Hücre Göçü

Çarşamba, pulların kenarı

Ekimin üçüncü çarşambası, öğle yemeğinden sonra bozkır sakin; perdeli odada ısıtmalı tabla vızıldıyor. Behice Hanım pazartesi akşamı pazardan aldığı bir sazanın pullarını camın dibine yatırmış. İki günde her pulun kenarından ince bir deri hücresi tabakası taşmış; tabakanın ucundan kopan tek tük hücreler cam üstünde kendi başına ilerliyor. Her biri yarım ay biçiminde: önde geniş, yassı bir yelpaze, ortada küçük bir tümsek.

Ekranda zaman atlamalı kayıt dönüyor. Toygar ölçek çubuğunu hücrenin önüne koyup saati izliyor. "Bir dakikada bir çubuk, yani on mikrometre. Biçimi hiç bozulmuyor." Behice Hanım ikinci kaydı açıyor: pazartesiki fibroblastların kardeşleri, aktinleri yeşil ışıyor. İki hücrede de yelpazenin içine lazerle karanlık bir şerit çizilmiş. Balık hücresinde şerit cama göre yerinde duruyor, hücre üstünden geçip gidiyor; fibroblastta ise şerit yavaşça çekirdeğe doğru kayıyor.

Bu derste ne olacak

Göçü dört adımlı bir döngü olarak ele alıp öndeki itmenin kaç aktin birimine mal olduğunu hesaplayacağız. Karanlık şeridin birinde durup ötekinde kaymasını bir debriyaj benzetmesiyle açacak, motorun hangi adımda zorunlu olduğunu deneylerden okuyacağız.

Mekanizma

Dört adım, tek döngü

Gardel, Schneider, Aratyn-Schaus ve Waterman'ın 2010 derlemesi, Lauffenburger ile Horwitz'in 1996'daki çerçevesine dayanarak göçü dört adıma ayırır: ön kenarın uzanması, ön kenarın hücre dışı matrikse yapışması, bu yapışmalara karşı çekiş ve arkadaki yapışmaların bırakılıp gövdenin büzülmesi. Hücrelerin arasını dolduran protein ağına, doku ve bağlantılarını işlerken (L03-P01-M01-D06) hücre dışı matriks adını vermiştik; göç eden hücre o ağın üstünde yürür.

Adımlar hücrede aynı anda, farklı yerlerde işler. Aynı derleme hızlı hücrelerde gövdenin neredeyse ön kenar hızıyla ilerlediğini, yavaş hücrelerde ise hızı arkadaki yapışmaların ne çabuk bırakıldığının belirlediğini yazar. Toygar'ın balık hücresi birinci türdendir: biçimi değişmeden kaydığı için önü de arkası da aynı hızla gider.

Önde itme: ipin ucu zarı nasıl yerinden eder

Aktin Filamentleri dersinde okülerdeki yelpazeye lamellipodyum, ucundaki dikenlere filopodyum demiş, yelpazenin içini Arp2/3'ün 70 derecelik dallarıyla örülmüş bir ağ olarak görmüştük. Gardel ekibi de, Wikipedia'nın lamellipodyum maddesi de bu ağda ipliklerin artı uçlarının öne, zara baktığını yazar. Aynı derste artı uçta eklenen her birimin zarı bir adım ittiğini ve bunun için motor gerekmediğini söylemiştik; bugünkü soru, itmenin nasıl mümkün olduğu.

Zar ipin ucuna yaslanmışsa yeni birime yer yoktur. Peskin, Odell ve Oster 1993'te bu çıkmazı ısıl titreşimle çözdü: itilen yük titreşip aralık bir an birim boyu kadar açıldığında birim araya girer ve aralığın geri kapanmasını engeller. Titreşim yönsüzdür; yönü birimin girmesi verir, tıpkı yalnız bir yöne dönen bir cırcır gibi. Mogilner ile Oster 1996'da modeli genişletti: titreyen yalnız yük değil, esneyen ipin kendisidir. Svitkina'nın 2018 derlemesi bu esnek modelde zara açıyla yaslanan ipin daha etkili ittiğini yazar; Arp2/3'ün açılı ağı bu hesaba uyar.

Kuvvetin ölçeği ısıl enerjiden gelir. Isıl titremenin enerjisini Brown Hareketi (L02-P07-M01-D01) konusunda hesaplamış, motorlar dersinde pikonewton-nanometreye çevirmiştik: 37 derecede kT ≈ 4,28 pikonewton-nanometre. Bu enerjiyle 2,7 nanometrelik bir aralık açmaya yetecek kuvvet 4,28 ÷ 2,7 ≈ 1,6 pikonewtondur; yük bundan çok büyükse aralık nadiren açılır. Footer ve arkadaşlarının 2007'deki optik cımbız ölçümünde sekiz kadar paralel iplik 1 pikonewton mertebesinde bir yükte durdu; yazarlar bunu tek bir ipin kuramsal durma yüküyle uyumlu bulur. Yelpazenin gücü tek ipten değil, çok sayıda ucun toplamından gelir.

Hızın bedeli: kaç birim, ne kadar serbest aktin

Balık hücrelerinin hızı için iki kaynak birbirine yakın aralık verir: Svitkina ekibinin 1997 çalışması serbest hücrelerde dakikada 3,5–15, Wikipedia'nın lamellipodyum maddesi 10–20 mikrometre. Toygar'ın okuduğu dakikada 10 mikrometre ikisinin içinde kalır. Saniyeye çevirince 10.000 ÷ 60 ≈ 167 nanometre eder.

Aktin Filamentleri dersinde bir mikrometrelik ipte 370 birim saymış, her birimin ipi 2,7 nanometre uzattığını almıştık. Zara dik duran bir ipin bu hıza yetişmesi için ucuna saniyede 167 ÷ 2,7 ≈ 62 birim eklenmelidir. Dal ile ana ip 70 derece açı yapıyordu; ağ ilerleme yönüne simetrik yaslansın ve her ip bu yönle 35 derece açı yapsın. O zaman ucun kendi ekseni boyunca daha hızlı uzaması gerekir: 62 ÷ 0,82 ≈ 75 birim.

Artı ucun o dersteki sabitleri bağlanmada 10 (mikromolar başına, saniyede), ayrılmada 1 (saniyede) idi. Saniyede net 62 birim için serbest birim derişimi (62 + 1) ÷ 10 ≈ 6,3 mikromolar olmalıdır. Artı ucun kritik derişimi 0,1 mikromolardı; ön kenar eşiğin kabaca altmış katı serbest birimle beslenmek zorundadır.

Tutunma: odak yapışma

Balık hücresinde şeridin cama göre yerinde durması ağın zemine kenetlendiğini gösterir. Kenet, zardaki yapışma noktalarından geçer.

Wikipedia'nın odak yapışma maddesi integrinlerin dışarıda fibronektin ve laminin gibi proteinlerdeki kısa amino asit dizilerine, içeride talin ve vinkülin gibi bağlayıcılar üzerinden aktine bağlandığını yazar. Doku dersinin hemidesmozomu da integrinle tutunuyordu, ama iç tarafında ara filament vardı; burada aktin var. Madde de Gardel ekibi de yapışmaların öncü kenarda küçük noktalar olarak başladığını, bir kısmının olgunlaşamadan söküldüğünü, bir kısmının büyüyüp olgunlaştığını anlatır. Olgunlaşmayı çeken kuvvetin hücreye neyi haber verdiğini Hücre Şekli ve Mekanotransdüksiyon dersi işleyecek.

Geri akış ve debriyaj

Fibroblastın şeridi neden kayıyor? Gardel ekibi uca eklenen birimlerin zarı öne, ağı ise geriye ittiğini yazar; ağın bu geri kayışına retrograd akış denir. Svitkina'ya göre polimerleşmenin enerjisi uzanma ile geri akış arasında paylaşılır; filopodyumda geri akış büyümeyi tümüyle dengeleyip ucu yerinde tutabilir.

Gardel ekibi fikri Mitchison ile Kirschner'e, 1988'deki sinir büyüme konisi çalışmasına bağlar; Vicente-Manzanares ekibinin 2009 derlemesi de debriyaj varsayımının önce büyüme konilerinde kurulduğunu yazar. Denklem basittir: ön kenarın hızı, uçtaki polimerleşme hızından geri akış hızı çıkarılarak bulunur. Fibroblasta kurgu değerler verelim: uçta saniyede 60 nanometre polimerleşme, 45 nanometre geri akış. Kenar 60 − 45 = 15 nanometre ilerler, dakikada 0,9 mikrometre. Debriyaj tam tutarsa kenar saniyede 60 nanometre gider; tümüyle boşa düşerse 60 − 60 = 0.

Theriot ile Mitchison 1991'de balık hücresinde işaretli ağın hücrenin hızı ne olursa olsun zemine göre yaklaşık sabit kaldığını buldu; Gardel ekibi de geri akışın hızlı keratositlerde çok küçük, durağan ya da integrin yapışması olmayan hücrelerde hızlı olduğunu yazar.

Karanlık şerit bir de ömür ölçer. Gardel'e göre lamellipodyum kenardan 2–4 mikrometre içeri uzanır ve tabanına varıldığında ipliklerin yüzde doksanından fazlası sökülmüştür. Geri akışı sıfır sayılan balık hücresi 3 mikrometrelik bir yelpazeyi 3 ÷ 0,167 ≈ 18 saniyede aşar; önde eklenen bir birim bu sürede kofilinin kestiği yaşlı kesime dönüşüp havuza geri döner.

Arkada: miyozin II ve sökülme

Moleküler Motorlar dersinde miyozin başının aktine bağlanıp fosfat ayrılınca ipi sürüklediğini görmüştük. Svitkina'ya göre hücre iki tür kuvvet üretir: iplerin çoğalarak ittiği kuvvet ve miyozin II'nin iki kutuplu ipliklerinin aktinleri birbirine doğru kaydırarak çektiği kuvvet. Gardel ekibi lamellipodyumun birkaç mikrometre gerisinde, lamel denilen bölgede miyozin II'nin bulunduğunu ve oradaki geri akışın lamellipodyumdakinden yaklaşık on kat yavaş olduğunu yazar.

Motorun nerede zorunlu olduğunu miyozini susturan deneyler gösterir. Vicente-Manzanares ekibinin derlemesine göre miyozin II susturulduğunda lamellipodyum yerinde kalır, lameldeki kalın demetler kaybolur; öncü kenardaki yeni yapışmalar da miyozinsiz kurulup sökülür, ama olgunlaşmaları için miyozinin çekişi gerekir. Aynı derleme miyozin IIA susturulan hücrelerin arka uçlarını toplayamadığını ve uzadığını yazar. Arkadaki yapışmanın çözülmesine talini kesen bir enzimin ve mikrotübüllerin de katıldığını Gardel ekibi de, Vicente-Manzanares ekibi de anar. Svitkina ekibinin 1997 çalışması balık hücresinde hem gövdenin öne taşınmasını hem lamellipodyumdaki geri akışı, lamellipodyum ile gövdenin sınırında kasılan aktin–miyozin ağına bağlar.

Yön: kemotaksi

Hücre nereye gideceğini nasıl seçer? Wikipedia'nın kemotaksi maddesine göre çekirdekli hücre çekicinin reseptörlerini zarın her yerinde taşır ve iki ucundaki reseptör etkinliğini karşılaştırarak eğimi algılar; bakteri ise derişimin zamanla değişimini ölçer. Swaney, Huang ve Devreotes'un 2010 derlemesi, aktin ağı ilaçla durdurulmuş hücrelerde bile ön kenar proteinlerinin eğimin yüksek yanına toplandığını, yani yön algısının hareketten ayrılabildiğini anlatır. Aynı derlemeye göre sığ bir eğimde hücre rastgele uzantılar çıkarmayı sürdürür, eğim yalnız hangi uzantının büyüyeceğini yönlendirir.

Modelin sınırı

• Ölçümlerin çoğu düz cam üstündeki kültür hücrelerinden gelir. Gardel ekibi çekiş kuvvetlerinin dokunun üç boyutlu, esnek ortamında daha da önem kazanabileceğini not eder; camdaki sayılar oraya doğrudan taşınamaz.
• Brown cırcırı bir sadeleştirmedir: tek bir ipi ve sabit bir yükü düşünür. Footer ekibi ince demetlerde her an yalnız en uzun ipin engele değdiğini, kuvvetin bu yüzden sınırlı kaldığını bildirir.
• Serbest birim hesabı bütün uçların hep büyüdüğünü ve açının sabit kaldığını varsayar; kapanan uçlar bu hesabı değiştirir.
• Debriyaj örneğindeki fibroblast hızları kurgudur; gerçek değerler hücre tipine, zemine ve yapışma yoğunluğuna göre değişir.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Yara kapanması, bağışıklık hücrelerinin enfeksiyon yerine varması ve tümör hücrelerinin yayılması bu döngünün dokudaki biçimleridir, ama bu ders hiçbirinin tanısına, gidişine ya da tedavisine girmez. Yara iyileşmesini hızlandırdığı ya da hücre göçünü desteklediği söylenen hiçbir krem, takviye ya da cihaz bu mekanizmadan dayanak alamaz.

Pulun kenarındaki boşluk

Toygar defterine yarım ay biçiminde bir hücre çiziyor. Önüne "itme · motor yok · 62 birim/s · 6,3 µM", altına "tutunma · integrin · motor yok", arkasına "çekme · miyozin II" yazıyor. İki şeridi de çiziyor: birinin yanına "debriyaj tam", öbürünün yanına "kayıyor".

Behice Hanım kaydı başa sarıyor. Pulun kenarından taşan tabaka da kayıtta bir tül gibi ağır ağır açılıyor. "Tek hücre bu hızla bir milimetreyi 1.000 ÷ 10 = 100 dakikada alır," diyor. "Tabakanın hızını ise tek hücreden okuyamazsın; hücreler birbirini de tutuyor." Masadaki kutudan başka bir lamel çıkarıyor: "Cuma yerinden kıpırdamayan hücrelerin yüzeyinden çıkan kıllara bakacağız."

Kendini sına

1. Bir balık hücresi dakikada 15 mikrometre gidiyorsa zara dik bir iplik saniyede kaç birim eklemelidir?
2. Aynı hız için artı uçtaki serbest birim derişimini 10 ve 1 sabitleriyle hesapla. Kritik derişimin kaç katıdır?
3. Uçta saniyede 80 nanometre polimerleşme, 50 nanometre geri akış olan bir kenar dakikada kaç mikrometre ilerler?
4. Miyozin II baskılanan bir hücrede lamellipodyum ne olur, arka uç ne olur?
5. kT'yi 4,28 pikonewton-nanometre alırsan 5,4 nanometrelik bir aralık için kuvvet ölçeği ne olur?

Bir sonraki derse köprü

Göç eden hücre yürümek için bütün iskeletini seferber etti. Silya ve Flagella dersinin sorusu başka bir hareket olacak: aksonem denen dokuz çift ve iki tekli mikrotübül dizisi, dinein kollarının komşu çiftleri birbirine göre kaydırmasıyla nasıl bükülür, ve hareket eden silya ile hareketsiz birincil silya aynı iskeletten hangi yapısal farkla ayrışır?