Adherens Bağlantıları

Saat saat boyanmış lameller

Salı sabahı sis bu kez daha erken dağılıyor. Necla Hanım dün öğleden sonra, kalsiyumu geri verdiği plakanın yanına aynı hücrelerden ekilmiş küçük camlar da koymuş ve kalsiyum döndükten sonra 0., 1., 3. ve 6. saatte birer tanesini sabitlemiş. Oylum dört lameli sırayla mikroskoba yerleştiriyor. Yeşil boya E-kadherin denen proteini, kırmızı boya aktini gösteriyor.

Sıfırıncı saatte yeşil, hücrelerin içine dağılmış soluk bir sis gibi. Birinci saatte komşu hücrelerin değdiği yerlerde kesik kesik yeşil noktalar beliriyor. Üçüncü saatte noktalar birleşip hücre sınırlarını çizmeye başlamış; kırmızı da o çizginin hemen iç yüzünde toplanıyor. Altıncı saatte her hücre, sınırını izleyen ince bir yeşil çerçeve ve onun içinde kesintisiz bir kırmızı halka taşıyor.

"Yeşil önce geliyor," diyor Oylum, "kırmızı arkasından." Necla Hanım ohmmetreyi uzatıyor. "Dün iki kuyucuğa kalsiyumla birlikte E-kadherinin dış ucunu tutan bir antikor da koydum. Şimdi hepsini oku."

Bu derste ne olacak

Şeridin altındaki kuşağın yerini bulacak, kadherin molekülünün kalsiyumla nasıl sertleştiğini hesaplayacak, hücrelerin neden kendi türlerine yapıştığını göreceğiz. Sonra tutunmanın hücre içinde aktine hangi bağlayıcılarla aktarıldığını, bu zincirin gerilimi nasıl okuduğunu ve dünkü sorunun, yani sıkı bağlantının bu kuşağa ihtiyaç duyup duymadığının kaynaklarda nereye kadar yanıtlandığını konuşacağız.

Metin

Şeridin altındaki kuşak

Sıkı Bağlantılar dersinde Farquhar ile Palade'nin 1963'te epitel hücreleri arasındaki teması yukarıdan aşağıya üç kata ayırdığını görmüştük. Meng ile Takeichi'nin 2009 derlemesi aynı üçlüyü boşluğa yakın bölgede duran bir bağlantı kompleksi olarak anlatır: en üstte sıkı bağlantı, altında adherens bağlantısı, daha aşağıda desmozom. Mège ile Ishiyama'nın 2017 derlemesi de adherens bağlantısını sıkı bağlantının altına, kompleksin ortasına yerleştirir. Volvox kavanozunun yanında bağırsak kesitine baktığımız derste yapışma bağlantısının aktin ipliklerine bağlandığını ve hücrenin çevresini kemer gibi dolaşabildiğini yalnızca adıyla anmıştık.

Oylum'un altıncı saatteki kırmızı halkası bu aktin kuşağıdır. Meng ile Takeichi onu çevresel aktin kuşağı diye anar; Mège ile Ishiyama, aktin kablolarının kadherin komplekslerine uçlarından tutunduğunu ve aralarına yerleşen miyozin II ile kasılabilen birimler oluşturduğunu yazar.

Kalsiyumla sertleşen kol

Shapiro ile Weis'in 2009 derlemesi ve Wikipedia'nın kadherin maddesi, her dış alanın yaklaşık 110 amino asitlik bir tekrar olduğunu yazar; alanlar birinciden beşinciye doğru, zardan uzaktakinden zara yakın olana sıralanır. Beş alan, dört eklem demektir. Shapiro ile Weis her eklemde üç kalsiyum iyonunun bir alanın tabanı, sonrakinin tepesi ve aradaki bağlayıcı tarafından tutulduğunu anlatır. Dört eklem ile üçer iyondan 4 × 3 = 12 çıkar; Brasch ile arkadaşlarının 2012 derlemesi de beş alanlı klasik kadherinin toplam on iki kalsiyum bağladığını yazar.

Bu iyonlar molekülü yapıştırmaz, onu şekillendirir. Shapiro ile Weis kalsiyumlu hâlde ardışık alanların belirli açılarda sabit durduğunu, kalsiyum çekilince alanlar arasındaki hareketin arttığını ve molekülün kesici enzimlere, yani proteazlara daha duyarlı hâle geldiğini yazar. Wikipedia'nın maddesi de iyonlar alanların arasına bağlandıkça tripsinden korunmanın arttığını aktarır. Kalsiyumsuz kadherin, eklemleri boşalmış bir kol gibi sarkar ve komşusunu kavrayamaz.

İyonların eklemlere ne kadar sıkı oturduğunu Brasch ekibi nitel olarak verir: bağlanma sabitleri, hücre dışı sıvının yaklaşık 1 milimollük kalsiyum düzeyinin altındadır. Bir kurgu yapalım: bir eklem yeri için yarı-doyma derişimi litrede 0,1 milimol olsun. Doluluk, derişimin derişim ile bu sabitin toplamına bölümüdür. Litrede 1 milimolde 1 ÷ 1,1 ≈ 0,91; 0,1 milimolde tam yarı yarıya, 0,5; kalsiyumu bağlayan bir maddeyle litrede 0,001 milimole inildiğinde 0,001 ÷ 0,101 ≈ 0,01. Bir eklemin üç yeri birbirinden bağımsız dolsaydı üçünün birden dolu olma olasılığı 1 milimolde 0,91³ ≈ 0,75, bağlayıcılı ortamda milyonda birin altına iner. Gerçek yerlerin sabitleri birbirinden farklıdır ve dolmaları bağımsız değildir; hesap yalnızca bir eşiğin çevresinde ne kadar keskin bir düşüş olabileceğini gösterir. Dünkü plakada bir saatlik kalsiyumsuzluğun kolları gevşetmeye yetmesi bu keskinlikle uyumludur.

Brasch ekibine göre adherens bağlantısında karşılıklı iki zar arasında yaklaşık 15–30 nanometrelik bir aralık kalır. Bu aralığı karşılıklı iki kadherin kolu doldurur; iki kol en uçtaki birinci alanlarında, birbirinin dizisinden bir iplik parçasını değiş tokuş ederek kenetlenir. Shapiro ile Weis bu kenetlenmeyi, iki molekülün başındaki ipliklerin yer değiştirmesi olarak anlatır.

Aynı türe yapışmak

Nose, Nagafuchi ve Takeichi 1988'de kendi başına kadherin etkinliği çok az olan L hücrelerine E-kadherin ya da P-kadherin geni aktardı. Hücrelerin kümelenmesi aktarılan kadherine bağlı oldu ve hücreler aynı kadherin alt sınıfını taşıyan hücrelere tercihen yapıştı. Yeniden kurulmuş bir embriyo akciğer dokusunda E-kadherinli hücreler E-kadherin taşıyan epitel tüplerinin yanına, gen aktarılmamış olanlar mezenkim hücrelerinin yanına yerleşti. Meng ile Takeichi aynı ilkeyi tek cümleyle özetler: E-kadherin tercihen E-kadherine, N-kadherin N-kadherine bağlanır. Adlardaki harfler ilk bulundukları dokuyu gösterir; Wikipedia'nın maddesi E'yi epitele, N'yi sinir hücrelerine, P'yi plasentaya bağlar.

"Tercihen" sözcüğü önemlidir. Brasch ekibi birinci ve ikinci tip kadherinlerin genellikle birbirine bağlanmadığını, ama bir alt ailenin kendi içinde bu seçiciliğin gevşek olabildiğini yazar. Homofilik bağlanma kesin bir kilit-anahtar kuralı değil, hücrelerin kümelenirken kimi seçeceğini eğen bir tercihtir.

İçeride: kateninler ve halka

Shapiro ile Weis kuyruğun zara yakın bölgesinin p120'yi, son yaklaşık yüz amino asidinin β-katenini bağladığını yazar; Wikipedia'nın adherens bağlantısı maddesi α-kateninin kadherine β-katenin üzerinden dolaylı bağlandığını ve aktin iskeletine bağlantıyı onun kurduğunu belirtir. Mège ile Ishiyama p120'nin kompleksin zarda kalma süresini düzenlediğini ekler. β-kateninin ikinci bir işi de vardır: Shapiro ile Weis'e ve Wikipedia'nın β-katenin maddesine göre bu protein Wnt adlı sinyal yolunda çekirdeğe geçip genlerin okunmasını yöneten bir yardımcı etken olarak da çalışır.

Zincirin son halkası uzun süre bir bilmece oldu. Shapiro ile Weis, arıtılmış proteinlerle yapılan deneylerde β-kateninin, α-kateninin aktine bağlanmasını engellediğini aktarır. Mège ile Ishiyama bu bulgunun kadherin–katenin kompleksi ile aktin arasında doğrudan bir bağı sorgulattığını, Buckley ve arkadaşlarının 2014 çalışmasının ise çelişkiyi çözdüğünü anlatır: kompleks, çözeltide kuramadığı bağı çekme kuvveti altında aktinle kurdu. Mekanotransdüksiyon dersinde tanıdığımız yakalama bağının bir örneğiydi bu.

Gerilimi okuyan kol

O derste odak yapışmada gerilen talinin sarmal demetlerinin açıldığını ve açığa çıkan yerlere vinkülin bağlandığını görmüştük. Kuşakta aynı iş α-katenine düşer. Meng ile Takeichi α-kateninin yapıca vinküline akraba olduğunu yazar. Seddiki ve arkadaşlarının 2018 çalışması, miyozin II'nin ürettiği kuvvetin α-kateninin biçimini değiştirerek vinkülini bağlantıya çağırdığını, α-kateninin birkaç miyozin motorunun ürettiği kuvvetler düzeyinde geri dönüşlü olarak açıldığını özetler. Mège ile Ishiyama bu ölçümü Yao ekibinin 2014 tek molekül deneyinden sayıyla aktarır: çekilen α-katenin parçası 4,8 pikonewtonda geri dönüşlü bir basamakla açılır ve vinkülinin baş kısmına ilgisi yaklaşık bin kat artar.

Aynı derleme tek bir miyozin başının 2–3 pikonewton ürettiğini yazar. 4,8 ÷ 3 ≈ 1,6 ve 4,8 ÷ 2 = 2,4: iki üç motorun çekişi bir α-katenin molekülünü açmaya yeter. Vinkülin de aktine bağlanabildiği için, açılan her α-katenin halkaya ikinci bir tutunma ipi ekler. Gerilim arttıkça bağlantı kalınlaşır.

Odak yapışmayla karşılaştırma

Hücre Göçü dersindeki odak yapışma ile bugünkü kuşak aynı mantıkla çalışır ama farklı şeylere tutunur:

Mège ile Ishiyama bu benzerliği açıkça kurar ve α-kateninin gerilince açılmasını talinin açılmasının hücreler arası karşılığı olarak anlatır. Ortak parça vinkülindir; aynı protein bir yerde hücreyi zemine, öbür yerde komşusuna daha sıkı bağlar.

Kuşak şeridi mi kuruyor?

Dün Necla Hanım kalsiyumu asıl isteyenin kuşak olabileceğini söylemişti. Ohmmetre ekranı sorunun bir kısmını yanıtlıyor. Kalsiyum geri verildikten sonra dünkü 90 Ω·cm²'lik tabaka 1., 3. ve 6. saatte 150, 420 ve 640 Ω·cm² göstermiş. Antikorlu kuyucuklarda aynı saatlerde 95, 160 ve 380. Dünkü 660'a dönüşün ne kadarının tamamlandığını (R − 90) ÷ (660 − 90) verir: üçüncü saatte kontrolde 330 ÷ 570 ≈ 0,58, antikorluda 70 ÷ 570 ≈ 0,12. Altıncı saatte 0,96'ya karşı 0,51. Necla Hanım'ın ayrıca olgun bir tabakaya altı saat aynı antikoru verdiği kuyucukta direnç 660'tan 640'a, yüzde üç kadar düşmüş.

Kurgu sayılar iki özgün çalışmanın yönünü izler. Gumbiner, Stevenson ve Grimaldi 1988'de kalsiyum anahtarından sonra E-kadherini tutan antikorların sıkı bağlantının, aktin kuşağının ve desmozomların kurulmasını benzer ölçüde geciktirdiğini, olgun tabakaların direncini ise pek değiştirmediğini buldu. Capaldo ile Macara 2007'de E-kadherini susturduğu hücrelerde yerleşik sıkı bağlantıların ve direncin olağan kaldığını, bağlantılar söküldükten sonra yeniden kurulmanın ise geciktiğini gösterdi; aynı çalışmada α-katenin azaltılınca bağlantılar uzun süre bozuk kaldı. Campbell ve arkadaşlarının 2017 derlemesi iki bağlantının ZO proteinleri ve ortak sinyallerle birbirine bağlı olduğunu anlatır.

Dünkü soru böylece yarı yarıya kapanıyor. Kuşak, şeridin kurulmasına iskele oluyor; ama olgun tabakada kadherini tek başına engellemek direnci düşürmediğine göre, kalsiyum çekilince dirençteki hızlı çöküş yalnız kuşağın dağılmasına bağlanamaz. Kalsiyumun şeridin kendi proteinlerine ya da başka bir adıma ne kadar gerektiği bu iki çalışmadan okunamaz.

Aynı bağın klinikteki karşılığı çoğunlukla kayıptır: bazı tümörlerde E-kadherin kaybının hücrelerin tabakadan kopup çevreye yayılmasıyla ilişkili olduğu araştırılır; bu ders o ilişkiyi yorumlamaz.

Lamellerin saat sırası

Oylum defterine yeşil ve kırmızı iki kalemle dört kutu çiziyor: sis, noktalar, çizgi, halka. Altına "kolda 12 Ca", "E ↔ E", "4,8 pN → vinkülin" yazıyor. En alta ekliyor: "Kuşak şeridi kuruyor, ama tutmuyor mu?"

Necla Hanım altıncı saat lamelini bir kez daha büyütüyor. Yeşil çerçevenin altında, kırmızı halkanın bittiği yerde seyrek, parlak yeşil noktalar var. "Bunlar da kadherin," diyor, "ama halkaya değil, başka bir ipe bağlı. Perşembe onlara bakacağız."

Kendini sına

1. Bir kadherinin dış bölümü yedi alandan kurulsaydı ve her eklemde yine üç kalsiyum otursaydı, molekül kaç iyon bağlardı?
2. Kurgu yarı-doyma derişimi litrede 0,1 milimolken, kalsiyum litrede 0,3 milimole indiğinde bir eklem yerinin doluluğu kaç olur?
3. Nose ekibinin deneyinde E-kadherinli ve P-kadherinli iki hücre grubu karıştırılsa, kümelerde nasıl bir dağılım beklerdin?
4. Arıtılmış kompleks aktine çözeltide zayıf bağlanıyorsa, bağlantı hücrede nasıl oluyor da kuvvet taşıyor?
5. Antikorlu kuyucukta altıncı saatte toparlanmanın kesri kaçtır, olgun tabakadaki yüzde üçlük düşüşle neden çelişmez?
6. Odak yapışma ile adherens kuşağında gerilimle açılan proteinler hangileridir, ikisinin çağırdığı ortak protein nedir?

Bir sonraki derse köprü

Lameldeki seyrek yeşil noktalar desmozomdur. Desmozomlar dersi soracak: desmoglein ve desmokollin de kadherin ailesinden olduğu hâlde bu noktalar neden aktine değil keratin ara filamentlerine tutunur, Ara Filamentler dersinde adını andığımız desmoplakin ile plakoglobin denen bir başka bağlayıcı bu bağı nasıl kurar, ve nokta nokta dizilmiş perçinler hücreye kuşaktan farklı olarak hangi dayanıklılığı verir?