ER Stresi ve Hastalık

Çarşamba, üç dosya

Aralığın üçüncü haftası, çarşamba. Ediz laboratuvara girdiğinde etüvün kapağı kapalı, masada jel yok; yerlerine üç karton dosya dizilmiş. Sırtlarında Suzan Hanım'ın el yazısı: «Hücre», «Fare», «İnsan». Pazartesi adacık jelini kaldırıp sorduğu sorunun cevabını bu kez bir deneyle değil, okumayla arıyor.

"Proinsülin yükü ER'yi aşarsa ne olur, bunu kendi kabımızda da gösterebiliriz," diyor. "Ama asıl mesele, gösterdiğimizin kime ait olduğu. Üç dosyada aynı soru var. Hangi dosyanın hangi soruya cevap verebildiğini sen söyleyeceksin."

Vaka — Birinci sahne

Ediz «Hücre» dosyasını açıyor. Wicksteed ve arkadaşlarının 2003 çalışmasına göre izole adacıklarda glukoz yükselince proinsülin yapımı ilk bir saatte yalnızca çeviri düzeyinde, yaklaşık altı kat artar; uyarı uzarsa mesajın kendisi de çoğalır ve artış on katı bulur. Hassler ile arkadaşlarının 2015 makalesi de beta hücresinin glukoz sonrasında proinsülin yapımını on kata kadar çıkarabildiğini yazar ve bunu, erişkin birincil beta hücrelerinde IRE1α'nın XBP1 mesajını kesmesine bağlar.

Katlanmamış protein yanıtını işlediğimiz gün kurgu bir salgı hücresine dakikada 100 zincir sokmuş, bozulmuş kapasiteyi 80'de tutmuştuk. Aynı hücrenin dinlenirken dakikada 10 zincir aldığını varsayalım. Altı katlık uyarıda giriş 60'ta kalır ve 80'lik kapasitenin altında durur. On katlık uyarıda giriş 100'e varır ve her dakika 20 zincir birikmeye başlar. Pazartesi masadaki adacık hücresi, her öğünde bu sınıra yaklaşan bir hücredir.

Kolların sağlıklı bir hücrede de çalıştığı dosyada iki kez yazılı. Harding ve arkadaşları 2001'de PERK'in fare pankreasında olağan koşulda kısmen etkin olduğunu gördü. Zhang ekibi 2002'de pankreastaki fosforlu eIF2α'nın glukoz verilince hızla azaldığını buldu. Lipson ile arkadaşlarının 2006 çalışması ayrımı zamana bağlar: geçici yüksek glukoz IRE1α üzerinden insülin yapımına yardım eder, günlerce süren yüksek glukoz ise IRE1α'yı aşırı çalıştırıp insülin geninin ifadesini bastırır.

Suzan Hanım dosyanın arkasına iliştirilmiş kısa bir özeti gösteriyor. Erbel ve arkadaşları 2010'da organ bağışçılarından alınan insan adacıklarını dört hafta kültürde tuttu; ER stresi işaretleri üç hafta durağan kaldı, dördüncü haftada keskin biçimde yükseldi. Yazarlar izole adacıkla bulunan sonucun asıl pankreas dokusunda doğrulanması gerektiğini ekler. Kabın kendisi de bir stres kaynağıdır.

İkinci sahne

«Fare» dosyasının ilk sayfası Wang ve arkadaşlarının 1999 makalesi. Akita adıyla bilinen fare soyunda insülin 2 geninin iki kopyasından biri tek bir harf değişikliği taşır: olgun A zincirinin yedinci sırasındaki sistein tirozine dönmüştür. Protein katlanmasını işlediğimiz gün disülfit bağlarının kurulup düzeltildiğini görmüştük; bu sistein A ile B zincirini bağlayan köprünün bir ayağıdır. Wang ekibi elektron mikroskobunda ER lümeninin belirgin biçimde genişlediğini, salgı tanelerinin azaldığını ve proinsülinin yüksek molekül ağırlıklı öbekler kurduğunu, BiP'in de arttığını gördü.

Oyadomari ve arkadaşları 2002'de aynı farelerin pankreasında BiP ile CHOP mesajlarının yükseldiğini gösterdi. Değişik proinsülini beta hücresi hattında yaptırınca CHOP açıldı ve hücreler öldü. CHOP geni silinince, yazarlara göre, heterozigot Akita farelerinde insülin eksikliğinin başlaması haftalarca gecikti.

Dosyanın en çok altı çizilmiş cümlesi başka bir şaşırtıcı bulguyu anlatır. Wang ekibi değişmemiş genlerin mesajında belirgin bir kusur görmedi; buna karşın hücredeki proinsülin ve insülin miktarı çok düşüktü. Liu ve arkadaşlarının 2010 derlemesi, farede insülin genlerinin bir kopyasını, hatta ikinci genin iki kopyasıyla birlikte silmenin insülin eksikliği yapmadığını yazar. Leroux ekibi 2001'de iki genden birini tümüyle silinmiş farelerin beta hücresi kütlesini artırarak dengeyi koruduğunu gördü. Akita'da ise değişik tek bir kopya yetiyor.

Liu ekibinin aynı yıl PLoS One'da yayımladığı çalışma, sağlam proinsülinin değişik molekülle disülfit bağlı öbeklere çekildiğini ve bunun hücre ölümünden önce başladığını gösterdi. Sun ekibi 2020'de sağlam proinsülinin ER'de ikili kurduğunu ve bu temas yüzeyinin yanlış etkileşimin başlangıcı olabileceğini yazdı.

Farede iki insülin geni vardır, insanda tek. Liu ekibinin derlemesi bu farkın önemini açıkça işaretler. Her kopyanın eşit ölçüde okunduğunu varsayan kurgu bir hesap farkı gösteriyor. Heterozigot farede proinsülinin 1 ÷ 4 = 0,25'i değişiktir, heterozigot insanda 1 ÷ 2 = 0,5'i. Sağlam bir molekülün ER'den ancak eşi de sağlamsa çıktığını varsayalım. Farede çıkan pay 0,75 × 0,75 ≈ 0,56 olur; yalnızca gen kaybı olsaydı 0,75 olurdu. İnsanda 0,5 × 0,5 = 0,25 çıkar; beklenen 0,5'in yarısı. Aynı değişiklik iki türde farklı büyüklükte bir yük kurar.

Dosyanın sonunda PERK'siz fareler var. Harding ekibine göre bu farelerin pankreası doğumda olağan gelişir; doğumdan sonra ER şişer, hücre ölümü artar ve insülin yapan hücreler ile sindirim enzimi yapan hücreler birlikte yitirilir. Zhang ekibi 2002'de adacıkların giderek dağıldığını aynı biçimde tarif etti. Ama Zhang ekibinin 2006 çalışması tabloyu değiştirir: PERK'in yalnız ceninde ve doğumu izleyen günlerde, beta hücrelerinin çoğalıp olgunlaşması için gerektiğini, erişkin beta hücresinde silindiğinde işlevin sürdüğünü bildirir. Aynı fare üzerinde bile mekanizmanın okunuşu değişebildi.

Üçüncü sahne

«İnsan» dosyası iki bölmeli. İlk bölmede Støy ve arkadaşlarının 2007 makalesi var: yenidoğan diyabeti olan bir grup çocukta insülin geninde birbirinden farklı değişiklikler, hepsi tek kopyada. Birkaç küçük ailede değişiklik kuşaktan kuşağa hastalıkla birlikte aktarılmış, çocukların çoğunda ise anne babada bulunmayan, yeni ortaya çıkmış bir değişiklik. Yazarlar değişikliklerden birinin Akita faresindekiyle birebir aynı olduğunu yazar. Liu ekibinin derlemesi bu tabloyu, değişik insülin geninin gençlerde yol açtığı diyabet (MIDY) adı altında toplar ve proinsülinin katlanmasını bozan yanlış anlamlı değişikliklerin çoğunu bu gruba koyar.

İkinci bölmede Delépine ve arkadaşlarının 2000 makalesi: PERK'i kodlayan EIF2AK3 geninin iki kopyasında da bozuk olduğu çekinik kalıtılan nadir bir tablo, Wolcott–Rallison sendromu. Julier ile Nicolino'nun 2010 derlemesi tabloda erken başlayan insülin eksikliğinin iskelet gelişimi bozukluğuyla birlikte görüldüğünü yazar; fare dosyasındaki PERK'siz hayvanın pankreası ve kemikleri bu tabloyu yansıtır.

Dördüncü sahne

Ediz son kâğıtlara geçiyor ve cümleler değişiyor. Laybutt ve arkadaşları 2007'de tip 2 diyabetli kişilerin ölüm sonrası pankreas kesitlerinde BiP ve CHOP gibi işaretlerin adacıkta arttığını gördü. Marchetti ekibi aynı yıl ameliyatta alınan dokuda ER hacminin arttığını buldu, ama 5,5 mM glukozda tutulan adacıklarda işaretler yükselmemişti; ancak 11,1 mM glukozda bir gün bekletilen adacıklarda arttı. Yazarlar bulguyu «ılımlı» diye niteler. Brusco ve arkadaşları 2023'te canlı bağışçılardan alınan biyopsilerde ER stresinin bozulmuş insülin işlenmesiyle birlikte ilerlediğini gösterdi. İki olgunun nasıl bağlandığının belirsiz kaldığını da yazdılar. Arunagiri ekibinin 2019 çalışması, genetik olarak obez farelerde disülfit bağlı proinsülin öbeklerinin çoğaldığını ve artışın insülin eksikliğinin başlamasıyla birlikte ilerlediğini buldu.

Geriye bakış

Ediz defterine üç dosyanın cevabını yazıyor. Hücre dosyası beta hücresinin yükü nasıl okuduğunu gösterdi. Fare dosyası tek bir yanlış katlanan molekülün bir dokuyu nasıl tükettiğini, insan dosyasının ilk bölmesi de aynı molekülün insanda da yettiğini gösterdi. İkinci bölme ise bir birlikteliği bildirdi ve orada durdu. Bilimsel okuryazarlık modülünde bir başlığın yanına «kimde?» diye yazmayı öğrenmiştik; bugün aynı soru üç dosyanın sırtında yazılı.

Zincir nerede kırılabilirdi

Hücreden fareye geçişte kap kırılabilirdi: haftalarca kültürde tutulan adacık kendi stresini üretir. Fareden insana geçişte gen sayısı kırılabilirdi: iki genli fare, heterozigot insandan hafif bir yük taşır. Nadirden yaygına geçişte kırılan, nedenin kendisidir; tek-gen biçimde neden bilinir, yaygın biçimde ölçülen işaretin neden mi sonuç mu olduğu bilinmez. PERK'siz farenin 2006'da yeniden okunması da bir zincirin aynı düzey içinde bile değişebileceğini gösterdi.

Bu ders ne öğretmiyor

Üç dosyadan bir kişinin insülin eksikliği hakkında tanı, test ya da tedavi sonucu çıkmaz. Bulgular «diyabetin nedeni ER stresidir» cümlesini desteklemez. ER stresini azalttığı, katlanmaya yardım ettiği ya da beta hücresini koruduğu söylenen hiçbir takviyeye, kimyasal ürüne, açlık ya da beslenme programına bu kanıttan dayanak çıkmaz.

Kendini sına

1. Heterozigot farede değişik proinsülin payı 1 ÷ 3 olsaydı, kurgu ikili modelinde ER'den çıkan sağlam pay ne olurdu? Yalnız gen kaybıyla karşılaştır.
2. Hassler ekibi ile Wicksteed ekibinin bulguları neden hücre düzeyinde kalır? Bunları insan için bir cümleye çevirmek neyi gerektirirdi?
3. Farede bir insülin geni tümüyle silinince eksiklik doğmuyor, Akita'da tek değişik kopya yetiyor. Bu fark hangi kavramla açıklanır?
4. Marchetti ekibinin iki glukoz derişimindeki bulgusu, «ER stresi hastalığı başlatır» ve «hastalık ER stresi yaratır» yorumlarından hangisine daha çok yer bırakır?
5. PERK'siz farenin 2001 ve 2006 okumaları arasındaki fark nedir?

Modülün kapanışı

Modül bir fare pankreası kesitindeki yaprak yığınıyla başladı. Yaprakların ribozomlarından, zincirin kanaldan girişine, katlanmaya, alarm kollarına, Golgi'nin katlarına ve proinsülinin kesimine uzandı. Bugün aynı yolun bir bozukluğunu üç ayrı düzeyde okuduk; hepsinin ortak sorusu, bulgunun hangi canlıda ve hangi tasarımla elde edildiğiydi.

Bir sonraki derse köprü

ER'de katlanamayan zincir sitozola geri çekilip proteazomda yıkılıyordu. Endozomal Sistem dersi başka bir yıkım kapısını soracak: hücre yüzeyinden içeri alınmış bir alıcı sitozola hiç geçmeden nasıl yıkılır? ESCRT denen kompleksler endozom zarını içeri doğru tomurcuklandırıp çok veziküllü cismi nasıl kurar ve bir alıcının geri dönüşüme mi yıkıma mı gideceğini hangi işaret belirler?