Nörofilamanlar
Cem HAZIR - Hacettepe Üniversitesi Tıp Fakültesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans
Nöroaksonal hasar ve kayıp akut ve kronik birçok nörolojik hastalıkta ortaya çıkan kalıcı hatalardan biridir. Bu tür bir hatanın tanımı hastalığın aktivitesi, tedavi yanıtı ve prognozun takibi için önem taşımaktadır. Bu nedenle, nöroaksonal hatayı/hasarı doğru bir şekilde yansıtabilen bir biyobelirteçin tanımlanması, bireysel terapötik tedavi kararlarının verilmesinde ve klinik çalışmalardaki ilaç etkinliklerinin ölçümü açısından çok değerli olacaktır. Böyle bir biyobelirteci keşfetme çalışmaları beyin-omurilik sıvısı proteinlerinden, MRI, magnetik rezonans spektroskopisi ve metabolik görüntülemeye kadar çeşitli tekniklerin kullanılmasını içermekte ve farklı bakış açılarının geliştirilmesini sağlamaktadır.
Nörofilamanlar, yalnızca nöron hücrelerinde ifade olduğu bilinen yapısal iskele (scaffolding proteins) proteinleridir. Nörodejeneratif, enflamatuar, vasküler ve travmatik hastalıklarda aksonal hasarın bir sonucu olarak yalnızca beyin-omurilik sıvısında değil, aynı zamanda serumda da anormal seviyelere ulaşmakta bu nedenle nöroaksonal hasarın güçlü biyobelirteç adaylarından biri olmaktadır. Aksonal hasara neden olan patolojik süreçlerin tümü olmasa da birçoğu, hasarın şiddetine bağlı olarak nörofilaman proteinlerini beyin-omurilik sıvısına, periferik kana salgılar. Yüksek orandaki nörofilaman seviyesi yapılan klinik tanıdan bağımsız olarak aksonal hasarın göstergesidir ve kandaki seviyelerinin takibi çeşitli nörolojik hastalıklardaki seyri izlemek veya tedavinin etkinliğini değerlendirmek açısından yararlıdır. Yakın zamana kadar nörofilaman hafif zincirinin (NfL) biyobelirteç olarak takip edilmesi, test duyarlılığının yetersiz olması nedeni ile yalnızca beyin-omurilik örnekleri ile gerçekleştirilmekteydi.[1] Kandaki nörofilaman seviyeleri ELISA veya ECL testleri ile ölçülebilir fakat hastalıkla ilgili küçük değişiklikleri saptayamamaktadır. Yalnızca tkk molekül dizi analizlerinin (SiMoA) kullanılması, kan seviyelerindeki NfL düzeylerinin güvenilir bir biçimde tespit edilmesine olanak sağlamıştır.[2-5]
Nörofilamanlar, aktin ve miyozin filaman çaplarının arasında bir çapa sahip olmalarından dolayı ara filaman olarak sınıflandırılmaktadır. Nörofilamanlar ağır (NfH), orta (NfM) ve hafif zincirli (NfL) olarak 3 farklı şekilde adlandırılır ve sınıf III ara filaman ailesinin üyeleri olarak bilinmektedir. Nörofilaman proteinleri, herhangi bir üç boyutlu yapıya sahip olmayan (intrinsically unstructured regions) bölgeler içerir. Bu bölgelerin önemli bir özelliği, yüksek seviyede lizin aminoasitlerinin içermesidir. Ayrıca, nörofilamanların kuyruk bölgelerinde baskın olarak bulunan iki aminoasit çeşidi serin ve lizindir.[6] Nörofilaman yapısı, korunmuş merkezi bir alfa sarmal bölgesi, amino terminal ucunda bulunan değişken baş bölgesi (head domain) ve karboksi terminal alanındaki değişken uzunluktaki kuyruk bölgesinden oluşur. Baş bölgesi serin-treonin aminoasitlerini ve ayrıca glikolizasyon ve fosforilasyon bölgelerini içermektedir. Kuyruk bölgesi, her nörofilaman çeşidi için farklı uzunluktadır serin-fosforilasyon bölgesinin yanı sıra, glutamik asit ve lizin açısından zengin bölgelere sahiptir. Korunmuş olan merkezi bölge ise, çift kıvrımlı dimer oluşumunu kolaylaştıran hidrofobik tekrarlar içerir.[7]
Nörofilaman protein dimerlerinin oluşması, heteropolimer yapının oluşumu için gerekli olan ilk adımdır. Dimer yapılarının antiparalel olarak birikmesi, tetramerlerin oluşumuna yol açar ve birbiriyle ilişkili sekiz tetramer yapısı silindirik yapıdaki unit lenght filament (UFL) yapısını meydana getirir.[8] UFL yapısının, uç uca eklenmesi nörofilaman yapısının uzaması ile sonuçlanır. Nörofilamanlar hücre içerisinde protein yapıya çevrildikten sonra post-translasyonel modifikasyonlara uğramaktadır. Fosforilasyon, nitrasyon, oksidasyon, N-asetilglikozamin (O-GlcNAc) bu modifikasyon çeşitlerinden bazılarıdır.[9] Tüm nörofilaman çeşitleri baş bölgelerinden fosforilasyona uğramakta, fakat yalnızca NfH ve NfM kuyruk bölgelerinde yüksek seviyede fosforilasyona uğramaktadır. Bu modifikasyon, NfH ve NfMM'nin proteazlara karşı direnci artırmaktadır. Nörofilamanlar, aksonlar içerisinde oldukça kararlı yapıdadır fakat ALS veya Parkinson gibi nörodejeneratif hastalıklarda sıvı kristal bir jel ağı oluşturmaktadır ve bu hastalıklardaki birikimleri stokiyometrileri ve fosforilasyon düzeyleri ile ilişkilidir.[10] Nörofilaman fonksiyonlarının kesin olarak bilinmemesi ile birlikte, aksonların büyümelerinde ve stabilitesinde etkili olduğu dolayısı ile yüksek hızlı sinir iletimini sağladığı düşünülmektedir.[11] Farklı çalışmalar, nörofilamanların mitokondri ve mikrotübüller de dahil olmak üzere diğer organel ve proteinlerle etkileşime girdiğini ve fonksiyonlarının aksonal stabiliteyi sağlamanın dışında önemli işlevlerinin olabileceğini göstermiştir.[7] Nörofilaman proteinlerini kodlayan genlerde tanımlanan farklı mutasyonlar, aksonal disfonksiyon ve nörodejenerasyon sonucu normal olmayan nörofilaman kümelenmesine neden olabilir. Örneğin NfL'yi kodlayan NEFL genindeki mutasyonlar, Charcot - Marie Tooth hastalığına yol açabilir. NfM ve NfH proteinlerini kodlayan NEFH ve NEFM genlerinde tanımlanan mutasyonlar ALS ve Parkinson hastalığına olan yatkınlıkla ilişkilendirilmiştir. Nörofilamanları kodlayanların dışında bulunan genlerdeki mutasyonlar nörofilaman birikimi için ikincil etkiye sahip olabilir SOD1 genindeki meydana gelen mutasyonlar bu etkiye örnek olarak verilebilir.[12]
Sonuç olarak, oldukça hassas olan nörofilaman seviyesi ölçümleri ileride çeşitli nörolojik bozukluklardaki nöroaksonal hasarın değerlendirilmesindeki boşluğu doldurabilir.
Referanslar
1. Khalil, M., Teunissen, C. E., Otto, M., Piehl, F., Sormani, M. P., Gattringer, T., ..., Kuhle, J. (2018). Neurofilaments as biomarkers in neurological disorders. Nature reviews. Neurology, 14(10), 577–589.
2. Petzold, A., Keir, G., Green, A. J., Giovannoni, G., Thompson, E. J. (2003). A specific ELISA for measuring neurofilament heavy chain phosphoforms. Journal of immunological methods, 278(1-2), 179–190.
3. Gaiottino, J., Norgren, N., Dobson, R., Topping, J., Nissim, A., Malaspina, A., ..., Kuhle, J. (2013). Increased neurofilament light chain blood levels in neurodegenerative neurological diseases. PloS one, 8(9), e75091.
4. Gisslén, M., Price, R. W., Andreasson, U., Norgren, N., Nilsson, S., Hagberg, L., ..., Zetterberg, H. (2015). Plasma Concentration of the Neurofilament Light Protein (NFL) is a Biomarker of CNS Injury in HIV Infection: A Cross-Sectional Study. EBioMedicine, 3, 135–140.
5. Kuhle, J., Gaiottino, J., Leppert, D., Petzold, A., Bestwick, J. P., Malaspina, ..., Casha, S. (2015). Serum neurofilament light chain is a biomarker of human spinal cord injury severity and outcome. Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry, 86(3), 273–279.
6. Dyson, H. J., & Wright, P. E. (2005). Intrinsically unstructured proteins and their functions. Nature reviews. Molecular cell biology, 6(3), 197–208.
7. Yuan, A., Rao, M. V., Veeranna, & Nixon, R. A. (2017). Neurofilaments and Neurofilament Proteins in Health and Disease. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 9(4), a018309.
8. Herrmann, H., & Aebi, U. (2016). Intermediate Filaments: Structure and Assembly. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 8(11), a018242.
9. Nixon, R. A. Sihag, R. K. (1991). Neurofilament phosphorylation: a new look at regulation and function. Trends Neurosci. 14, 501–506
10. Beck, R., Deek, J., & Safinya, C. R. (2012). Structures and interactions in 'bottlebrush' neurofilaments: the role of charged disordered proteins in forming hydrogel networks. Biochemical Society transactions, 40(5), 1027–1031.
11. Barry, D. M., Stevenson, W., Bober, B. G., Wiese, P. J., Dale, J. M., Barry, G. S., ..., Garcia, M. L. (2012). Expansion of neurofilament medium C terminus increases axonal diameter independent of increases in conduction velocity or myelin thickness. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 32(18), 6209–6219.
12. Brown, R. H., Al-Chalabi, A. (2017). Amyotrophic Lateral Sclerosis. The New England journal of medicine, 377(2), 162–172.