değişim, hücre bölünmesi gibi sonuçlara yol açmaktadır (Şekil 2). Bu süreç ile hücreler arası sinyal iletimi, bir yanıtı tetikleyen hücre içi sinyal iletimine dönüştürülmektedir.[5]
Şekil 2: Ligand ilişkili sinyal iletiminde hedef hücre yüzeyinde bulunan reseptöre bağlanarak etki gösterilmektedir. Ligand reseptöre bağlandığında reseptör-ligand kompleksi hücre fonksiyonunu değiştiren tepkimeleri başlatmaktdır.[16]
Sinyal İletim Çeşitleri
Hücre sinyal iletimi temel olarak gönderici bir hücre tarafından üretilen bir sinyalin alıcı hücreye iletilmesini içermektedir. Ancak gönderici ve alıcı hücrelerin tümü birbirine yakın mesafede olmayabilir. Dolayısı ile hücreler arası mesafe göz önünde bulundurularak farklı sinyal iletim mekanizmaları kullanılmaktadır. [6]
Çok hücreli organizmalarda bulunan 4 temel sinyal iletim mekanizması bulunmaktadır;
Parakrin
Otokrin
Endokrin
Sinaptik
Parakrin Sinyal İletimi
Birbirine yakın mesafede bulunan hücreler, genellikle kimyasal sinyalleri hücreler arası boşlukta yayılabilen ligandlar yolu ile iletişim kurmaktadırlar. Hücrelerin nispeten kısa mesafelerde iletişim kurduğu bu tip sinyal iletimi parakrin sinyal iletimi olarak bilinmektedir. Parakrin sinyal iletimi hücrelerin komşu hücreler ile gerekli aktivasyonları lokal olarak koordine etmesine izin vermektedir.[7]
Şekil 3: Parakrin sinyal iletimi.[16]
Sinaptik Sinyal İletimi
Parakrin sinyal iletiminin bir benzeri olarak sinir hücreleri tarafından gerçekleştiriren sinaptik sinyal iletimidir. Sinaptik sinyal iletimde iki sinir hücre arasındaki bağlantılar sinaps olarak adlandırılmaktadır. Çevreden veya diğer sinir hücrelerinden gelen uyarılar ile aktive edilen nöron adı verilen sinir hücreleri nörotransmitter (kimyasal haberci/nöroaktarıcı) sentezleyerek akson boyunca elektriksel uyarılar ile iletilmektedir. Nöronlar aktive edildiğinde elektriksel bir dürtü gibi hızla hücre içinde hareket ederek akson adı verilen uzun, lif benzeri bir uzantıdan iletilmeye devam etmektedir. Dürtü sinapslara ulaştığında hücreler arasındaki küçük boşluğu hızla geçen nörotransmitterler alıcı hücreye ulaştığında reseptörlere bağlanarak hücre içerisinde kimyasal bir değişikliğe neden olmaktadırlar.[8]
Şekil 4: Sinaptik sinyal iletimi.[16]
Kimyasal sinaps içerisine salınan nörotransmitterler hızla iletilir veya gönderilen hücre tarafından geri alınır. Bu durum, sinapsların bir sonraki sinyal iletimi için hızlı bir şekilde yanıt vermeye hazır olmaları için kendilerini resetleme prensibi olarak bilinmektedir.[9]
Otokrin Sinyal İletimi
Otokrin sinyal iletiminde hücre yanıtı sentez edildiği hücrede etkisini göstermektedir. Hücre yüzeyinde bulunan reseptörlere (veya sinyalin çeşidine bağlı olarak hücre içersindeki reseptörlere) bağlanabilen bir ligandı serbest bırakır. Tıbbi bir bakış açısından otokrin sinyal iletimi kanser gelişimi ve metastazda önemli rol oynadığı düşünülmektedir. Birçok durumda iletilen sinyal hem otokrin hem de parakrin etkiye sahip olmakla birlikte gönderici hücreye ve bölgedeki diğer komşu hücrelere bağlanabilmektedir. Otokrin hücreler kendi ürettikleri sinyal moleküllerine yanıt vererek kendileri ile benzer hücrelerede sinyal gönderilebilmektedir.[10]
Şekil 5: Otokrin sinyal iletimi.[16]
Endokrin Sinyal İletimi
Endokrin sinyal iletimi, uzak mesafelerinde bulunan hücrelere sinyal iletmesi gerektiği durumlarda genellikle dolaşım sistemi ile gönderilen mesajlar için bir dağıtım ağı olarak tercih edilmektedir. Uzak mesafelerde bulunan hücrelerin iletişimi için etkili olan endokrin sinyal iletiminde, sinyaller özel hücreler tarafından üretilmekte ve onları vücudun uzak bölgelerindeki hedef bölgelerine taşıyan kan dolaşımına katılmasına imkan vermektedir. Vücudun bir kısmında üretilen ve uzaktaki hedeflere ulaşmak için dolaşımdan geçen sinyaller hormon olarak bilinmektedir.[11]
İnsanlarda hormon salgılayan endokrin bezleri arasında tiroid, hipotalamus, hipofiz, pankreas ayrıca gonadlar (testis ve yumurtalıklar) bulunmaktadır. Her endokrin bezi birçoğu gelişim ve fizyolojinin ana düzenleyicileri olan bir veya daha fazla hormon salgılayabilmektedir.[12]
Hipofiz bezi özellikle iskelet ve kıkırdak büyümesini destekleyen büyüme hormonunu (growth hormone, GH) salgılamaktadır. Çoğu hormon gibi GH vücuttaki birçok farklı hücre tipini etkilemektedir. Bununla birlikte kıkırdak hücreleri bu hücrelerin yüzeyindeki reseptörlere bağlanarak bölünmeye teşvik etmeleri ile GH’nin nasıl çalıştığına dair bir örnek sağlamaktadır.[13]
Şekil 6: Endokrin sinyal iletimi.[16]
Hücre-Hücre Sinyal İletimi
Hayvanlarda bulunan gap junction ve bitkilerde bulunan plazmodesmata, komşu hücreler arasındaki sitoplazmik bağlantıyı sağlayarak iki hücre arasında uzanan küçük kanallar olarak tanımlanmaktadır (Şekil 7). Bu kanallar hücre içi aracılar olarak adlandırılan küçük sinyal moleküllerinin bitişik hücreler arasındaki iyon devamlılığının sağlanmasına izin vermektedir. Kalsiyum iyonları (Ca2+) gibi küçük moleküller hücreler arasında hareket edebilirken protein ve DNA gibi büyük moleküller aracı moleküller yardımı ile aktarılabilmektedir.[3, 14]
Sinyal molekülünün transferi ile bir hücrenin mevcut durumu komşu hücreye iletilmektedir. Bu bir grup hücrenin sadece bir tane hücrenin almış olabileceği bir sinyale karşı vereceği yanıtları koordine etmesini sağlamaktadır. Bitkilerde neredeyse tüm hücreler arasında bulunan plazmodesmata ile tüm bitki dev bir ağ ile örülerek iletim sağlanabilmektedir.[14]
Şekil 7: Hücre-hücre sinyal iletimi.[16]
Hücre-hücre sinyal iletiminde iki hücre yüzeylerinde tamamlayıcı proteinler taşıdıklarından birbirlerine bağlanabilmektedir. Proteinler birbirine bağlandığında bu etkileşim bir veya her iki protein şeklini değiştirerek sinyal üretmektedir. Bu tür sinyal iletiminde bağışıklık hücrelerinin kendi hücrelerini ve patojenlerle enfekte olmuş hücrelerini tanıyabilmek için hücre yüzey belirteçlerini kullandığı bağışıklık sisteminde özellikle önemlidir (Şekil 8).[15]
Şekil 8: Doğal öldürücü (natural killer, NK) hücresi, hücre yüzeyinde bulunan kendi reseptörüne bağlanarak vücudun sağlıklı hücresini tanıyabilmektedir.[16]
Referanslar
1. Damodaran, T., Molecular and transcriptional responses to sarin exposure, in Handbook of Toxicology of Chemical Warfare Agents. 2009, Elsevier. p. 665-682.
2. Forman, H.J., J. Fukuto, and M. Torres, Signal transduction by reactive oxygen and nitrogen species: pathways and chemical principles. 2003: Springer.
3. Berridge, M.J., Unlocking the secrets of cell signaling. Annu. Rev. Physiol., 2005. 67: p. 1-21.
4. Shankaran, H., H. Resat, and H.S. Wiley, Cell surface receptors for signal transduction and ligand transport: a design principles study. PLoS Comput Biol, 2007. 3(6): p. e101.
5. Heldin, C.-H., et al., Signals and receptors. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2016. 8(4): p. a005900.
6. Richards, J.S. and M. Ascoli, Endocrine, paracrine, and autocrine signaling pathways that regulate ovulation. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2018. 29(5): p. 313-325.
7. Kuraitis, D., et al., Cell therapy to regenerate the ischemic heart, in Cardiac regeneration and repair. 2014, Elsevier. p. 118-137.
8. Greengard, P., The neurobiology of slow synaptic transmission. Science, 2001. 294(5544): p. 1024-1030.
9. Pavlowsky, A., J. Chelly, and P. Billuart, Major synaptic signaling pathways involved in intellectual disability. Molecular Psychiatry, 2012. 17(7): p. 663-663.
10. Junger, W.G., Immune cell regulation by autocrine purinergic signalling. Nature Reviews Immunology, 2011. 11(3): p. 201-212.
11. Kohrle, J., et al., Selenium, the thyroid, and the endocrine system. Endocrine reviews, 2005. 26(7): p. 944-984.
12. Vandenberg, L.N., et al., Hormones and endocrine-disrupting chemicals: low-dose effects and nonmonotonic dose responses. Endocrine reviews, 2012. 33(3): p. 378-455.
13. Carpenter, G. and S. Cohen, Epidermal growth factor. Journal of Biological Chemistry, 1990. 265(14): p. 7709-7712.
14. Yamasaki, H., Gap junctional intercellular communication and carcinogenesis, in Parallels in Cell to Cell Junctions in Plants and Animals. 1990, Springer. p. 115-127.
15. Medzhitov, R. and C.A. Janeway Jr, Innate immunity: impact on the adaptive immune response. Current opinion in immunology, 1997. 9(1): p. 4-9.
16. Khan Academy. Introduction to cell signaling. Erişim tarihi: 24 Haziran 2020.