Veziküler Trafik

Ağda kalan kırmızı

Gece yağan yağmur pencerenin önündeki çınar yapraklarını kaldırıma yapıştırmış; pazartesi sabahı bulutlu ve durgun. Selvi Hanım kırk derecede tutulan küçük inkübatörden üç kap çıkarıyor. Kaplardaki hücreler iki floresan protein yapıyor. Yeşili bir zar proteini: bu sıcaklıkta yanlış katlanıyor ve yapıldığı yerde, endoplazmik retikulumda bekliyor. Kırmızısı çözünür bir protein ve zincirinin ucunda dört harflik kısa bir kuyruk taşıyor.

Birinci kap doğrudan mikroskoba giriyor: iki renk de çekirdeği saran, kenarlara doğru incelen aynı ince ağı çiziyor. İkincisi kırk dakika otuz iki derecede beklemiş; yeşil ağdan çekilmiş, çekirdeğin yanında tek bir parlak lekede toplanmış. Üçüncüsü üç saat beklemiş; yeşil hücrenin kenarını ince bir çizgiyle çiziyor. Kırmızı üç kapta da aynı ağda duruyor.

"Kırmızı hiç yola çıkmamış," diyor Arın. Selvi Hanım üçüncü kabı bir kez daha odaklıyor. "Çıkıp her seferinde geri getirilseydi de bu resmi görürdük. Fotoğraf ikisini ayırmaz."

Bu derste ne olacak

Keseciklerin kılıflarını yönleriyle ayıracak, adresin proteinin zincirinde nasıl yazılı olduğunu geri getirilen ER proteinlerinde ve lizozom enzimlerinde izleyeceğiz. Ardından kimlik etiketine, Golgi'den geçişi tartışan modellere ve yolculuğun süresine geçeceğiz.

Mekanizma

Üç kılıf, üç yön

Hücrenin görsel haritasını çizerken kırmızı bir ok ER'den Golgi'nin cis yüzüne, trans yüzünden bir keseciğe ve oradan zara uzanmıştı; yan kolda bir kesecik lizozoma yöneliyordu. Okun her kırılma noktasında bir zar parçası kopar ve başka bir zarla kaynaşır. Kopmayı, çarşamba plazma zarında gördüğümüz gibi, zarın sitozol yüzüne örülen bir protein kafesi başlatır.

Wikipedia'nın COPII maddesine ve Barlowe ile Miller'ın 2013 derlemesine göre COPII kılıfı ER zarından ileri yönde, Golgi'ye giden kesecikleri koparır. Önce Sar1 adlı küçük GTPaz zara gömülür, Sec23 ile Sec24'ü çağırarak iç katı kurar; Sec13 ile Sec31 bunların üstüne bir dış kafes örer. İki kaynağa göre yükü tanıyan Sec24'tür. Jin ile arkadaşları 2012'de bu keseciklerin çoğunun 60–80 nanometre olduğunu yazar; McCaughey ile Stephens'ın 2018 derlemesi aralığı 60–90 nanometre verir.

COPI kılıfı ters yönde çalışır. Wikipedia'nın COPI maddesi ve Barlowe ile Miller, bu keseciklerin Golgi'nin cis ucundan ER'ye ve Golgi'nin bölmeleri arasında geriye doğru yük taşıdığını yazar.

Üçüncü kılıf çarşambadan tanıdık: klatrin. Plazma zarında adaptörü AP2 idi. Golgi'nin trans ucundaki klatrin keseciklerini ise, Liu ile arkadaşlarının 2024 derlemesi ile Braulke ve Bonifacino'nun 2009 derlemesine göre, AP-1 ve GGA adlı başka adaptörler yükle buluşturur. Wikipedia'nın Golgi maddesi bu ucun son bölmesine trans-Golgi ağı der: lizozoma, salgı keseciklerine ve hücre yüzeyine gidecek yükler burada ayrı keseciklere dağıtılır.

Trafik sıkışınca

Bu düzeni ilk kez zamanla izleyen George Palade'dir. NobelPrize.org ile Wikipedia, Palade'nin 1974 Nobel Tıp Ödülü'nü Albert Claude ve Christian de Duve ile paylaştığını yazar; bildiri onun salgı proteinlerinin retikulumdan Golgi'ye geçişini gösterdiğini anlatır. Jamieson ile Palade'nin 1967 çalışmalarında kobay pankreası kesitleri üç dakika işaretli amino asitle beslendi, ardından işaretsiz ortama alındı. İşaretli proteinler dakikalar içinde Golgi'nin kenarındaki küçük keseciklere geçti; Palade'nin Nobel konuşmasına göre yaklaşık yarım saatte yoğunlaşan kofullara ulaştı. Zimojen granüllerinde ise ancak bir saate yakın bir sürede görüldü.

Yolun genlerini 1970'lerin sonunda Randy Schekman'ın laboratuvarı mayada aradı. Novick, Field ve Schekman'ın 1980 Cell makalesine göre sıcaklığa duyarlı maya mutantları 37 derecede salgıyı durdurup içlerinde zarla çevrili ara yapılar biriktiriyordu; 25 dereceye dönünce biriken enzim dışarı veriliyordu. Barlowe ve Miller bazı mutantların kesecik kuramadığını, bazılarınınsa keseciklerle dolup onları kaynaştıramadığını yazar; 2013 ödülünü duyuran NobelPrize.org metni de keseciklerin hücrenin belli yerlerinde yığıldığını anlatır. COPII'nin parçalarının adları, Sec13, Sec23, Sec24 ve Sec31, o mutantlardan gelir. Sabahki kaplar da aynı mantıkla kurulmuştu: sıcaklık trafiği durdurdu, soğuma herkesi aynı anda yola çıkardı.

Adres zincirde yazılı

Wikipedia'nın sinyal peptidi maddesi ve Barlowe ile Miller'ın derlemesi, proteinin ucunda uzayan kısa ve yağ seven bir dizinin sinyal tanıma parçacığı (SRP) tarafından yakalandığını, ribozomun ER zarındaki kanala götürüldüğünü ve dizinin geçiş sırasında kesilip atıldığını yazar. Glikokaliksi işlediğimiz gün şeker zincirlerinin ER'nin iç boşluğunda eklendiğini görmüştük; Barlowe ile Miller bu eklemenin zincir kanaldan geçerken yapıldığını anlatır.

İçeri giren her protein aynı yola çıkmaz. Kırmızı proteinin kuyruğu KDEL'dir. Wikipedia'nın KDEL maddesine göre ad, zincirin sonundaki dört amino asidin tek harfli kısaltmalarından gelir: lizin, aspartik asit, glutamik asit, lösin.

Wikipedia'ya göre ER'de çözünür protein o kadar yoğundur ki bir kısmı COPII keseciklerine istemeden karışır. Golgi'nin cis ucundaki KDEL alıcısı bu proteinleri yakalar ve COPI keseciğiyle ER'ye döndürür. Wikipedia ile Barlowe ve Miller'a göre alıcı Golgi'nin biraz asitli ortamında yüküne sıkı bağlanır, ER'nin nötr ortamında bırakır. Arın'ın gördüğü sabit ağ, gidip gelen kırmızının ortalamasıdır.

İkinci örnek, bölmelendirmeyi işlediğimiz günlere dayanır. Orada bir lizozom enziminin granüllü ER'de yapılıp Golgi'yi aşarak lizozoma vardığını söylemiş (L03-P01-M01-D04), yolun ayrıntısını sonraya bırakmıştık. Wikipedia'nın mannoz-6-fosfat maddesi ile Liu ekibinin derlemesine göre lizozom enzimleri cis-Golgi'de işaretlenir: ER'de eklenmiş N-bağlı şeker zincirindeki bir mannoz, iki enzimin art arda çalışmasıyla mannoz-6-fosfata çevrilir. Trans-Golgi ağında bu işareti mannoz-6-fosfat alıcısı tanır ve enzimleri klatrin kaplı keseciklerle endozomlara taşır. Çarşamba asitlendiğini gördüğümüz endozomda pH 6'nın altına inince alıcı yükünü bırakır ve Golgi'ye geri döner. Wikipedia'nın alıcı ve I-hücre hastalığı maddelerine göre işaret konamayan enzimler lizozom yerine hücre dışına salınır; alıcılar da bu nadir kalıtsal hastalığın incelenmesiyle bulunmuştur.

Kimlik etiketi ve kilit

Yükün adresi zincirinde yazılıdır; zarın kimliğini ise yüzeyine takılan bir etiket belirler. Wikipedia'nın Rab maddesi ile Hutagalung ve Novick'in 2011 derlemesi bu etiketi aynı biçimde tarif eder.

İki kaynağa göre insanda altmıştan fazla Rab vardır ve her biri belli bir bölmeyi işaretler. Etkin Rab, keseciği hedef zara yaklaştıran bağlayıcı proteinleri toplar. Çarşamba erken ve geç endozomu yalnız asitlikleriyle ayırmıştık. Endozom olgunlaşmasını 2011'de derleyen Huotari ve Helenius da Hutagalung ile Novick de erken endozomu Rab5'in, geç endozomu Rab7'nin işaretlediğini ve olgunlaşma sırasında Rab5'in birkaç dakikada yerini Rab7'ye bıraktığını yazar. Bölme aynı zar kalır, kimliği değişir.

Son söz yine cuma gördüğümüz SNARE'lerindir. Rab keseciği doğru zarın yakınına getirir; kesecikteki v-SNARE ancak eşi olan t-SNARE'lerle demet kurabildiğinden kaynaşma yalnız o zarda tamamlanır.

Golgi'nin içinden geçiş

Golgi'nin cis ucundan trans ucuna nasıl gidildiği hâlâ tartışılır. Glick ile Luini'nin 2011 değerlendirmesi beş modeli tartar; ikisi öne çıkar. Bir modelde sisternalar yerinde durur ve yük, bir sisternadan ötekine keseciklerle taşınır.

Wikipedia'nın Golgi maddesi bugün en çok bu modelin kabul gördüğünü yazar; Barlowe ile Miller mayada tek tek sisternaların canlı görüntülemede erken hâlden geç hâle dönüştüğünü aktarır. Güçlü bir gerekçe yükün boyudur. McCaughey ile Stephens'a göre prokolajen üç yüz nanometreyi aşan bir çubuk oluşturabilir; Glick ile Luini de iri yükün sisterna içinde görüldüğünü, COPI keseciklerinin ise salgı yükünü zenginleştirmediğini yazar. Aynı yazarlar basit olgunlaşmanın bazı yüklerin Golgi'den çıkış hızını açıklayamadığını da not eder.

Keseciğin ve yolculuğun ölçüsü

Çarşamba 100 nanometrelik bir keseciğin 31.400 nm² zar götürdüğünü bulmuştuk. COPII aralığının ortasından 70 nanometre alalım: 4 × π × 35² ≈ 15.400 nm², yani yarısı kadar. Lipitlerin her biri 0,65 nm² yer tutarsa tek yaprağa 15.400 ÷ 0,65 ≈ 23.700 lipit sığar. Üç yüz nanometrelik bir çubuğu içine alabilecek en küçük küre 4 × π × 150² ≈ 283.000 nm² zar ister; bu da 283.000 ÷ 15.400 ≈ 18 COPII keseciğinin zarıdır.

Yolculuğun süresi için kurgu bir zar proteini alalım: her dakika ER'dekinin yüzde üçü Golgi'ye, Golgi'dekinin yüzde üçü zara geçsin. Bir basamakta ortalama bekleme 1 ÷ 0,03 ≈ 33 dakika, iki basamakta 67 dakika eder. ER'deki miktar 0,693 ÷ 0,03 ≈ 23 dakikada yarıya iner; kırk dakikada yüzde otuzu kalır. Palade'nin pankreasta izlediği süreler de yarım saat ile bir saat arasındaydı; kurgu sayı aynı mertebededir.

Modelin sınırı

• Taşıyıcıların hepsi küçük küresel kesecik değildir. Hirschberg ekibi Golgi'den zara giden yükün büyük ölçüde iri, biçim değiştiren borucuklarla taşındığını gözlemişti.
• Golgi içindeki geçişin modeli çözülmemiştir; hangi yükün hangi yolla ilerlediği hücre tipine ve yükün boyuna göre değişebilir.
• Kesecik ve kafes hesapları kusursuz küre varsayar. Taşıma hızı kurgudur ve iki basamağı eşit hızda, birbirinden bağımsız sayar.
• Mannoz-6-fosfat yolu lizozom proteinlerinin hepsini açıklamaz. Braulke ile Bonifacino bazı çözünür proteinlerin başka alıcılarla taşındığını, zar proteinlerinin kendi sitozol kuyruklarındaki dizilerle ayrıldığını yazar.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Adresin zincirde yazılı olması kimsenin hücre işlevi hakkında bir şey söylemez. "Hücre içi trafiği düzenlediği" ya da "lizozomları temizlediği" söylenen hiçbir takviyenin, gıdanın ya da ticari ürünün dayanağı bu şema olamaz.

Kırmızının gidip gelişi

Öğleden sonra bulutlar dağılıyor. Arın defterine üç kutu çiziyor: "ER", "Golgi", "zar". İlk iki kutu arasına üstten giden bir ok çizip yanına "COPII", alttan dönen bir ok çizip "COPI, KDEL" yazıyor. Golgi'den yana bir kol çıkarıp ucuna "lizozom, M6P" ekliyor. Yeşil kalemle yalnız ileri okları boyuyor; kırmızıyla iki kutu arasında dönüp duran bir halka çiziyor.

"Kırmızı yerinde duruyor gibi görünüyordu," diyor Arın. "Oysa durmadan gidip geliyormuş." Selvi Hanım kalemi halkanın üstünde gezdiriyor. "Adresini bilen bir protein bile yolda takılabilir. Zarına hiç varamayan bir taşıyıcı, zarda duran ama çalışmayan bir taşıyıcıyla dışarıdan aynı görünebilir."

Kendini sına

1. Dış çapı 90 nanometre olan bir COPII keseciği kaç nm² zar taşır? Tek yaprakta kaç lipit düşer?
2. Kurgu proteinin her basamaktaki geçiş hızı dakikada yüzde iki olsaydı, ER'deki miktarı kaç dakikada yarıya inerdi?
3. Birinci kaptaki hücreler otuz iki dereceye hiç alınmasaydı, üç saat sonra yeşil ve kırmızı nerede görünürdü? Neden?
4. KDEL alıcısı ER'nin nötr ortamında da yüküne sıkı bağlı kalsaydı ne olurdu?
5. Mannoz-6-fosfat işaretini koyan enzim çalışmasaydı, lizozom enzimleri nereye giderdi? Lizozomun içindeki yıkım bundan nasıl etkilenirdi?

Bir sonraki derse köprü

Elektrolit Dengesinde Taşıyıcı Bozukluğu dersi bu modülün kanallarını, pompalarını, ikincil aktif taşımasını ve kesecik trafiğini tek bir vakada buluşturacak. Bir iyonun dengesi bozulduğunda soru şu olacak: taşıyıcı yapılmış ama zardaki yerine ulaşamamış mı, yerine ulaşmış ama işleyişi mi değişmiş?