Kategori: Fizik

Hücreler, hücre iskeleti olarak da bilinen ve aktomiyozin protein kompleksinden oluşan mikrofilamentler sayesinde, maruz kaldıkları fiziksel, kimyasal ve mekanik uyarılara tepki verirler. Hücre iskeleti dinamik bir yapıdır. Hücreler, bu yapının parçalarından olan ve miyozin II denilen motor proteinlerin etkinliğiyle, çevreden gelen tepkilere bağlı olarak kasılıp gevşeyerek göç ederler. Hücre göçü, embriyo gelişimi, doku yenilenmesi ve bağışıklık sistemi hücrelerinin dolaşımı gibi birçok biyolojik süreçte önemli rol oynar. Farklı hücre tipleri çevrelerindeki uyaranlara farklı koşullarda, farklı hızlarda göçme tepkisiyle karşılık verebilirler.* Örneğin, bağışıklık hücreleri genel olarak bağ dokusu hücrelerinden daha hızlı hareket eder [1]. Bu hareket sırasında hücrelerin çevreleri, şekilleri ve buna bağlı olarak hızları da değişebilir. Peki hücreler dinamik davranışlarını değişen fiziksel çevrelerine nasıl uyarlarlar? Aşağıda kısaca özetlediğimiz iki ayrı makalede, araştırmacılar bu hareketin mekanizmasını ve fizyolojik önemini anlamaya çalışıyorlar.

Embriyo gelişimi sırasında hücre hareketleri

İlk olarak, Venturini ve arkadaşları [2], embriyonik gelişim sırasında hücre hareketlerini gözlemlediler. Bunu yapmak için 3 boyutlu doku mikroçevresini yansıtan ve mekanik hücre bozulmalarını taklit edebilen sentetik bir düzenek kullandılar [3]. Bu düzenek, “zebra balığı" embriyonik hücrelerinin kontrollü sıkıştırılmasında kullanıldı. Yapılan bu çalışmada; hücre çekirdeğinin, hücre şeklindeki değişiklikleri algılayıp bunları değişik hücre hareketlerine çevirdiği gözlendi. Bu modele göre, hücre sıkışmasıyla beraber hücre çeperindeki miyozin II protein seviyesinin arttığı ve bunun ortamdaki başka uyaranların da etkisiyle birlikte hızlı amipsi hücre göçünü teşvik ettiği bulundu (Şekil 1). Hücreler bu sıkışmaya 1 dakikadan az sürede, 60 dakika kadar süren hızlı ve kalıcı bir yanıt veriyor. Fakat hücreler serbest bırakıldıktan 1 saat sonra etki tersine dönüyor, yani hücrelerde kalıcı bir etki görülmüyor.

Bu geri döndürebilir mekanizmaya göre, sıkıştırılan hücrelerin iç çekirdek zarı gerilir. İç çekirdek zarında meydana gelen bu değişiklik sitozolik (sitoplazmada bulunan) fosfolipaz A2 denilen enzimin iç çekirdek zarına bağlanmasına sebep olur. Sitozolik fosfolipaz A2 fosfolipidlerin hidroliz reaksiyonunu kontrol ederek araşidonik asit denilen mesajcı molekülün üretilmesinde rol oynar. Bu asit, miyozin II motor proteinin aktif hale gelmesi için gereklidir. Ancak aktif hale geldikten sonra miyozin II hücre çeperine yerleşerek amipsi göçe sebep olur (Şekil 1). Amipsi göç en yaygın hücre göç hareketlerinden biri olup, ismini bu hareket sırasında ökaryot hücrelerin amipsi yalancı bir ayak oluşturmasından alır. Venturini ve arkadaşları sitozolik fosfolipaz A2 enzimini bloke ettiğinde ne ciddi bir hareket, ne araşidonik asit seviyesinde artış, ne de miyozin II’nin hücre çeperine yerleştiğini gözledi. Bu deneyler çekirdek zarının yapısının hücre hareketindeki öneminini göstermesinin yanında amipsi göçün oluşmasında sitozolik fosfolipaz A2'ye bağlı miyozin II hareketinin gerekli olduğunu da gösteriyor.

Hücre çekirdeğini sitoplazmadan ayıran çekirdek zarı, hücre bölünmesi sırasında parçalanır ve ancak hücre bölünmesinden sonra iki hücre oluştuktan sonra tekrar oluşturulur. Dolayısıyla, bölünen hücrelerde hücre döngüsünün bir kısmında çekirdek zarı deforme durumdadır. Bu durumda hücreler bu mekanik tepkileri nasıl algılar? Venturini ve arkadaşları, hücre döngüsü arasında bulunan yani çekirdek zarı sağlam hücrelerin mitoz bölünme geçirmekte olan hücrelere göre daha hassas olduğunu gösterdi. Hücrelerin mitoza girmesiyle kortikal miyozin II seviyelerinde düşüş gözlendi. Bu sonuç hücre bölünmesi sırasında hücre göçü hareketinde yavaşlama ya da duraklamalar olabileceği ve hücrenin çevresindeki kısıtlamalara daha yavaş ve sakin tepki vereceği anlamına gelebilir. Bunun bir sorun olması düşünülebileceği gibi hızla çoğalan kanser hücreleri söz konusu olduğunda bir avantaja dönüşebilir.

Hücre çekirdeğinin gerilmesine sebep olan başka bir olay da hücrelerin tuz derişiminin az olduğu (hipotonik) ortamlara maruz kalarak şişmesidir. Ancak, hücreler hipotonik streste kaçma eğilimi göstermezler. Peki hücreler bu ayrımı nasıl yaparlar? Bazı mekanik stresler hücre içi kalsiyum miktarında değişikliğe sebep olabilir. Örneğin hipotonik stres çok fazla kalsiyum artışına sebep olmazken, hücrelerin sıkıştırılması kalsiyum miktarında önemli bir artışa sebep olur. Hücre içi kalsiyum oranındaki değişiklik çekirdek zarındaki gerilme sonucunda başlayan uyarı iletimiyle birleştirildiğinde hücreye kaçış sinyali verir. Böylece hipotonik strese hücrenin cevabı kaçmak olmazken, sıkıştırılmış bir ortamdan miyozin II ve kalsiyum miktarındaki artış sebebiyle amipsi hareketle kaçar. Bu da hücrelerin bulundukları ortamlara göre gelişim ve değişim dinamiklerini değiştirebileceği anlamına geliyor (Şekil 1).

Bağışıklık sistemi ve kanser hücrelerinin hareketleri

Bağışıklık sistemi ve metastatik deri kanser hücreleri (melanoma) de göç edebilen hücrelerdendir. Kanser gibi hücre bölünmesinin kontrolden çıktığı durumlarda kalabalıklaşan hücre dışı ortamlar, bağışıklık hücrelerinin göçünde aksamalara yol açabilirler. Bu kalabalıklaşma hücre hareketlerini ve iletişimini nasıl etkiler? Lomakin ve arkadaşları [4], Science dergisinin aynı sayısında Venturini ve arkadaşlarının araştırması ile birlikte yayınlanan araştırmalarında fiziksel kısıtlamaların organizma gelişimi sırasında olduğu gibi bağışıklık hücrelerinin göçü sırasında da önemli olduğunu gösterdiler.

Araştırmacılar, dinamik kısıtlamalar, kuvvet ölçümü ve gelişmiş canlı hücre görüntüleme yöntemleriyle, değişik insan ve fare hücre tiplerinin kontrollü fiziki dürtülere verdikleri tepkileri incelediler [4]. Bu fiziki kısıtlamalar için özel bir mikroskopik düzenek hazırlayıp bir yandan kuvvet uygularken, bir yandan da hücre iskeletinin hareket dinamiğini canlı inceleyebildiler. Elde ettikleri sonuçlara göre, bu olaylar da çekirdek zarındaki gerilmelere bağlı mikrofilament proteini miyozin II'nin hücre çeperine lokalizasyonu sonucu meydana geliyor. Hücrenin tepkisi ve hareket hızı hücrenin başlangıç büyüklüğüne ve çekirdeğin varlığına göre değişiyor. Çekirdeği çıkarılmış hücreler ise aynı derecede sıkıştırılmış hücrelere oranla daha hareketsizler. Araştırmacılar, fareden elde edilen bağışıklık hücrelerinin de bu mekanizmayı kullandığını kaydederek, bu olayın biyolojik sistemlerde kullanılan bir mekanizma olduğunu da gösterdi.

Lomakin ve arkadaşları daha sonra insan metastatik deri hücrelerinin göçünde bu mekanizmayı incelediler. Bunun için kolajen yapılı üç boyutlu jeller yahut değişik gözenek boyutlarına sahip polikarbonat-bazlı membranlar kullandılar. Burada da melanoma hücrelerinin miyozine bağlı hücre hareketini 12 mikronluk gözeneklerden değil de daha küçük, 8 mikron, gözeneklerden geçerken kullandığı gözlemlendi. Bu deneyde kullanılan melanoma hücrelerinin ortalama çapıysa 11 mikron civarındaydı. Bu da miyozine bağlı ve daha fazla enerji isteyen hücre göç yönteminin çevrenin kalabalıklaşmasına bağlı olarak çekirdek tarafından gerekli görüldüğünde kullanıldığı anlamına geliyor.

Sonuç olarak, hücrelerin sıkışmasıyla beraber artan hücre kasılması ve hücresel göç, hücrelere "kaçış refleksi" olarak adlandırabileceğimiz bir davranışı tetikleyebilir. Dar ortamlarda hücreler kutuplaşır ve bu dar ortamlardan veya kalabalık doku bölgelerinden hızlı bir şekilde göç edebilen bir fenotip kazanır.

Yukarıda kısaca özetlediğimiz çalışmalar çekirdeğin hücresel özduyum merkezi olarak görev yaptığını göstermiştir. Hücre çekirdeği, hücrelerin üç boyutlu şekillerindeki değişiklikleri hassas bir şekilde algılayıp ona göre hücre davranışını değişken doku ortamlarına göre ayarlayan mekanik bir sensör olarak görev yapmaktadır. Bu olaya doku ve organizma gelişimi sırasında ve sağlıklı hücre bağışıklık sisteminde karşılaşılabildiği gibi metastatik hücrelerde de rastlanır. İleride hücresel "kaçış refleksi"ni daha detaylıca incelememiz, kanser ve bağışıklık hücrelerinin göç mekanizmalarıyla ilgili süreçleri daha iyi bir şekilde anlamamıza ve gelişimsel sorunlara fiziksel çözümler geliştirilmesine katkıda bulunabilir.

* İnsan vücudunun 200 civarında farklı hücre tipinden oluştuğu biliniyor.

** Öne çıkan görselin kaynağı: https://bit.ly/3gJIT2w

Yazarlar: Rabia Gül Aydın, Pınar Önal

Editörler: Bilge San, H. Enis Karahan

Kaynakça

[1]      G. Charras and E. Sahai, “Physical influences of the extracellular environment on cell migration,” Nat. Rev. Mol. Cell Biol., vol. 15, no. 12, pp. 813–824, Dec. 2014, doi: 10.1038/nrm3897.

[2]      V. Venturini et al., “The nucleus measures shape changes for cellular proprioception to control dynamic cell behavior,” Science, vol. 370, no. 6514, Oct. 2020, doi: 10.1126/science.aba2644.

[3]      M. Le Berre, E. Zlotek-Zlotkiewicz, D. Bonazzi, F. Lautenschlaeger, and M. Piel, “Methods for two-dimensional cell confinement,” in Methods in Cell Biology, vol. 121, Academic Press Inc., 2014, pp. 213–229.

[4]      A. J. Lomakin et al., “The nucleus acts as a ruler tailoring cell responses to spatial constraints,” Science, vol. 370, no. 6514, Oct. 2020, doi: 10.1126/science.aba2894.