Peroksizom–Mitokondri İletişimi

Yeşil noktalar, kırmızı ağ

Çarşamba, ocağın dördüncü haftası. Pazartesinin küvetleri yıkanmış, floresan ekranın önünde dört kültür kabı sırada bekliyor. Hücrelerin peroksizomları, ucunda Peroksizom Yapısı dersinden tanıdık üç harfli sinyali taşıyan yeşil bir proteinle işaretli; mitokondrileri ise zar gerilimine göre birikip kırmızı parlayan bir boyayla boyanmış.

Olağan kapta yeşil noktalar kırmızı ipliklerin arasında kıpırdıyor. Eren iki dakikalık kaydı geri sarıyor: bazı noktalar bir ipliğe yanaşıyor, saniyelerce orada duruyor, sonra uzaklaşıyor. Mihriban Hanım üç kaba daha işaret ediyor. Onlarda bölünmeye katılan üç proteinden biri, Drp1, Mff ya da Fis1, iki gün önce susturulmuş.

Drp1'i susturulan kapta tablo değişmiş. Olağan kapta dört yüz dolayında sayılan yeşil noktanın yerinde ancak kırk kadar uzun yeşil ip kalmış; kırmızı iplikler de kopmadan birbirine bağlanıp tek bir ağ örmüş. Mff kabı neredeyse aynı. Fis1 kabında ise noktaların çoğu yerinde, arada yalnız birkaç kısa çubuk var. "Peroksizomu bölen makas mitokondriyi de bölüyor," diyor Eren.

Öğleden sonra tezgâh değişiyor. Geçen haftanın ucu işaretli heksakozanoik asidi bu kez iki düzende deneniyor. Yalnız peroksizom kesri olan tüpte işaret suda çözünen kısa parçalara geçiyor, karbondioksit tuzağı boş kalıyor. Peroksizom ve mitokondri kesrinin karnitinle birlikte konduğu tüpte tuzak doluyor; karnitinsiz eşinde ise belirgin biçimde daha az.

Mekanizma

Yarıda bırakılan zincir

Heksakozanoik asidin yıkımını izlediğimiz derste peroksizomun yirmi altı karbonlu zinciri sekiz karbona kadar dokuz turda kısalttığını ve işi bitiremediğini görmüştük. Eren'in öğleden sonraki iki tüpü bunun sonucunu gösteriyor: karbondioksit ancak mitokondri devreye girince çıkıyor.

Ürünlerin organelden nasıl ayrıldığını Westin, Hunt ve Alexson 2008'de farede inceledi. Peroksizomda iki ayrı çıkış sistemi bulunur. İki karbonlu birimi asetiltransferaz, sekiz karbon dolayındaki zinciri oktanoiltransferaz karnitine aktarır; açil-KoA tiyoesterazları ise KoA'yı koparıp serbest yağ asidi bırakır. İki sistemin enzimleri farklı dokularda ağırlık kazanır; yazarlar bunları birbirinin rakibi değil, tamamlayıcısı olarak yorumlar. Antonenkov ile Hiltunen'in 2012 derlemesi de β-oksidasyon ürünlerinin karnitin asiltransferazları ve tiyoesterazlar gibi peroksizom enzimleriyle işlendiğini yazar.

Eren'in molekülünün bütçesi şöyle: dokuz turda dokuz asetil-KoA ayrıldı, geriye bir oktanoil-KoA kaldı. Hepsi karnitin esteri olarak çıkarsa organel 9 + 1 = 10 ester bırakır. Yirmi altı karbonun 18 ÷ 26 ≈ 0,69'u iki karbonluk birimlerle, 8 ÷ 26 ≈ 0,31'i tek bir orta zincirle yola çıkar. Westin ekibine göre iki karbonluk birimlerin bir kısmı asetat olarak da ayrılabilir; hangi biçimin ağır bastığı dokuya göre değişir.

Geri dönmesi gereken NADH

Aynı dokuz tur dokuz NADH da bıraktı. Peroksizom kendi NAD⁺ stokunu yenilemezse ikinci adım durur. Baumgart ve arkadaşları 1996'da sıçan karaciğerinde laktat dehidrogenazın peroksizom matriksinde gerçek bir yerleşik enzim olarak bulunduğunu gösterdi; ilaçla β-oksidasyon enzimleri artırıldığında bu enzim de artıyordu. Yazarlar bundan, NADH'nin piruvatı laktata indirgeyerek yeniden yükseltgendiği sonucunu çıkardı. Fransen, Lismont ve Walton'ın 2017 derlemesi, laktat–piruvat ve dihidroksiaseton fosfat–gliserol-3-fosfat mekikleri için "bazı kanıtlar" bulunduğunu yazar. Bu öneriye göre her tur bir laktat çıkarır; Eren'in molekülü için dokuz.

Mekiğin kapısı ise bilinmiyor. Aynı derleme, bu küçük moleküllerin peroksizom zarını seçici olmayan bir gözenekten mi, yoksa laktat için bilinen taşıyıcılardan mı geçtiğinin henüz belli olmadığını not eder.

Aynı makas

Drp1, Fransen ekibinin tarifiyle çoğunlukla sitozolde bekleyen büyük bir GTPazdır. Bir organelin zarına çağrılınca orada sarmal bir halka kurar ve GTP'yi yıkarak zarı boğup koparır. Mitofaji dersinde onu mitokondriyi bölen protein olarak tanımıştık; Peroksizom Yapısı dersinde peroksizomun çoğalmasına katıldığını da anmıştık. Burada sorulan, bu ortaklığın nasıl kanıtlandığı.

Koch ve arkadaşları 2003'te işlevsiz bir Drp1 biçimi verdikleri hücrelerde peroksizomların boru gibi uzadığını ve bölünmenin durduğunu gördü; aynı yıl Li ile Gould, Drp1'i susturunca peroksizom sayısının çarpıcı biçimde düştüğünü bildirdi. Proteini zara çağıran bağlayıcılar da ortaktır. Koch ekibi 2005'te Fis1'in iki organelin zarına aynı kuyruktan tutunduğunu gösterdi. Gandre-Babbe ile van der Bliek 2008'de Mff'yi buldu: Mff'si susturulan hücrelerde mitokondriler kapalı bir ağ kurdu, peroksizomlar da bölünemedi.

Organele özgü parçalar da var. Subramani ve arkadaşlarının 2023 derlemesi, MiD49 ve MiD51 adlı bağlayıcıların Drp1'i yalnız mitokondriye çağırdığını yazar. Aynı derlemeye göre insan hücrelerinde iki organeli uzatan Mff kaybıdır, Fis1 kaybı değil; bu yüzden Mff ana bağlayıcı sayılır. Eren'in hafif değişen Fis1 kabı bu tabloya uyar, Koch ekibinin 2005 bulgusu ise uymaz.

Drp1 kabındaki ipleri hesaplayalım. Peroksizom Yapısı dersindeki kurgu hücrede 400 peroksizom, 0,5 mikrometre çapındaydı; ekranda 400 ÷ 40 = 10, yani her ip on peroksizomun hacmini taşıyor. Uçlarını yok sayıp aynı çapta bir boru düşünelim. Tek peroksizom ≈ 0,065 µm³ tutar (yarıçap 0,25); on tanesinin toplamı π × 0,25² kesitine bölünürse boru boyu ≈ 3,3 mikrometre çıkar. Borunun yan yüzeyi 2 × π × 0,25 × 3,3 ≈ 5,2 µm², on ayrı kürenin yüzeyi ise 10 × 4 × π × 0,25² ≈ 7,9 µm². İp on küreye ayrılacaksa zarının 7,9 ÷ 5,2 ≈ 1,5 katına çıkması gerekir. Makas tek başına yetmez; zar bir yerden lipit almalı.

Zar zara

Lipit, kesecik beklemeden komşu zardan gelebilir. Böyle buluşma yerlerine temas noktası denir. Costello ve arkadaşları 2017'de peroksizom zarındaki ACBD5'in ER'deki VAPB'ye bağlanarak iki organeli birbirine tutturduğunu gösterdi; bağ koparılınca peroksizom zarının genişlemesi bozuldu. Subramani ekibi, Drp1'i olmayan peroksizomların uzayabilmesi için de ACBD5 ve VAP proteinlerinin gerektiğini aktarır. Eren'in uzun ipleri bu yüzden ER'den beslenen zarlar olarak okunabilir.

Peroksizom ile mitokondri arasındaki temas daha az çalışıldı. Mayada, Fransen ve Subramani ekiplerinin aktardığı bulgulara göre, peroksizom zarındaki Pex11, ER'yi mitokondriye bağlayan bir kompleksin Mdm34 adlı alt birimine tutunur. Memelide Fan ve arkadaşları 2016'da, daha önce iki organel arasında doğrudan temasa ikna edici bir kanıt bulunmadığını belirterek, Leydig hücrelerinde hormon uyarısıyla peroksizomların mitokondriye yanaştığını gösterdi; temasta ACBD2/ECI2 adlı proteinin bir biçimi, peroksizomun alıcısı PEX5 ve mitokondrinin dış zar alıcısı TOM20 rol alıyordu. Fransen ekibi bu proteinin bir ucunda mitokondri, öbür ucunda peroksizom sinyali taşıdığını not eder.

Mitokondriden kopan kesecikler

Neuspiel ve arkadaşları 2008'de mitokondrinin dış zarından, Drp1'den bağımsız olarak küçük keseciklerin ayrıldığını buldu. MAPL adlı bir zar proteinini taşıyan kesecikler peroksizomların bir alt kümesiyle kaynaştı; TOM20 taşıyanlar kaynaşmadı. Kesecik içeriğini seçiyordu.

Sugiura ve arkadaşları 2017'de bir adım ileri gitti. Peroksizomu hiç olmayan hasta fibroblastlarında yeni peroksizomların doğuşunu izlediler: peroksin PEX3 ve PEX14 önce mitokondriye gitti, oradan keseciklerle ayrıldı; bu ön yapılar ER'den gelen, PEX16 taşıyan keseciklerle kaynaşınca alım yeteneği tamamlandı. Peroksizom Yapısı dersinde ER'den yeniden doğuşun ne ölçüde çalıştığının tartışmalı olduğunu görmüştük; bu bulgu tartışmaya üçüncü bir kaynak ekledi.

Peroksit sınırı geçer

Hidrojen Peroksit Metabolizması dersinde katalaz durdurulunca peroksidin sitozole taştığını görmüştük. Ivashchenko ve arkadaşları 2011'de peroksizom matriksine yollanan redoksa duyarlı bir floresan proteinle aynı soruyu iki organel için sordu. Katalazı eksik hücrelerde ve peroksizomun içinde fazladan oksitleyici üretildiğinde mitokondrinin redoks dengesi de bozuldu. Ters yönde ise peroksizomlar başka bölmelerden gelen strese büyük ölçüde dayandı; onları etkileyen, kendi içlerinde doğan yüktü. Walton ile Pizzitelli 2012'de insan fibroblastlarında katalazı geri dönüşsüz kapatan bir maddeyle aynı yönde sonuç aldı: bir gün içinde mitokondrideki oksitleyiciler arttı, sitrik asit döngüsü enzimi akonitazın etkinliği düştü ve iç zar gerilimi azaldı.

Ayrı köken, ortak iş

Peroksizom Yapısı dersinde iki organelin ayrı tarihler taşıdığını görmüştük: mitokondri içeri alınmış bir bakteriden gelir ve genomunu korur, peroksizomun bütün proteinleri ise çekirdekte kodlanır. Subramani ekibi iki organelin evrimsel kökeninin farklı olduğunu, bölünme makinesinin ise ortak olduğunu yazar; bu ortaklığın bir ata izi mi yoksa yalnız işlevsel yakınlığın sonucu mu olduğu açıktır. Memeli hücresinin yağ asidi işini iki organele bölüştürmesi de bu yakınlığı açıklayan adaylardan biridir.

Modelin sınırı

• Fis1'in payı çelişkilidir: Koch ekibi Fis1 susturulunca peroksizomların uzadığını, Subramani ekibinin aktardığı çalışmalar ise iki organeli asıl uzatanın Mff kaybı olduğunu bildirir.
• Mitokondri keseciklerinin peroksizom kuruluşuna katkısı peroksizomsuz hasta hücrelerinde gösterildi; olağan hücrede bu yolun payı bilinmiyor.
• Memelide peroksizom–mitokondri teması esas olarak Leydig hücre hatlarında tanımlandı; başka dokularda hangi proteinlerle kurulduğu açık değil.
• NADH mekiklerinin kanıtı dolaylıdır: matriksteki enzim gösterildi, mekiğin zardaki geçidi gösterilmedi.
• Boru hesabı uçları ve zarın kıvrımını yok sayar; gerçek bir ipin yüzeyi biraz daha büyüktür.

Bu ders neyi göstermiyor

• Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler.
• İki organelin birbirine bağlı çalışması, "mitokondriyi ve peroksizomu birlikte destekleyen" ya da "hücre enerjisini artıran" diye sunulan takviyelerin bir kişide işe yaradığını göstermez.
• Ortak bölünme proteinlerindeki kalıtsal değişiklikler iki organeli birlikte etkileyen nadir ve ağır gelişim bozukluklarıyla ilişkilendirilmiştir; tanı ve bakım bu sayfanın konusu değildir.

Tuzak dolunca

Eren karbondioksit tuzağının sayımını defterin sol yarısına, ekran görüntülerini sağ yarısına yapıştırıyor. Ortaya bir ok çiziyor: "C26 → 9 asetil + C8 → 10 ester, 9 laktat." Altına "400 ÷ 40 = 10 · ip ≈ 3,3 µm · zar ×1,5" ve "Drp1 + Mff + (Fis1?) = ortak makas" ekliyor. Fis1'in adını kurşun kalemle, ötekileri mürekkeple yazıyor.

Mihriban Hanım Drp1 kabını inkübatöre geri götürüyor. "Bu ortaklık bozulunca iki organel birlikte zorlanıyor," diyor. "Peroksizom hiç kurulamazsa ne olur? Cuma bunu soracağız."

Kendini sına

1. Peroksizom yirmi iki karbonlu bir zinciri sekiz karbona indirirse kaç karnitin esteri çıkar? Karbonların ne kadarı iki karbonluk birimlerle taşınır?
2. Drp1'i susturulmuş bir hücrede 400 peroksizomun yerinde 80 ip sayılsaydı, aynı çapta bir ipin boyu yaklaşık kaç mikrometre olurdu?
3. Mff kaybı ile Fis1 kaybının iki organel üzerindeki etkisi neden farklı yorumlanır?
4. ACBD5–VAPB bağı koparılınca peroksizom zarının genişlemesinin bozulması, Drp1 kabındaki uzun ipler için ne söyler?
5. Ivashchenko ekibinin bulgusunda peroksizomların dışarıdan gelen strese dayanıp kendi içlerinde doğan yükten etkilenmesi, Hidrojen Peroksit Metabolizması dersindeki katalaz deneyiyle nasıl birleşir?

Bir sonraki derse köprü

Peroksizomal Hastalıklar dersi, bu organelin işinin bozulduğu durumları sınıflandıracak. Peroksizomun hiç kurulamadığı biyogenez bozuklukları, Peroksizom Yapısı dersindeki PEX genlerine nasıl bağlanır; organel yerindeyken tek bir enzimin ya da ABCD1 gibi bir taşıyıcının eksik olduğu bozukluklardan nasıl ayrılır? Kanda biriken çok uzun zincirler, fitanik asit ya da eksik kalan plazmalojenler hangi adımın aksadığını gösterir?