Proteostaz ve Yaşlanma

Otuz beşinci pasaj

Şubatın ikinci haftası, cuma. Ilgın'ın inkübatöründe bu kez iki soy insan fibroblastı var; ikisine de G3BP1'i yeşil etiketle taşıyan haberci yerleştirilmiş. Birinci soy beşinci pasajda. Ötekini Seniha Hanım aylardır böldürüyor ve otuz beşinci pasaja gelmiş; hücreleri daha iri, daha yassı, kabı daha ağır dolduruyorlar. Çarşambaki tuz iki soya da veriliyor ve otuzuncu dakikada iki soy da noktalarla dolmuş. Fark tuz yıkanınca çıkıyor: genç hücreler iki saatte temizleniyor, yaşlıların çoğu o saatte hâlâ noktalı ve ancak beşinci saatte açılıyor.

Arka odadaki jel ikinci farkı gösteriyor. İki soy da otuz dakika boyunca 42 °C'yi görmüş; sekizinci saatte genç hücrelerin Hsp70 bandı koyu, yaşlılarınki onun kabaca üçte biri. Isıtılmamış örneklerde iki soyun bantları birbirine benziyor.

Seniha Hanım masaya bir iş birliğinden gelen tabloyu bırakıyor. Solucanlar erişkinliğin birinci ve dördüncü gününde ısı şokuna sokulmuş: birinci gün beşte dördü kurtuluyor, dördüncü gün beşte biri. HSF-1'i fazladan yapan bir suşta dördüncü günün sağ kalımı yüzde altmış.

"Dört günlük bir solucan yaşlı mı?" diye soruyor Ilgın. "Daha yeni yumurtlamaya başlamış."

Mekanizma

Bir ağ, bir kapasite

Balch, Morimoto, Dillin ve Kelly 2008'de Science'ta proteostaz ağını proteomun ve organizmanın sağlığını koruyan, birbiriyle etkileşen etkinliklerin kümesi diye tanımladı. Wikipedia'nın proteostaz maddesi ağın içine proteinlerin yapımını, katlanmasını, taşınmasını ve yıkımını koyar; Labbadia ile Morimoto'nun 2015 derlemesi de çeviri düzeneğini, şaperonları ve yardımcılarını, ubikitin–proteazom sistemini ve otofajiyi sayar. Bu modülün önceki beş dersi aynı ağın parçalarını tek tek açmıştı: Hsp70'in yeniden katladığı lusiferaz, CHIP'in işaretleyip proteazoma verdiği zincir, agresomdaki nokta, plakadaki lif ve çarşambanın çözülen damlaları.

Ağı parçalar yerine bir kapasite olarak düşünmek hesap yapmayı kolaylaştırır. Kurgu birimlerle bir hücrenin katlama ve temizleme kapasitesi pasaj sayısı n ile C(n) = 100 − 1,2 × n diye azalsın; sakin hücrede katlanmamış yük 40 olsun, ısı şoku üstüne 40 daha eklesin. Beşinci pasajda C = 94: sakinken 54, şokta 14 birim pay kalır. Otuz beşinci pasajda C = 58: sakinken 18 birimlik pay sürüyor, ama yük 80'e çıkınca 22 birimlik bir açık doğar. Açık ısı şokunda (100 − 80) ÷ 1,2 ≈ 17. pasajda, sakin hücrede ise ancak (100 − 40) ÷ 1,2 = 50. pasajda belirir.

Jeldeki sessizliği bu fark açıklar: yaşlı hücre dinlenirken sağlıklı görünür, çünkü yedeği erimiş olsa da gündelik işi yetişir. Lizozomal Depo Hastalıkları dersinde eşik etkinliğin üstünde hiçbir şeyin birikmediğini görmüştük; burada eşik sabit bir enzimde durmuyor, zamanla aşağı inen bir kapasitede duruyor. Protein Kalite Kontrolü dersinin yarışına da bağlanır: katlanma hızı kapasiteyle orantılı düşerse k_f 0,6'dan 0,6 × 58 ÷ 94 ≈ 0,37'ye iner, kümelenen pay 0,10'dan 0,1 ÷ 0,77 ≈ 0,13'e çıkar.

Solucanda erken bir çöküş

Ben-Zvi, Miller ve Morimoto 2009'da C. elegans'ın farklı dokularına ısıya duyarlı, kararsız haberci proteinler yerleştirdi. Bu proteinler olağan sıcaklıkta da erişkinliğin erken döneminde hızla yanlış katlanıp işini yitirdi; aynı dönemde ısı şoku yanıtı ile katlanmamış protein yanıtı ağır biçimde zayıfladı. Ekip çöküşü yaşlanmanın erken bir moleküler olayı diye yorumladı. Labbadia ile Morimoto'nun derlemesi, ısıyla ve ER stresiyle açılan genlerin uyarılabilirliğinin erişkinliğin ikinci ya da üçüncü gününe kadar bedenin her yerinde yüzde 80 dolayında azaldığını yazar.

Zamanlama Ilgın'ın sorusunu haklı çıkarır. Labbadia ile Morimoto 2015'te düşüşün erişkinliğin başında birkaç saatlik bir pencerede, üreme olgunluğuyla aynı anda gerçekleştiğini gösterdi. Isı şoku genlerinin üstünde kromatini kapatan bir metil işareti birikiyor, HSF-1 bu genlere zor bağlanıyordu; germ hattı kök hücreleri olmayan solucanlarda işaret birikmedi ve yanıt korundu. van Oosten-Hawle ile Morimoto'nun 2014 derlemesi de üreme dokusundan gelen sinyallerin öteki dokuların gen ifadesini ve sağ kalımı ayarladığını aktarır. Yanıt aşınarak değil, bir programla kapanıyor gibidir.

Yaşlanan solucanda kayan proteom

David ve Kenyon'un ekibi 2010'da yaşlanan solucanlarda birkaç yüz proteinin giderek çözünmez hâle geldiğini buldu; PLoS Biology'nin aynı sayıdaki tanıtım yazısı da sayıyı birkaç yüz diye verir. Bunlar bir hastalığa bağlı değildi ve aralarında ribozom proteinleri, proteazom alt birimleri ve şaperonlar vardı: ağın kendi parçaları da kümeye düşüyordu. Walther ve Hartl'ın ekibi 2015'te beş binden fazla proteini ömür boyunca izledi; üçte biri miktarca en az iki kat değişti, kümelenme yaygınlaştı. Bu çalışmada proteazom kompleksleri yaşla azalmadı, arttı. Ekip proteinlerin şaperonca zengin kümelere ayrılmasını, Protein Kalite Kontrolü dersindeki sekestrasyona benzer koruyucu bir strateji olarak da yorumladı.

Neden mi, iz mi?

Bir gerilemeyi gözlemek, onun yaşlanmanın nedeni olduğunu söylemez; Ilgın'ın yaşlı hücrelerindeki soluk bant da yaşlanmanın sonucu olabilir. Ayırmak için kapasiteyi deneyle değiştirip ömre bakmak gerekir. Solucan bunu birkaç haftada mümkün kılar: Kenyon'un 2010 derlemesi ve Wikipedia ömrünü birkaç hafta diye verir.

Kenyon'un ekibi 1993'te Nature'da, insülin/IGF-1 reseptörünü kodlayan daf-2 genindeki değişimlerin doğurgan ve hareketli solucanları olağanın iki katından uzun yaşattığını bildirdi; uzama DAF-16 adlı ikinci bir genin etkinliğine bağlıydı. Hsu, Murphy ve Kenyon 2003'te hsf-1 etkinliği azalınca dokuların hızla yaşlandığını ve ömrün kısaldığını, fazla HSF-1'in ise ömrü uzattığını gösterdi; HSF-1 de daf-2 uzaması için gerekliydi. Morley ile Morimoto 2004'te aynı gerekliliği buldu ve tek tek şaperonları azaltmanın daha küçük etki yaptığını, belirleyici olanın şaperon ağı olduğunu yazdı. Ben-Zvi ekibinde HSF-1 ya da DAF-16 artırılınca kararsız haberciler daha uzun süre katlı kaldı; David ekibinin daf-2 değişimli solucanlarında da kümelenme yaşlılıkta çok daha az arttı.

Ağı güçlendirmek ömrü uzatıyor, zayıflatmak kısaltıyorsa, solucanda proteostaz yaşlanmanın yalnız izi olmaktan çıkar ve onu biçimlendiren bir etkene dönüşür. Seniha Hanım'ın tablosundaki HSF-1 suşu bu mantığın kurgudaki karşılığıdır: kayıp beşte üçten beşte bire iner, yani yanıt tutulunca düşüş ertelenir.

Memelide ve insanda

Memeli verisi daha dağınık. Saez ile Vilchez'in 2014 derlemesi insan derisinde, fibroblastlarında ve lenfositlerinde, sıçanın karaciğer, kalp, böbrek, beyin ve kas dokularında proteazom etkinliğinin yaşla azaldığını bildiren çalışmaları toplar; dokuların farklı davrandığını ve yüz yaşını aşmış sağlıklı kişilerden alınan fibroblastların gençlerinkine benzediğini de aktarır. Rubinsztein, Mariño ve Kroemer'in 2011 derlemesi otofaji kapasitesinin olağan yaşlanmada çoğunlukla düştüğünü, otofajinin genetik olarak durdurulmasının memeli dokularında yaşlanmayı andıran değişiklikler doğurduğunu yazar. Şaperon Aracılı Otofaji dersinde sıçan karaciğerinde LAMP2A'nın yaşla azaldığını görmüştük.

Lee ve Liu'nun ekibi 2009'da yaşlanan insan akciğer fibroblastlarında Hsp70 uyarılmasının zayıfladığını, HSF1'in miktarının değil etkinleşmesinin bozulduğunu gösterdi; ekibin 1996 derlemesi aynı tabloyu hayvan dokularında ve insan kan hücrelerinde de toplar. Ilgın'ın otuz beşinci pasajı bunu canlandırır. Çok bölünmüş hücrelerin girdiği kalıcı duraklama Hücresel Yaşlanma modülünde ayrıca işlenecek.

Azalma gözlemleri güçlü, nedensellik zayıf. Hipp, Kasturi ve Hartl'ın 2019 derlemesi ağ kapasitesinin yaşla düştüğünü ve bölünmeyen hücrelerin, özellikle sinir hücrelerinin, bundan en çok etkilendiğini yazar. Sinir hücrelerinin bu kırılganlığının yaşa bağlı hastalıklardaki payı hâlâ araştırılıyor.

Dokular birbirine haber verir

Prahlad, Cornelius ve Morimoto 2008'de solucanın beden hücrelerindeki ısı şoku yanıtının hücrenin kendi kararı olmadığını, sıcaklığı algılayan AFD adlı nöron çiftine bağlı olduğunu gösterdi. van Oosten-Hawle, Porter ve Morimoto 2013'te kas hücrelerinde kararsız bir protein artınca başka dokularda da yanıt doğduğunu, kastaki yanlış katlanmanın bağırsakta ya da sinirde HSP90 artırılarak da önlenebildiğini buldu ve bu iletişimi aşağıdaki adla andı. Kanıt şimdilik solucandan gelir.

Ölçek: günler ve yıllar

Gompertz 1825'te yetişkinlikte ölüm hızının yaşla üstel arttığını önerdi. Wikipedia'nın Gompertz–Makeham maddesi ve Kirkwood'un 2015 yorumu, insanda yıllık ölüm olasılığının orta yaştan sonra yaklaşık sekiz yılda ikiye katlandığını aktarır. Buradan β = ln 2 ÷ 8 ≈ 0,087 yıl⁻¹ çıkar; kırk yaşından seksene beş katlanma, 2⁵ = 32 kat. Üç haftalık bir solucan ömrü bu tek katlanma süresinin yüzde birine bile varmaz (21 ÷ 2.920 ≈ 0,007). Bir solucanda saatler içinde kapanan bir anahtar, insanda benzer bir anahtarın aynı takvimle işlediğini göstermez.

Modelin sınırı

• Kapasite–yük modeli ağı tek bir sayıya indirir; gerçekte şaperon, proteazom ve otofaji birbirinin işini üstlenebilir, değişme hızları da ayrıdır.
• Doğrusal düşüş bir varsayımdır. Solucanda düşüş birkaç saatte, bir programla olur; kültürde pasaj sayısı da yaşın kendisi sayılamaz.
• Ömrü uzatan yollar proteostazla birlikte metabolizmayı, üremeyi ve stres direncini de değiştirir; ömürdeki farkın ne kadarının katlanmadan geldiği ayrılamaz.
• Yaşlanmanın hücresel özelliklerini birlikte tartan çerçeve, Yaşlanma Patofizyolojisi'ndeki Proteostaz Kaybı dersinde gelecek; buradaki sınır protein dengesidir.

Bu ders neyi göstermiyor

• Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler.
• Solucanda ya da kültür kabında ömrü uzatan ya da proteostazı koruyan bir müdahale, insanda bir takviyenin, ilacın, beslenme düzeninin ya da sıcak ve soğuk uygulamalarının yaşlanmayı yavaşlattığını göstermez; "biyolojik yaş" okuduğunu söyleyen testler de bu deneylere dayanamaz.

Beşinci saatteki kap

Ilgın defterine "C(5) = 94, C(35) = 58 → şokta +14 / −22" ve "β = ln 2 ÷ 8 ≈ 0,087" yazıyor; altına solucan tablosundan "1. gün 4/5, 4. gün 1/5, HSF-1 suşu 3/5" ekliyor. "Yaşlı hücre sakinken sağlam görünüyor," diyor. "Açık, yük gelince çıkıyor."

Seniha Hanım jeli pencereye kaldırıyor. "Bugün yük iki soyda da aynıydı, değişen kapasiteydi. Pazartesi masada kapasitesi yerinde, ama yükü doğuştan bozuk bir hücre olacak."

Kendini sına

1. C(n) = 100 − 1,2 × n iken onuncu pasajdaki hücrenin sakin ve ısı şoku altındaki payı kaçtır?
2. Sakin yük 50'ye çıkarsa ısı şokunda açık hangi pasajda başlar?
3. Ölüm olasılığı sekiz yılda ikiye katlanıyorsa 48 ile 80 yaş arasında kaç kat artar?
4. Germ hattı kök hücresi olmayan solucanlarda ısı şoku yanıtının korunması, düşüşün aşınma mı program mı olduğu sorusuna ne söyler?
5. Bir memeli dokusunda proteazom etkinliğinin yaşla azaldığını gösteren bir ölçüm, azalmanın yaşlanmanın nedeni olduğunu neden kanıtlamaz?

Bir sonraki derse köprü

Modülün vaka dersi olan Protein Katlanma Hastalığı'nda soru tek bir proteine inecek. Tek bir proteindeki kalıtsal kusur yükü hangi yoldan artırır: protein işini yitirdiği için mi (işlev kaybı), yoksa yeni ve zararlı bir iş edindiği için mi (kazanılmış işlev)? Kusur doğuştan varken belirtiler çoğu kez yıllar sonra başlıyorsa, yaşla daralan kapasite bu gecikmenin ne kadarını açıklar ve bu soruya hücre, hayvan ve insan düzeyindeki kanıt ne ölçüde cevap verebilir?