Golgi Organizasyonu

Çekirdeğin yanındaki hilal

Cuma sabahı Suzan Hanım floresan mikroskobunun yanına iki lamel ve bir elektron baskısı bırakmış. Lamellerdeki hücreler aynı kültürden geliyor: bir Golgi enzimi yeşile, Golgi'nin giriş yüzünde oturan bir protein kırmızıya boyanmış.

Birinci lamelde her hücrenin çekirdeğinin bir yanında, çekirdeği yarıya kadar saran kalın bir hilal var. İki renk hilalde neredeyse üst üste; büyütme artınca kırmızı hilalin bir kenarına, yeşil öbür kenarına kayıyor. İkinci lamel aynı hücrelerden, ama kaplara birkaç saat önce mikrotübülleri söken bir kimyasal eklenmiş. Hilal kaybolmuş. Sitoplazmanın her yanına küçük noktalar serpilmiş ve her noktada iki renk yine yan yana duruyor. Ediz tek bir hücrede noktaları kalemle işaretleyip 64'e varıyor.

Baskı pankreasın salgı hücresinden ve sanki bu noktalardan birinin içini gösteriyor: altı yassı kese üst üste dizilmiş, hafifçe kavislenmiş. Keselerin ortası incecik, kenarları şişkin ve çevrelerinde küçük yuvarlak kesitler var. Yığının bir ucundan ince bir boru komşu yığına uzanıyor, öbür ucunda iri ve koyu taneler birikmiş.

"Çarşamba ATF6'nın okunu Golgi'de bitirmiştik," diyor Ediz. "Orayı tek bir oda sanıyordum. İkinci lamelde altmış dört oda var."

Bu derste ne olacak

Baskıdaki yığına ad verip yığınların hilalde nasıl birleştiğini, ikinci lamelde neden dağıldığını ve onları neyin tuttuğunu izleyeceğiz. Enzimlerin dizilişini okuduktan sonra bölünmedeki paylaşımı hesaplayıp ATF6'nın kesildiği bölmeye döneceğiz.

Metin

Üst üste keseler

Camillo Golgi bu yapıyı 1898'de sinir hücrelerinde gördü ve iç ağsı aygıt diye adlandırdı; Wikipedia'nın Golgi aygıtı ve Camillo Golgi maddeleri ile Klumperman'ın 2011 derlemesi yılı aynı verir. NobelPrize.org ve Wikipedia, Golgi'nin sinir sisteminin yapısı üzerine çalışmaları için 1906'da fizyoloji ya da tıp dalındaki Nobel'i Santiago Ramón y Cajal ile paylaştığını yazar.

Görsel haritada cis ve trans yüzlerini tek bir kavisli kese çiziminde adlandırmıştık. Sisterna sayısı hücreye göre değişir: Wikipedia'nın Golgi maddesi dört ile sekiz, Huang ile Wang'ın 2017 derlemesi beş ile sekiz verir. Klumperman memeli hücrelerinde dört ile on bir arasında değişen sayının her hücre tipine özgü olduğunu yazar. Ediz'in altı katı üç aralığın da içine düşer. Klumperman sisternanın orta kısmının 10–20 nanometre kadar dar, kenarlarının ise genişlemiş olduğunu da not eder; baskıdaki kabarık kenarlar bu farkın izidir.

Yığının iki yanı ağlarla çevrilidir. Klumperman'a göre cis tarafında kesecik ve borucuklardan oluşan kümeler ER ile yığın arasında bir ara istasyon kurar; trans tarafında Veziküler Trafik dersinde tanıdığımız trans-Golgi ağı durur.

Hilalin kuruluşu

Klumperman şeridi, yığınları yanlardan birleştiren, dallanıp yeniden kavuşan bir borucuk ağıyla tanımlar ve onu çoğunlukla çekirdek çevresinde, mikrotübül düzenleme merkezinin etrafında gösterir. Wikipedia tipik bir memeli hücresinde 40 ile 100 yığın bulunduğunu yazar; Huang ile Wang düzinelerce yığının yan yana bağlandığından söz eder. Ediz'in saydığı 64 nokta bu aralıkta kalır.

Hilalin yerini mikrotübüller belirler. Mikrotübüller dersinde Goodson ile Jonasson'ın Golgi zarlarını düzenleme merkezinin yakınında gösterdiğini okumuştuk; ipliklerin eksi uçları oradaydı. Moleküler Motorlar dersinde de eksi uca yürüyen motorun dinein olduğunu öğrenmiştik. Corthésy-Theulaz, Pauloin ve Pfeffer 1992'de zarı delikli hücrelere eklenen Golgi zarlarının sentrozom yanında toplanması için ATP, sağlam mikrotübül ve dinein gerektiğini gösterdiler. Wei ile Seemann'ın 2010 derlemesi de yığınları çekirdek çevresine taşıyan motoru dinein olarak anar.

İkinci lamel bu düzenin çözülüşünü gösteriyor. Wei ile Seemann'a göre mikrotübülleri söken bir kimyasal şeridi sitoplazmaya dağılmış çok sayıda küçük yığına, ministaklara çevirir; Wikipedia da iplikler söküldüğünde yığınların bağlantılarını yitirip tek tek kaldığını yazar. Cole ile arkadaşları 1996'da dağılmanın rastgele olmadığını gördüler: Golgi bileşenleri ER'den protein çıkışının olduğu çevre noktalarında toplandı ve yığınlar orada birkaç saat içinde yeniden kuruldu. Ediz'in noktaları da gelişigüzel değil, ER çıkış yerlerinin yanında olmalı.

Şerit her canlıda bulunmaz. Wikipedia'ya göre bitkilerde yığınlar sentrozom bölgesinde toplanmaz, şerit kurmaz ve düzenleri mikrotübüle değil aktine dayanır; Wei ile Seemann da bitkilerde, mantarlarda ve omurgasızlarda yığınların sitoplazmaya dağılmış durduğunu yazar. İki kaynağa göre Pichia pastoris mayası yığın kurar; ekmek mayasında ise Klumperman'a göre Golgi saçılmış tek tek sisternalardan oluşur.

Yığını tutan iplikler

Yığınları ve şeridi, Golgi'nin sitozol yüzünü kaplayan uzun proteinler bir arada tutar.

Ara Filamentler dersinde sarmal sarmalı iki α-sarmalın halat gibi dolanması olarak tanımlamıştık. Munro'nun 2011 derlemesine göre 500 kalıntılık bir sarmal sarmal yaklaşık 75 nanometre uzunluğundadır; golginler bu yüzden yüz ile dört yüz nanometre arasında uzanabilir. Witkos ile Lowe'un 2016 derlemesi aralığı golgine göre 100 ile 600 nanometre verir.

Munro'nun oranı 75 ÷ 500 = 0,15 nanometre eder. Zar proteinlerini işlerken yağlı çekirdeği boydan boya aşan sarmal için de bu adımı kullanmıştık. Bu adımla 400 nanometrelik bir golgin yaklaşık 2700 kalıntılık bir sarmal sarmal ister. Veziküler Trafik dersinde COPII keseciklerini 60–90 nanometre bulmuştuk; ortadan 70 alırsak 400 ÷ 70 ≈ 5,7 kesecik çapı eder. Golgin, yığının yüzeyinden keseciklerin arasına atılmış uzun bir olta gibidir. Witkos ile Lowe farklı golgin çiftlerinin COPI keseciklerinin farklı alt topluluklarını yakaladığını aktarır.

Munro'ya göre golginler cis yüzünde, yığın kenarlarında ve trans yüzünde ayrı takımlar hâlinde yerleşir; cis tarafındakilerden biri GM130'dur. Katları birbirine yapıştıran başka bir ailedir. Huang ile Wang'a göre GRASP65 çoğunlukla cis'te, GRASP55 medial ve trans sisternalarda oturur; komşu iki sisternadaki moleküller birbirine tutunur. GRASP65'in Wikipedia maddesi de bu proteinin yığın yapısını kurduğunu ve omurgalı hücrelerinde yığınları şeride bağladığını yazar. Klumperman, GRASP65 ya da GM130 azaltıldığında şeridin bozulduğunu aktarır.

Enzimlerin sırası

Birinci lamelde iki rengin hafifçe ayrışması bir sıranın izidir. Stanley'nin 2011 derlemesine göre Golgi zarları glikoziltransferazlar, glikozidazlar ve şeker taşıyıcılarıyla cis'ten trans-Golgi ağına doğru genel olarak sıralı biçimde donanmıştır ve her enzim bir önceki basamağın ürününü işler. Wikipedia sırayı bölmelere dağıtır: cis sisternalarında mannoz kırpılır, medialde kırpma sürerken N-asetilglukozamin eklenir, trans sisternalarında galaktoz ve siyalik asit eklenir.

Rabouille ile arkadaşları 1995'te HeLa hücrelerinin ince kesitlerinde N-asetilglukozamini ekleyen ilk transferazın ve bir mannozidazın medial ve trans sisternaları birlikte kapladığını, galaktozil ve siyalil transferazların ise trans sisternada ve trans-Golgi ağında durduğunu buldular. Dağılımlar örtüşür ve her bölme kendine özgü bir enzim karışımı taşır. Wikipedia'ya göre bu enzimler ER'nin lümende yüzen çözünür enzimlerinden farklı olarak zar yüzeyine çapalıdır.

Sisternalar olgunlaşarak ilerliyorsa eğim nasıl korunur? Veziküler Trafik dersindeki sisternal olgunlaşma modelinde Golgi'nin kendi enzimlerinin COPI kesecikleriyle geriye, daha genç sisternalara taşındığını görmüştük. Wikipedia farklı enzimlerin farklı geri dönüş düzenlerinin yığın boyunca değişen kimyayı açıklayabileceğini yazar. Yük ileri akarken enzim akıntıya karşı yüzer ve yerinde duruyor görünür.

İkinci lamel bir soruyu da cevaplar. Wei ile Seemann zar taşımacılığının şeride gerek duymadığını yazar; Gosavi ile Gleeson'un 2017 derlemesi de şerit yapısının Golgi'nin klasik işlevleri için gerekli olmadığını söyler. Cole ekibi dağılmış öğelerin işlevli birimler olarak kaldığını gördü: yükün işlenmesi, enzimler çevredeki yeni yığınlara yerleşene dek azaldı, sonra olağan düzeyine döndü.

Bölünmede paylaşım

Tek bir şerit iki hücreye nasıl bölünür? Huang ile Wang mitozun başında şeridin sırayla çözüldüğünü, sisternaların birbirinden ayrıldığını ve zarların kesecik ile borucuklara parçalanıp sitoplazmaya dağıldığını yazar. Corthésy-Theulaz ekibi de Golgi'nin mitozda küçük keseciklere ayrıldığını ve telofazda sentrozom yanında yeniden toplandığını anlatır. Nükleer Zarf dersinde laminanın fosfat eklenerek söküldüğünü görmüştük. Golgi'de de düğme aynıdır: Huang ile Wang bölünme kinazlarının GRASP65'i ve GM130'u fosforlayarak yapıştırmayı ve kesecik bağlamayı çözdüğünü yazar, Munro ile Witkos ve Lowe da golginlerin mitozda fosforlandığını aktarır.

Parçalanmanın bir yararı sayıyla görülür. Hücre 64 yığının her biri için yazı tura atsaydı, binom dağılımını işlediğimiz derste kurduğumuz formülle yavrulardan birine ortalama 32 yığın düşerdi. Standart sapma √(64 × ½ × ½) = 4 olurdu; bu, 32'nin yüzde 12,5'i, yani 1 ÷ √64'tür. Aynı zar 6400 parçaya bölünseydi ortalama 3200, sapma √1600 = 40, göreli sapma yüzde 1,25 olurdu. Parça sayısı yüz katına çıkınca göreli sapma on kat küçülür. Huang ile Wang da Witkos ile Lowe da parçalanmanın zarın iki yavruya eşit paylaşımını kolaylaştırdığını yazar.

Hücre işi yazı turaya bırakmaz. Shima ile arkadaşları 1997'de canlı HeLa hücrelerinde Golgi parçalarının paylaştırılma doğruluğunun rastlantısal bir süreçten beklenenin üstünde olduğunu ölçtüler. Wei ile Seemann parçaların iğ kutuplarında toplandığını aktarır; paylaşım bölünme iğine bağlanmıştır. Yavru hücrede fosfatlar söküldükçe sisternalar yeniden kaynaşır, yığılır ve şerit geri kurulur. İğin kendisi Mitoz dersinde işlenecek.

Golgin genlerindeki bazı değişiklikler ve Golgi'nin parçalanması bazı hastalıklarla ilişkilendirilmiştir; bu bağ bu anlatının dışında kalır.

Kesimin yapıldığı bölme

Çarşamba ATF6'nın ER'den Golgi'ye taşınıp orada S1P ve S2P adlı iki proteazla kesildiğini okumuştuk. Yolculuğun nasıl başladığını Shen ile arkadaşlarının 2002 çalışması gösterir. Stressiz hücrede BiP ATF6'ya bağlıdır ve proteindeki iki Golgi yerleşim dizisini örter; stres BiP'i katlanmamış zincirlere çekince diziler açığa çıkar ve ATF6 Golgi'ye taşınır. BiP'in bağlanma yerleri silinmiş bir ATF6 stres olmadan da Golgi'ye gitti. Wikipedia'nın S1P maddesi bu proteazın ER'den ayrıldıktan sonra Golgi'de etkin hâle geldiğini yazar. Kesen enzimle kesilecek protein farklı bölmelerde tutulduğu sürece haberci susar; sinyal, ATF6'nın yer değiştirmesidir.

Defterdeki şerit

Ediz defterine solda çekirdeğe yaslanmış bir hilal ("40–100 yığın, dinein"), sağda dağınık noktalar ("64 · ER çıkışı · hâlâ işliyor") çiziyor. Altlarına altı katlı bir yığın koyuyor: en alta "cis · mannoz ↓", ortaya "medial · GlcNAc", üste "trans · galaktoz, siyalik asit". Dibe "64 → 32 ± 4 · 6400 → 3200 ± 40" ekliyor.

Suzan Hanım baskıda trans yüzünün ucunda biriken koyu tanelere kalemle dokunuyor. "Enzimlerin hangi katta oturduğunu yazdın. Yükün o katlardan geçerken neye dönüştüğünü yazmadın. Üstelik bu kapıdan çıkanın bir kısmı bu tanelerde bekliyor, bir kısmı beklemeden zara gidiyor. Ayrımı kim yapıyor?"

Kendini sına

1. Bir hücrenin 100 yığını rastgele paylaştırılsaydı yavru başına ortalama ve standart sapma kaç olurdu? 16 yığınlı bir hücrede göreli sapma nasıl değişirdi?
2. 600 nanometrelik bir golgin, kalıntı başına 0,15 nanometreyle kaç kalıntılık bir sarmal sarmal gerektirir? Bu boy 70 nanometrelik kaç kesecik çapına denk gelir?
3. Dineini çalışmayan bir hücrede birinci lamelin hilali nasıl görünürdü? Neden?
4. İkinci lamelde her noktada kırmızı ve yeşil neden yine yan yana görünür? Bu, ministakların işlevi hakkında ne düşündürür?
5. GRASP65 ile GRASP55'i birlikte kaldırılmış hücrelerde kırpılmış şeker zincirlerinin artması neden "Golgi'nin biçimi önemsizdir" diye okunamaz?

Bir sonraki derse köprü

Protein Modifikasyonu ve Sınıflandırma dersi yığının içinden geçen yüke bakacak. Mannozdan zengin bir N-glikan hangi basamaklarla kompleks bir dala dönüşür? Şekerin serin ya da treonine bağlandığı O-glikozilasyon neden Golgi'de başlar? Bazı salgı proteinleri Golgi'den geçerken neden kesilerek olgunlaşır? Trans-Golgi ağındaki bir yük zimojen granülünde bekleyen düzenlenmiş salgıya mı, beklemeden zara giden sürekli salgıya mı ayrılır ve bu ayrımı ne belirler?