Hücre Şekli ve Mekanotransdüksiyon

Pazartesi, jel ile cam

Ekimin dördüncü pazartesisi gece ilk kırağı düştü; bahçedeki kavakların dalları çıplak, bozkırın rüzgârı pencerenin çerçevesini yokluyor. Behice Hanım cuma günü gösterdiği iki kabı sabah sekiz buçukta aynı fibroblast süspansiyonundan tohumlamış; birinin tabanı jöle gibi titriyor, öbürününki cam. Öğleye doğru ikisini de sabitleyip boyamış.

Saat üçte Toygar ilk kabı mercek altına alıyor. Jeldeki hücreler küçük ve yuvarlak; yeşil aktin çevrede ince bir halka, kırmızı vinkülin yalnız birkaç soluk nokta. Camdaki hücreler ise geniş birer yelpaze gibi açılmış. Boydan boya kalın yeşil lifler uzanıyor, her lifin ucunda iri, uzunca bir kırmızı leke var. Üçüncü kanalda YAP adlı proteini gösteren boya camdaki hücrelerde çekirdeği dolduruyor; jeldekilerde çekirdek karanlık, parıltı sitoplazmaya dağılmış. "Aynı hücre, aynı besiyeri," diyor Toygar. "Farkı zemin söylemiş olmalı. Ama hücre zemini neyle ölçmüş?"

Bu derste ne olacak

Dokuları ve camı tek bir sertlik cetveline yerleştirecek, çekilen bağın hangi hızla yüklendiğini bir yay benzetmesiyle hesaplayacağız. Sonra gerilince açılan bir proteinden çekirdeğe uzanan zinciri deneylerden okuyacağız.

Mekanizma

Sertliğin cetveli

Basınç dersinde (L02-P07-M02-D02) pascalı metrekareye düşen bir newton olarak tanımlamıştık. Sertlik de aynı birimle ölçülür, çünkü bir kuvvet bölü alanın, uzamanın boya oranına bölümüdür.

OpenStax'in fizik kitabındaki tablo cama 70 gigapaskal verir; Wikipedia'nın Young modülü maddesi camı 47,7 ile 83,6 gigapaskal arasına koyar. Dokular bu cetvelin öbür ucundadır. Petzold ile Gentleman'ın 2021 derlemesi beyin dokusunu 0,1–1 kilopaskala, fare iskelet kasını 12 kilopaskal dolayına yerleştirir; Wikipedia'nın durotaksi maddesi domuz beyni için 260–490 paskal, fare kası için 12 kilopaskal yazar. Kas beyinden kabaca 12 kat serttir; cam ise 1 kilopaskallık bir jelden 70.000.000.000 ÷ 1.000 = 70 milyon kat. Toygar'ın iki kabı arasında sekiz basamağa yakın bir fark var.

Çekerek ölçmek

Pelham ile Wang 1997'de kolajenle kaplanmış poliakrilamid jellerin sertliğini kimyasını değiştirmeden ayarladı. Yumuşak zemindeki hücreler daha az yayıldı ve daha hızlı hareket etti; işaretli vinkülin, yapışmaların yumuşakta düzensiz ve çabuk değişen, sertte kararlı olduğunu gösterdi. Sert zemindeki hücrelere miyozini baskılayan maddeler verildiğinde yapışmalardaki vinkülin azaldı.

Sertliği okumanın kaba bir yolu, zemini bir yay saymaktır. Genişliği a olan bir tutunma noktasını çeken kuvvet için zeminin yay sabiti kabaca E × a mertebesindedir. Tutunma noktasına 1 mikrometre genişlik verelim. 1 kilopaskallık jelde yay sabiti 1.000 × 0,000001 = 0,001 newton/metre, yani nanometre başına 1 pikonewton olur. Hücre Göçü dersindeki kurgu fibroblastın ağı saniyede 45 nanometre geri akıyordu; bu çekiş jel yayını saniyede 1 × 45 = 45 pikonewton yükler. Aşağıda göreceğimiz 5 pikonewtonluk eşiğe 5 ÷ 45 ≈ 0,11 saniyede varılır ve jel o sırada 5 nanometre çöker. 12 kilopaskallık kas sertliğinde aynı eşik 5 ÷ 540 ≈ 0,009 saniye sürer. Camda eşik bir nanosaniyenin kesirlerinde aşılır. Aynı çekiş, zemin sertleştikçe bağları orantılı biçimde daha hızlı yükler.

Gerilince açılan protein

Hücre Göçü dersinde odak yapışmada integrini aktine talin ve vinkülinin bağladığını görmüştük. Goult, Yan ve Schwartz'ın 2018 derlemesi talinin gövdesini, ip üstüne dizilmiş boncuklar gibi art arda duran 13 sarmal demetiyle anlatır; Martino ekibinin 2018 derlemesi de aynı 13 alt alanın kuvvet altında basamak basamak açıldığını yazar. Del Rio ve arkadaşları 2009'da tek bir talin gövdesini manyetik boncuklarla çekti: kuvvet yokken gövdeye en çok bir vinkülin parçası bağlandı, 12 pikonewtonda üç taneye kadar çıktı. Hem del Rio ekibi hem Goult ekibi gövdede kuvvet altında açığa çıkan on bir vinkülin bağlama yeri sayar. Goult ekibine göre en kolay açılan demet 5 pikonewtonda açılır ve iki bağlama yerini birden açığa çıkarır.

Kong ve arkadaşları 2009'da atomik kuvvet mikroskobuyla fibronektin parçası ile α5β1 integrini arasındaki tek bağları çekti; bağın ömrü 10–30 pikonewton aralığında kuvvetle birlikte uzadı. Wikipedia'nın maddesi de bu çifti yakalama bağları arasında sayar. Goult ekibi bu davranışın doğada nadir, iskelet ve yapışma proteinlerinde ise yaygın olduğunu yazar.

Eşik: hangisi önce gelir?

Elosegui-Artola ve arkadaşlarının 2016 çalışmasında aktin–talin–integrin–fibronektin zinciri Hücre Göçü dersindeki debriyaj gibi davrandı. Belli bir sertliğin altında integrin, talin açılmaya fırsat bulmadan zeminden koptu ve kuvvet boşaldı. Eşiğin üstünde talin açıldı, vinkülin bağlandı, yapışma büyüdü ve YAP çekirdeğe geçti. Xu, Xu ve Cheng'in 2024 derlemesi aynı çerçeveyi anlatır: düşük sertlikte bağlar az yüklenip ayrılır, aktin hızla geri akar; yüksek sertlikte yük talini açar. Yay hesabı yarışın zamanlamasını gösteriyordu: yumuşak jelde bağ yavaş yüklenir, camda neredeyse anında.

Stres lifleri ve büyüyen yapışma

Aktin Filamentleri dersinde faloidinle boyadığımız kalın çizgilere stres lifi demiştik. Wikipedia'nın maddesi onları aktin, kas dışı miyozin II ve α-aktininden kurulu kasılabilir demetler diye anlatır ve sert zeminde büyüyen hücrelerde kalın, yumuşakta belirsiz olduklarını yazar. Petzold ile Gentleman da sert bir ortamda hücrenin stres liflerini güçlendirerek zeminin kuvvetini dengelediğini aktarır. Hücre Göçü dersinde yapışmaların olgunlaşması için miyozinin çekişi gerektiğini görmüştük; Toygar'ın camdaki iri lekeleri, liflerin sürekli çektiği ve bu yüzden büyüyen yapışmalardır.

Şekil de bir sinyaldir

Singhvi ve arkadaşları 1994'te elastik bir damgayla altın yüzeye belirli boyda yapışma adaları bastı; hücrenin ne kadar yayılabileceğini sınırlamak büyümesini ve protein salgısını denetledi. Petzold ile Gentleman küçük adalardaki karaciğer hücrelerinin yuvarlak kaldığını ve daha az bölündüğünü aktarır. Chen ve arkadaşları 1997'de kılcal damar iç yüzünün hücrelerini küçülen adalara ekti; hücreler büyümeden programlı ölüme geçti. Aynı ekip toplam temas alanını sabit tutup yapışma boyutundaki küçük adaların aralığını açtığında da sonucu yayılmanın belirlediğini buldu.

Kuvvetin çekirdeğe yolu

Martino ekibine göre iç zardaki SUN ile dış zardaki nesprin iki zarın arasındaki boşlukta kenetlenir; nesprin-1 ve nesprin-2 aktine, SUN içte lamin A'ya bağlanır. Ara Filamentler dersinde çekirdeğin biçimini koruyan kırmızı halkayı çekirdek laminası diye adlandırmıştık. Böylece stres lifinin çekişi zarı aşıp o kabuğa kadar uzanabilir.

Dupont ve arkadaşları 2011'de YAP ile TAZ adlı iki gen düzenleyicisinin zemin sertliğini ve hücre şeklini çekirdeğe taşıdığını gösterdi. Yazarlara göre bu düzenleme Rho etkinliği ve aktin–miyozin gerilimi ister, ama bilinen Hippo kinaz zincirinden bağımsızdır. Panciera ekibinin epitel hücreleri için verdiği sayılarla bu proteinler 1,5 kilopaskalın altındaki yumuşak zeminde ya da 300 mikrometrekarelik bir adada sitoplazmada kalır, 5–10 kilopaskalın üstündeki zeminde ya da 3.000 mikrometrekareyi aşan yayılmada çekirdeğe girer. Aynı derleme LINC üzerinden kuvvet aktarımının YAP ve TAZ'ın etkinleşmesi için gerekli olduğunu yazar.

Zardaki basınç kanalları

Nobel Ödülü'nün 2021 basın bülteni fizyoloji ya da tıp ödülünü sıcaklık ve dokunma alıcılarını bulan David Julius ile Ardem Patapoutian'a verildiğini duyurur. Bültene ve Coste ekibinin 2010 makalesine göre Patapoutian'ın ekibi mikropipetle dürtülünce ölçülebilir bir akım veren bir fare nöroblastom hücre hattı seçti ve aday genleri tek tek susturdu; bülten bu adayların sayısını yetmiş iki verir. Susturulunca akımı söndüren gene Yunanca basınç sözcüğünden Piezo1 adı verildi, ona benzeyen ikincisine Piezo2. Wikipedia'nın maddesi Piezo1'i zar gerilimiyle doğrudan açılan, kalsiyum da geçiren bir katyon kanalı olarak anlatır.

Silya ve Flagella dersinde birincil silyanın akışı kendine özgü bir kalsiyum girişiyle algıladığı varsayımı Delling ekibinin ölçümünde doğrulanmamıştı. Piezo kanallarının varlığı o tartışmayı kapatmaz; orada sorulan, kılın kendi zarında bir giriş olup olmadığıydı.

Kök hücre ve zemin

Engler, Sen, Sweeney ve Discher 2006'da mezenkimal kök hücreleri farklı sertlikte jellere ekti. Beyni taklit eden yumuşak jelde sinir hücresine, kas sertliğinde kas hücresine, kolajenli kemiğe benzeyen sert jelde kemik hücresine benzeyen özellikler belirdi. Birkaç hafta sonra hücreler zeminin seçtiği yola bağlandı; kas dışı miyozin II baskılanınca ayrışmaların hepsi kayboldu. Panciera ekibi de Petzold ile Gentleman da bulguyu aynı sırayla aktarır; hepsi kültür kabında yapılmış gözlemlerdir.

Modelin sınırı

• Deneylerin çoğu düz, yalnızca esnek jellerde yapıldı. Petzold ile Gentleman da Xu ekibi de matriksin viskoelastik davranışını ayrı bir etken sayar; Xu ekibine göre kolajenli doğal matriks sabit bir uzamada zamanla gevşeyebilir. Düz jeldeki eşik dokuya doğrudan taşınamaz.
• Yay hesabı kaba bir boyut analizidir. Camda zeminin yay sabiti o kadar büyüktür ki zincirin en yumuşak halkası artık zemin değil, proteinlerin kendisidir.
• Sertlik eşiği evrensel bir sayı değildir. Xu ekibi eşiğin integrin türüne ve talin miktarına göre kaydığını yazar.
• Engler bulgusunun yorumu tartışıldı. Trappmann ekibi 2012'de yumuşak poliakrilamidin daha gözenekli olduğunu ve kolajenin daha seyrek tutunduğunu öne sürdü; Wen ekibi 2014'te gözenek ve tutunma yoğunluğunu sertlikten ayırdığında farklılaşmanın değişmediğini bildirdi.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Bağ dokusunun yara izine dönüşürken ya da bazı tümörlerin çevresinde sertleşmesi bu çekme düzeninin dokudaki karşılığı olarak araştırılır, ama bu sayfa hiçbir tanıya, seyre ya da tedaviye uzanmaz. Hücreleri gençleştirdiği, kök hücreyi yönlendirdiği ya da dokuyu yumuşattığı söylenen hiçbir ilaç, takviye, egzersiz programı, masaj, titreşim cihazı ya da mekanoterapi adıyla sunulan işlem bu mekanizmaya yaslanamaz.

Camdaki kırmızı lekeler

Toygar defterine iki hücre çiziyor. Yuvarlağın yanına "jel · nokta · YAP dışarıda · 1 pN/nm", yayvanın yanına "cam · lif · leke · YAP içeride · 7 × 10⁷ pN/nm" yazıyor. İki çizimi bir okla bağlayıp okun üstüne "talin: 5 pN" notunu düşüyor.

Behice Hanım jelin üstüne parmağını bastırıp çekiyor; yüzey yavaşça geri geliyor. "Hücre de bunu yapıyor, yalnız milyonlarca kez ve pikonewtonla." Çekmeceden bir deste lamel çıkarıyor: çubuklar, borular, halatlar, raylar, yarım ay biçimli hücreler, kıllı yüzeyler. "Çarşamba bu ayın bütün lamellerini tek bir panoya dizeceğiz."

Kendini sına

1. Beyin dokusunu 0,5 kilopaskal, camı 70 gigapaskal alırsan cam kaç kat serttir?
2. Genişliği 1 mikrometre olan bir tutunma noktası 4 kilopaskallık bir jeli saniyede 45 nanometre çekiyorsa 5 pikonewtonluk eşiğe kaç saniyede ulaşılır?
3. Del Rio ekibinin deneyinde kuvvet uygulanınca talin gövdesine bağlanan vinkülin sayısı neden arttı?
4. Olağan bir bağ ile yakalama bağı 10 pikonewtondan 25 pikonewtona çekildiğinde ömürleri nasıl farklı değişir?
5. Hücrenin yayılma alanı ile zeminin sertliği aynı sonuca, YAP'ın çekirdeğe girişine, hangi ortak ara adımla bağlanır?

Bir sonraki derse köprü

Modülün her dersi ayrı bir lamele baktı; Hücre İskeleti Görsel Laboratuvarı onları tek bir çizimde buluşturacak. Üç ipliği tek bir hücre çiziminde üst üste koyduğumuzda kalınlıkları, uçları ve yakıtları nerede ayrılır, hangi motor hangi ipliği ray olarak kullanır, ve zemindeki bir odak yapışmadan çekirdek laminasına uzanan kuvvet hangi ipliklerin üstünden geçer?