Nükleer Por Kompleksi

Platinle gölgelenmiş yüzey

Çarşamba sabahı, kasımın üçüncü haftası. Tekirdağ'da rüzgâr dinmiş, deniz kurşun rengi. Aşağıdaki mikroskop odasında Meliha Hanım bu kez kesit getirmemiş. Pazartesi incelenen fibroblastlardan bir kabı sıvı azotta dondurmuş, bıçakla yarmış, açılan yüzeyi eğik açıdan platinle gölgeleyip karbonla kaplamış. Izgarada hücrenin kendisi yok, yüzeyinin ince bir kopyası duruyor.

Ekranda gri, kabarık bir kubbe beliriyor: çekirdek zarfının yarılmış yüzü. Kubbenin üstü düz değil. Yüzeye küçük, yuvarlak halkalar serpilmiş; her birinin bir yanı parlak, öbür yanı gölgeli. Barlas ölçek çubuğuna göre bir mikrometrelik bir kare çizip içindekileri sayıyor: on halka. Birbirine değen yok, aralıklar neredeyse eşit.

Meliha Hanım ikinci ekranı açıyor. Orada kriyo-elektron tomografisiyle çekilmiş yüzlerce porun bilgisayarda üst üste bindirilmiş ortalaması dönüyor. Yukarıdan bakınca sekiz dişli bir çark görünüyor. Yandan bakınca üç kat halka seçiliyor. Sitoplazma tarafında halkadan kısa iplikler sarkıyor, çekirdek tarafında ise iplikler aşağıda bir halkada birleşip bir sepet oluşturuyor. Çarkın ortası bulanık.

"Pazartesi tıkacın içi doluydu," diyor Barlas. "Burada ortası boş." Meliha Hanım başını sallıyor: "Ortalama, her porda aynı yerde duranı gösterir. Ortadaki şey her porda başka biçimde duruyor."

Bu derste ne olacak

Kompleksin çapını, kütlesini ve neden sekiz eş koldan kurulduğunu ölçeceğiz, Barlas'ın saydığı halkalardan bir çekirdekteki por sayısını kestireceğiz. Sonra kanalın içindeki FG tekrarlı ipliklere bakıp kırk kilodaltonluk sınırın neden keskin olmadığını tartacağız.

Metin

Delik ve onu dolduran yapı

Görsel harita dersinde "çekirdek gözeneği kompleksi" adıyla çizdiğimiz yapıya iki ansiklopedi maddesine dayanarak 100 ile 120 nanometrelik bir çap vermiştik. O sayı kompleksin dış çapıdır. Rush ve arkadaşlarının 2023 derlemesi dış halkanın çapını yaklaşık 120, iç halkanınkini yaklaşık 50 nanometre verir. Dultz ve arkadaşlarının 2022 derlemesi dış çapı türe göre 120 ile 130, merkez kanalı 40 ile 60 nanometre arasında yazar. Keuenhof ekibinin 2023 derlemesi ise iki zarın kaynaşmasıyla açılan deliği yaklaşık 80, iç çapı yaklaşık 40 nanometre olarak anar.

Üç sayı üç ayrı şeyi ölçer. Zarda açılan delik kompleksin gövdesinden dardır, çünkü halkaların bir kısmı zarın iki yüzüne taşar. Molekül trafiğine kalan yol, halkaların içinde kalan merkez kanaldır.

Sekiz kollu iskele

Dultz ekibi kompleksin çekirdeğini, çekirdek–sitoplazma eksenine göre sekiz katlı dönme simetrisi taşıyan üç halkalı bir yapı olarak betimler. İç halka zarfın düzleminde durur; sitoplazmaya ve çekirdeğe bakan iki dış halka onu iki yandan kıstırır. Wikipedia'nın nükleoporin maddesi aynı üç katı sitoplazma, iç por ve nükleoplazma halkası diye adlandırır. Keuenhof ekibi çekirdek yüzündeki sekiz ipçiğin uçta bir halkada birleşerek sepeti kurduğunu yazar; sitoplazma tarafındaki iplikler de Dultz ekibinin deyişiyle simetriyi bozan eklerdir.

Kompleksi kuran proteinlere nükleoporin denir. Rush ekibi yaklaşık otuz farklı nükleoporinden söz eder, Keuenhof ekibi otuzun üstünde. Her birinden çok sayıda kopya bulunur, çünkü aynı parça sekiz kolun her birinde yinelenir. Dultz ekibine göre bir kompleks, türüne göre yaklaşık 500 ile 1000 proteinden kurulur; mayada 500'ü, insanda 1000'i aşar. Rush ekibi ile Fare ve Rothstein'ın 2024 derlemesi insan kompleksine yaklaşık 110, Keuenhof ekibi omurgalı kompleksine 120 megadalton verir.

Bu iki sayıdan kaba bir ortalama çıkar: 120.000.000 ÷ 1000 = 120.000 dalton, yani protein başına 120 kilodalton. Dultz ekibi de çekirdek iskeletindeki nükleoporinlerin çoğunun tek başına yüz kilodaltonu aştığını belirtir. Porun kendi yapı taşları, porun serbestçe geçirdiği boyutun üstündedir.

Yüzeydeki halkaları saymak

Barlas'ın bir mikrometrekarede saydığı on halka, bir çekirdeğin tamamına ölçeklenebilir. Pazartesi beş mikrometre yarıçaplı çekirdeğin yüzeyini 314 µm² bulmuştuk. Kaynaklar sayı için bir aralık verir. Fare ile Rothstein pek çok hücrede, nöronlar dahil, çekirdek başına yaklaşık 2000 ile 5000 por yazar. McCloskey ve arkadaşlarının 2018 çalışması inceledikleri insan kanser hücresi hattında ortalama 3000 por saymıştır. Wikipedia'nın maddesi omurgalı çekirdeği için 2000 dolayında bir sayı verir.

Ortadaki değerle yoğunluk 3000 ÷ 314 ≈ 9,5 por/µm² eder; aralığın iki ucunda 6,4 ile 15,9 arasında kalır. Barlas'ın kurgu sayımı bu aralığa düşüyor. Porların yüzeyden ne kadar yer tuttuğu da hesaplanabilir. Seksen nanometrelik bir deliğin alanı π × 0,04² ≈ 0,005 µm² eder; 3000 delik yaklaşık 15 µm² tutar ve 15 ÷ 314 ≈ 0,05 verir. Kompleksin 120 nanometrelik dış çapıyla aynı hesap yaklaşık 34 µm², yani yüzeyin onda birini bulur.

Sayı hücreden hücreye büyük oynar: McCloskey ekibi memeli hücrelerinde birkaç yüzden on binlere uzanan bir aralık aktarır, Fare ile Rothstein de 10.000'in üstüne çıkan çekirdeklerden söz eder. Aynı çalışmada por sayısını baskılayan bir düzenleyici susturulunca sayı yükselmiştir; sayı hücrenin ayarladığı bir büyüklüktür.

Kanalı dolduran iplikler

Ortalamada bulanık kalan merkez neden boştur? Dultz ekibi kanalın, nükleoporinlerin üçte birinde bulunan ve fenilalanin–glisin tekrarlarıyla zengin, doğal olarak düzensiz uzantılarla dolu olduğunu yazar. Wikipedia'nın nükleoporin maddesi bu uzantıları sabit bir yapısı olmayan esnek zincirler diye anlatır. Düzensiz bir zincir her porda, her anda başka bir biçim alır; yüzlerce görüntünün ortalaması onu silip götürür. Rush ekibi uzun süredir tartışılan "merkez tıkacın" da ya bu iplik yığını ya da o an kanaldan geçen bir yük olabileceğini aktarır; Wikipedia'nın maddesi de tıkacın gerçek bir yapı mı yoksa yoldaki bir yük mü olduğunun bilinmediğini yazar. Pazartesi Meliha Hanım'ın en yüksek büyütmede gösterdiği ince doku bu belirsizliğin tam ortasındadır.

Kırk kilodalton: yumuşak bir eşik

Dultz, Rush ve Keuenhof ekipleri ile Fare ve Rothstein aynı sayıyı verir: 40 kilodaltonun altındaki moleküller porlardan kendiliğinden geçer, daha büyükleri taşıyıcı ister. Ama sayı bir duvar değildir. Keuenhof ekibi sınırın keskin olmadığını, 40 kilodaltonun üstünde pasif geçişin enerji engelinin hızla yükseldiğini, yine de 60 ile 100 kilodaltonluk moleküllerin geçebildiğini yazar. Timney ve arkadaşlarının 2016'da canlı maya hücrelerinde yaptığı ölçümler de belirli bir eşikte kesilen bir sızıntı bulmamış; geçiş hızı kütle arttıkça sürekli azalmıştır.

Kanalın genişliğine bakınca bu şaşırtıcıdır. Erickson'ın 2009 derlemesi, küre biçiminde düşünülen bir proteinin en küçük yarıçapını R = 0,066 × M^(1/3) nanometre formülüyle verir; M dalton cinsindendir. Kırk kilodaltonluk bir protein için 40.000^(1/3) ≈ 34,2 ve 0,066 × 34,2 ≈ 2,26 nm, yani çap yaklaşık 4,5 nm eder. Milo ile Phillips'in kitabı tipik çözünür proteinlere 3 ile 6 nanometrelik bir çap verir; hesap bu aralığa düşer. Kırk nanometrelik bir kanal böyle bir proteinin 40 ÷ 4,5 ≈ 9 katı genişliktedir. Demek ki süzen şey kanalın çeperi değil, içini dolduran iplik ağıdır. Mohr ve arkadaşlarının 2009 çalışması, cansız test molekülleriyle bu ağı baskın göz yarıçapı yaklaşık 2,6 nanometre olan bir eleğe benzetmiştir; kendi bulgularına göre yeşil floresan protein büyüklüğündeki moleküller geçişte belirgin biçimde gecikir.

Karşılaştırma için Gap Junctionlar dersine dönelim. Oluklu bağlantı kanallarının sınırını orada kaynaklara göre yaklaşık bir kilodalton almıştık. Çekirdek porunun pasif sınırı bunun kırk katıdır; kürede yarıçap kütlenin küp köküyle büyüdüğü için yarıçapta bu yaklaşık 40^(1/3) ≈ 3,4 kat fark eder. Oluklu bağlantı dar ve açık bir kanaldır. Çekirdek poru ise geniş ama doludur.

Engel nasıl kurulur

İpliklerin bu işi nasıl yaptığı henüz kesin değildir. Rush ekibinin derlemesi birkaç modeli yan yana tartışır. Seçici faz ya da hidrojel modeline göre FG tekrarları birbirine zayıf bağlarla tutunarak kanalda jel benzeri bir ağ kurar; Ribbeck ile Görlich 2001'de bu modeli önermiş, Mohr ekibi de 2009 verilerinin en çok ona uyduğunu yazmıştır. Hücresel Bölmelendirme dersinde faz ayrışmasını zarsız bölmelerin olası kaynağı olarak anmıştık; bu model aynı fiziği kanalın içine taşır. Polimer fırça ya da sanal kapı modeli ise Rout'un ekibinden çıkar: ipliklerin birbirine yapışmadan kıpırdadığını, kanalın ağzında büyük moleküllerin girmeye cesaret edemeyeceği bir entropi engeli kurduğunu söyler. Timney ekibi kendi yumuşak eşik bulgusunu bu ikinci aileyle uyumlu bulur.

Taşıyıcıyla geçen yük

Kırk kilodaltonun üstündeki bir protein ya da bir ribozom alt birimi eleği tek başına aşamaz. Wikipedia'nın nükleoporin maddesine göre bu yükler, karyoferin adı verilen taşıyıcılara bağlanıp FG tekrarlarıyla geçici olarak etkileşerek ağın içinden geçer. Taşıyıcının kendisi ağla kısa ve zayıf bağlar kurduğu için ağ onu dışlamaz, içine alır. Hangi yükün hangi taşıyıcıyı seçtiğini ve geçişin yönünü neyin belirlediğini Nükleer Taşınım dersi işleyecek.

Bu yolun hızı çarpıcıdır. Keuenhof ekibi ile Wikipedia'nın maddesi por başına saniyede yaklaşık bin translokasyon verir; Ribbeck ile Görlich'in 2001 ölçümü de aynı mertebeyi bulmuştu. Barlas'ın çekirdeğinde 3000 por varsa, hepsi bu hızda çalıştığında 3000 × 1000 = 3 milyon geçiş eder. Bu bir üst sınırdır; porların hepsi her an tam yükte çalışmaz. Ribbeck ile Görlich aynı çalışmada por başına saniyede 100 megadalton dolayında bir kütle akışı da ölçmüştü; bu, kompleksin kendi kütlesine yakındır: 100 ÷ 120 ≈ 0,8.

Fare ile Rothstein, bazı nükleoporin değişikliklerinin kimi sinir sistemi ve böbrek hastalıklarıyla ilişkili bulunduğunu derler. Bu ders yapının tarifinde kalır; tanıya ve tedaviye girmez.

Sekiz dişli çarkın çizimi

Barlas defterine sekiz dişli bir çark çiziyor, altına yandan görünüşü ekliyor: üç halka, yukarıda sarkan iplikler, aşağıda sepet. Ortaya karışık bir yumak koyup "FG, ağ" yazıyor. Kenara sayılar düşüyor: "120 / 80 / 40 nm", "3000 por, 9,5 / µm²", "4,5 nm protein, 40 nm kanal". En alta bir satır: "Geniş ama dolu."

Meliha Hanım kopyayı çıkarıp pazartesinin kesitini yeniden yüklüyor. Çekirdeğin kenarında, iç zarın hemen altında, koyu ve yoğun bir kuşak zarfa yaslanıyor. Porların tam önünde ise kuşak açılıyor, soluk bir koridor bırakıyor. "Cuma bir kesit daha keseceğim," diyor. "İçerideki koyuluk o günün işi."

Kendini sına

1. Bir kopya görüntüsünde bir mikrometrekarede 12 por sayılıyor. Yarıçapı 4 mikrometre olan bir çekirdekte kaç por beklersin? Hesabın hangi kabulleri taşıdığını söyle.
2. "Kompleksin çapı 120 nm, kanalın çapı 40 nm" diyen iki kişi çelişiyor mu? Zardaki deliğin boyu bu iki sayının neresinde durur?
3. 60 kilodaltonluk ve yalnız başına yolculuk eden bir protein çekirdeğe hiç giremez mi? Cevabını yumuşak eşik fikriyle açıkla.
4. Kanal kırk nanometre genişliğindeyken dört beş nanometrelik bir protein neden yavaşlar? Seçici faz ve sanal kapı modellerinin bu soruya verdiği cevapları karşılaştır.
5. Gap junction kanalı ile çekirdek porunun geçirdiği boyutları karşılaştır. İkisinin seçiciliği neden farklı ilkelere dayanır?

Bir sonraki derse köprü

Porlara yukarıdan ve yandan bakıp içlerini dolduran ağı tarttık. Kesitin kenarındaki koyu kuşak ise porun değil, çekirdeğin içindeki DNA'nın bir görüntüsü. Kromatin Organizasyonu dersi şu soruya cevap arayacak: DNA histon proteinlerinin çevresine sarılarak nükleozomları nasıl kurar, ve elektron mikroskobunda laminaya yaslanan koyu heterokromatin ile porların önünde açılan soluk ökromatin arasındaki fark neyi söyler?