Nükleolus

Halkanın içindeki üç doku

Kasımın dördüncü haftasının pazartesisi. Gece esen lodos sabaha doğru dinmiş, bodrum koridorunda kalorifer boruları tıkırdıyor. Meliha Hanım cuma günkü bloktan yeni dilimler almış. Bu kez ekranı doğrudan çekirdeğin ortasındaki iri cisme getiriyor ve büyütmeyi adım adım artırıyor.

Cumanın düşük büyütmesinde tek parça görünen cisim şimdi üç ayrı dokuya ayrılıyor. İçeride birkaç soluk, yuvarlak ada var; her birini ince, koyu, lifli bir kuşak sarıyor. Adalar kuşaklarıyla birlikte, cismin geri kalanını dolduran taneli bir kütlenin içine gömülü. Taneler tek tek seçiliyor ve geçen hafta dış zarın üstünde gördükleri ribozom noktalarından biraz küçük. Barlas cismin kenarında iki çizgili bir sınır arıyor, bulamıyor: taneli doku doğrudan çekirdeğin grisine karışıyor. Kenarın bir bölümünü cuma görülen koyu halka sarıyor, bir iki koyu kol da içeri, adaların arasına uzanıyor.

"Zar yok, ama sınır keskin," diyor Barlas. Meliha Hanım dizüstü bilgisayarını açıyor; yan odadaki konfokal mikroskoptan bir doktora öğrencisi kısa bir film bırakmış: kurbağa oositinden ayrılmış bir çekirdekte floresanla işaretlenmiş bir nükleolus proteini. İki parlak damla birbirine değiyor, aradaki boyun kalınlaşıyor ve birkaç dakika içinde tek, yuvarlak bir damla kalıyor. "Bizim örneğimiz bunu gösteremez," diyor Meliha Hanım. "Reçinedeki hücre canlı değil."

Bu derste ne olacak

Cismin adıyla başlayıp onu kuran genlere ineceğiz. Üç dokuyu bir üretim hattının durakları gibi okuyacak, zarı olmayan bir yapının dağılmadan nasıl durduğunu tartacağız. Kapanışta bir hücrenin günde ne kadar ribozom kurmak zorunda olduğunu hesaplayıp porlardaki trafiğe bağlayacağız.

Metin

Ribozom fabrikası

OpenStax'in biyoloji kitabı nükleolusu çekirdekte koyu boyanan, ribozomal RNA'yı proteinlerle bir araya getirip ribozom alt birimlerini kuran bölge diye tarif eder; alt birimler oradan zarftaki porlar yoluyla sitoplazmaya taşınır. Hücresel Bölmelendirme dersinde bu cisme Türkçe adıyla çekirdekçik demiş, zarı olmayan bölmelerin örnekleri arasında saymıştık.

Wikipedia'nın maddesine göre bu işin nükleolusa bağlı olduğunu gösteren erken kanıt bir kurbağadan geldi. Donald Brown ile John Gurdon 1964'te PNAS'ta yayımladıkları makalenin başlığında bulguyu tek satırda verdiler: Afrika pençeli kurbağasının nükleolussuz mutantında ribozomal RNA yapılmıyordu.

Beş kromozomun kısa kolu

Nükleolus belirli kromozom bölgelerinin çevresinde kurulur. Wikipedia'nın ilgili maddesi bu bölgeleri ilk tarif edenin, 1934'te mısır üzerinde çalışan Barbara McClintock olduğunu yazar. Hemleben ekibinin 2021 derlemesi de ribozomal DNA araştırmasını McClintock'un bu gözlemiyle başlatır.

İnsanda bu bölgeler beş kromozomda bulunur. Correll ve arkadaşlarının 2019 derlemesi, Sirri ekibinin 2008 derlemesi ve Ponti'nin 2025 derlemesi aynı listeyi verir: 13, 14, 15, 21 ve 22 numaralı kromozomların kısa kolları. Beşi de akrosentriktir; sentromerleri bir uca çok yakın olduğu için kısa kolları kısacıktır. Diploit hücre her kromozomdan iki tane taşır, Wikipedia'nın nükleolus maddesi de bu yüzden on NOR sayar.

Kopya sayısı kişiden kişiye değişir. Correll ekibi diploit genomda 400'e kadar tekrar birimi yazar; Ponti toplamı 100 ile 600 kopya arasında verir. Dört yüz kopyayı on bölgeye paylaştırırsak 400 ÷ 10 = 40 eder, ama bu yalnız kaba bir ortalamadır.

Neden bu kadar kopya? Çünkü ürün çok büyük miktarda gerekir. Correll ekibi büyüyen bir memeli hücresindeki bütün RNA'nın yüzde 80'inden fazlasının ribozomal RNA ile ilişkili olduğunu yazar. BioNumbers'taki bir HeLa kaydı da hücre RNA'sının yüzde 80'inin jel analizinde ribozomal RNA olarak geri kazanıldığını not eder. OpenStax ribozomal RNA'nın proteine çevrilmediğini, kendisinin yapı taşı olduğunu vurgular. Bir protein geninin mesajı defalarca okunup ürünü çoğaltabilir; ribozomal RNA'da her yazım tek bir molekül verir, çoğaltma genin kendisinde yapılır.

Kesitteki koyu halkanın bir kısmı da bu kolların komşuluğundan gelir. Wikipedia'nın NOR maddesi bu bölgelerin sentromer ve kromozom ucu tarafında tekrarlı, heterokromatik dizilerin arasına sıkıştığını yazar. Sirri ekibi yoğun kromatinin nükleolusun bir bölümünü sardığını ve içine ağ gibi uzandığını anlatır. Kromatin Organizasyonu dersinde heterokromatinin nükleolus çevresine toplandığını görmüştük; Barlas'ın ekranda gördüğü, adaların arasına giren koyu kollar bu ağın kesitteki izi olarak okunabilir.

Tek öncül, üç RNA

Correll ekibine göre ribozomal DNA'yı yalnız bu işe ayrılmış bir enzim, RNA polimeraz I yazar. Ürün uzun bir öncüldür ve üç olgun RNA'yı birlikte taşır: küçük alt birimin 18S RNA'sını, büyük alt birimin 5.8S ve 28S RNA'larını. Correll ve Ponti bu öncüle 47S der; Wikipedia'nın nükleolus ve ön-ribozomal RNA maddeleri 45S adını kullanır. Wikipedia'ya göre öncülde olgun parçaların arasında ve iki ucunda, sonradan kesilip atılan ara diziler bulunur. Kesim basamaklarını RNA İşlenmesi dersi, polimerazın kendisini RNA Polimerazlar dersi işleyecek.

Dördüncü RNA başka yerden gelir. Correll ekibi ile Wikipedia 5S RNA'nın ayrı bir genden ve nükleolusun dışında yazıldığını belirtir; Ponti ile birlikte üç kaynak da bu yazımı RNA polimeraz III'e verir.

Proteinler ise çok daha uzun bir yol yürür. Wikipedia'nın nükleolus maddesine göre ribozom proteinlerinin genleri sıradan bir yolla yazılır: mesajları çekirdekten çıkar, sitoplazmadaki ribozomlarda proteine çevrilir, proteinler sonra çekirdeğe ve nükleolusa geri alınır. Ribozom biyogenezi maddesi de bu proteinlerin porlardan içeri taşındığını yazar. Yeni ribozomun proteinlerini eski ribozomlar yapar ve bu yol zarfı iki kez aşar: önce proteinlerin mesajı dışarı çıkar, sonra proteinin kendisi içeri girer.

Ökaryot ribozomunun 40S ve 60S alt birimlerinden kurulduğunu, iki hücre tipini karşılaştırdığımız derste görmüştük. Correll ekibi küçük alt birimde 33, büyük alt birimde 47 protein sayar; Wikipedia büyük alt birim için 46 verir. Bir ribozom kabaca seksen protein ister.

Üç doku, üç durak

Sirri ekibi elektron mikroskobundaki görüntüyü şöyle özetler: fibriler merkezler açık renkli alanlardır, çevrelerini kısmen ya da tamamen yüksek kontrastlı bir bölge, yoğun fibriler bileşen sarar ve ikisi birlikte çoğunlukla 15 ile 20 nanometrelik tanelerden oluşan granüler bileşenin içine gömülüdür. Görsel harita dersinde ribozoma 25 ile 30 nanometre vermiştik; Barlas'ın taneleri küçük kalıyor.

Sirri ekibine göre yeni yazılan RNA fibriler merkez ile yoğun fibriler bileşenin birleştiği yerde belirir ve yoğun fibriler bileşende birikir. Correll ekibi aynı sırayı bir üretim hattı gibi anlatır: yazım ortadaki bu sınırda, erken kesimler ve baz değişiklikleri yoğun fibriler bileşende, küçük ve büyük alt birimlerin öncüllerinin kurulması dıştaki granüler bileşende olur. Wikipedia yoğun fibriler bileşene rRNA işlenmesinde görevli fibrilarini, granüler bileşene de ribozom yapımında görevli nükleofosmini yerleştirir.

Zarsız ama dağılmayan

Hücresel Bölmelendirme dersinde zarsız bölmelere biyomoleküler kondensat demiş, oluşumlarının faz ayrışmasına benzetildiğini görmüştük. Nükleolus bu fikrin öne çıkan örneklerindendir. Brangwynne, Mitchison ve Hyman 2011'de PNAS'ta, kurbağa oositinin çekirdeğindeki nükleolusların RNA ve proteinden oluşan sıvı damlaları gibi davrandığını bildirdi: bir dakikadan kısa sürede akıyor, bastırılınca yeniden küreye dönüyor ve kendiliğinden birleşiyorlardı. Aynı çalışma bu akışkanlığın ATP'ye bağlı olduğunu gösterdi.

Feric ekibi 2016'da Cell'de, yine kurbağa oositinde, yoğun fibriler bileşenin proteini fibrilarin ile granüler bileşenin proteini nükleofosminin karışmayan iki ayrı sıvı faz kurduğunu gösterdi. Fibrilarin damlasının yüzey gerilimi daha yüksekti ve bu yüzden nükleofosmin damlasının içinde kalıyordu. Arıtılmış iki protein deney tüpünde de benzer katmanlı damlalar oluşturdu. Yüzey Gerilimi dersinde yüzeyi büyütmenin enerji istediğini görmüştük; katmanların iç içe dizilişi de bu bedelin en düşük tutulduğu düzendir. Zar Akışkanlığı dersinde kullandığımız FRAP ölçümü de aynı çalışmada nükleofosminin söndürülen bölgeye bir dakika dolayında, neredeyse tamamen geri döndüğünü gösterdi. Correll ekibi nükleolusu bu bulgular üzerine çok fazlı bir kondensat olarak anlatır.

Büyüyen hücrenin nükleolusu

Nükleolusun boyu hücrenin işine göre değişir. Sirri ekibi nükleolusun bölünen hücrelerde belirgin, lenfosit ya da tavuk alyuvarı gibi son farklılaşma evresindeki hücrelerde ise küçük olduğunu yazar. Correll ekibi hızla çoğalan hücrelerin daha fazla ribozoma dayandığını anlatır.

OpenStax'e göre nükleolus profazda dağılır; Sirri ekibi memeli hücrelerinde mitozun sonunda, NOR'larda yazım yeniden başlarken toparlandığını yazar. Ayrıntısı Mitoz dersine kalıyor.

Derlemeler ribozom yapımındaki kalıtsal kusurların bir grup nadir kemik iliği hastalığıyla ilişkili olduğunu ve iri nükleolusun patolojide tümör hücrelerinin sitolojik bir işareti sayıldığını aktarır; tanı ve tedavi bu anlatının konusu değildir.

Kaç ribozom, kaç geçiş

BioNumbers'ta HeLa hücresi için iki kayıt vardır: ribozomları doğrudan çöktürerek ölçen bir çalışma hücre başına yaklaşık 3,3 milyon, RNA içeriğinden hesaplayan başka bir çalışma yaklaşık 9,5 milyon ribozom bulmuştur. Bir hücrenin günde bir kez bölündüğünü varsayalım. Bölünmeden önce ribozomlarını ikiye katlaması gerekir. Bir günde 24 × 60 = 1440 dakika vardır: 3,3 milyon ÷ 1440 ≈ 2300, 9,5 milyon ÷ 1440 ≈ 6600; dakikada bu kadar ribozom gerekir. Her ribozom iki alt birimden kurulduğu için bu, dakikada 4600 ile 13.200 arasında alt birim demektir. Correll ekibinin büyüyen bir HeLa hücresi için verdiği dakikada yaklaşık 7500 alt birim bu aralığın içine düşer.

Şimdi bu hızı Barlas'ın çekirdeğine taşıyalım. Dakikada 7500 alt birim, saniyede 7500 ÷ 60 = 125 eder. Nükleer Por Kompleksi dersinde bu çekirdeğe 3000 por vermiştik: 125 ÷ 3000 ≈ 0,04, yani her por ortalama yirmi dört saniyede bir alt birim geçirir. Aynı derste por başına saniyede bin geçişe varabilen bir hız görmüştük; alt birimler tek tek iri yüklerdir, ama sayıca trafiğin küçük bir kısmıdır.

Ters yöne bakınca tablo değişir. Dakikada 7500 alt birim 3750 ribozom eder; her biri seksen dolayında protein isterse 3750 × 80 = 300.000 protein çekirdeğe girmelidir. Bu saniyede 5000, por başına saniyede 1,7 eder. Dışarı çıkan her alt birime karşılık kırk protein içeri girer.

Defterde iki ok

Barlas defterine iç içe üç halka çiziyor: ortada soluk ada, çevresinde koyu kuşak, dışta noktalı bir kütle. Halkaların yanına "yaz, kes, kur" yazıyor, dış kenara da "zar yok, yüzey gerilimi var". Sayfanın kenarına çekirdeğin zarfını, zarfın üstüne iki ok ekliyor. İçeri bakan okun yanında "saniyede 5000 protein", dışarı bakanın yanında "125 alt birim, her por 24 saniyede bir".

Meliha Hanım okların ikisinin de aynı kapılardan geçtiğine işaret ediyor. "Kapı aynı, yön ters," diyor. "Çarşamba bu karışıklığın nasıl önlendiğine bakacağız."

Kendini sına

1. Nükleolus düzenleyici bölgeler insanda hangi kromozomlardadır ve diploit bir hücrede neden on tane sayılır?
2. Ribozomal RNA genleri neden yüzlerce kopya hâlinde bulunur? Cevabını bir protein geninin mesajıyla karşılaştırarak kur.
3. Kesitte soluk bir ada, onu saran koyu bir kuşak ve dışta taneli bir kütle görüyorsun. Bu üç bölgeyi yazım, erken işleme ve kurulma adımlarıyla eşleştir.
4. İki bölünme arası 36 saat olan ve 6 milyon ribozom taşıyan bir hücre, dakikada kaç ribozom kurmalıdır? Kaç alt birim eder?
5. Nükleolusun çok fazlı bir sıvı olduğunu savunan iki gözlemi yaz. Bu gözlemler bir memeli fibroblastı için neden doğrudan kanıt sayılmaz?

Bir sonraki derse köprü

Aynı porlardan saniyede binlerce ribozom proteini içeri girerken yüzlerce alt birim dışarı çıkıyor. Sıradaki Nükleer Taşınım dersinin sorusu bu: importin ve eksportin adlı taşıyıcılar yükün içeri mi dışarı mı gideceğini, proteinin taşıdığı giriş sinyalinden (NLS) ya da çıkış sinyalinden (NES) nasıl tanır ve Ran-GTP'nin zarfın iki yanındaki farkı geçişin yönünü nasıl belirler?