Metilen mavisi ve progeria: hücresel yaşlanma modelinden çıkarılan dersler

Bir gendeki tek harflik değişiklik, çocukların korkutucu bir hızla yaşlanmasına yol açıyor. Saç dökülmesi, eklem sertliği, daralmış atardamarlar ve ergenlik yıllarıyla sınırlı bir yaşam beklentisi. Bu hastalık, Hutchinson-Gilford progeria sendromu; yıllarca bu hastalığa ilişkin araştırmalar, mutant proteinin hasar verdiği çekirdeğe odaklandı. Maryland Üniversitesinde 2016 yılında yapılan bir çalışma farklı bir soru sordu: Bu hücrelerde mitokondriler nasıl görünüyor? Yanıt, hücrenin iki bölmesini birbirine bağladı ve bir asırlık mavi boya her ikisini de etkiledi.

Söz konusu çalışma, Xiong ve çalışma arkadaşlarının 2016 yılında Aging Cell'de yayımlanan araştırmasıdır. Çalışma tamamen kültürdeki hücrelerle yürütüldü. Aşağıdaki her şey bu gerçeğe göre değerlendirilmelidir. Bulgular gerçek ve belirgindir. Herhangi bir tedaviden ne kadar uzak oldukları da aynı ölçüde nettir.

Model: tek mutasyon, tek yapışkan protein

Progeria, LMNA geninin 1824. konumunda C'nin T ile yer değiştirmesiyle başlar. Bu değişiklik bir amino asidi değiştirmez. Gizli bir kesip birleştirme bölgesini etkinleştirir ve bunun sonucunda lamin A proteininden 50 amino asit silinir. Progerin adı verilen bu kısalmış ürün, normalde hücrenin farnesil çapasını çıkarmasına olanak tanıyan kesim bölgesini kaybeder. Böylece progerin kalıcı olarak farnesillenmiş durumda kalır ve iç çekirdek zarına yapışır; oysa normal lamin A bu zara bağlanıp ayrılır.

Çekirdekteki sonuçlar iyi belgelenmiştir ve mikroskop altında görülebilir. Çekirdekler düzgün oval biçimlerini korumak yerine kabarcıksı çıkıntılar oluşturur ve kırışır. Normalde çekirdeğin kenarını döşeyen, yoğun biçimde paketlenmiş ve etkin olmayan DNA'dan oluşan heterokromatin incelir. Binlerce genin ifadesi değişir. Çekirdek laminasını, duvar kâğıdının arkasındaki bir destek iskeleti gibi düşünün: İskeletin bir parçası yanlış konuma kaynaklandığında duvar kabarır ve kâğıdın deseni bütün odada bozulur.

Çalışmada progeria hastalarından alınan deri fibroblastları, aynı sayıda pasajdan geçirilmiş kontrol hücreleriyle birlikte kullanıldı. Ayrıca normal fibroblastların doğrudan progerin üretmesini sağlayacak şekilde değiştirilmiş ikinci bir hücre hattı da incelendi. Değiştirilmiş hücrelerde aynı kusurlar gelişti; bu da sorumlunun hastaların geçmişi ya da kültürde geçen süre değil, progerin olduğunu gösteriyor. Kusurların şiddeti doza paraleldi: Daha fazla progerin ifade eden hücre hattında, incelenen tüm alanlarda daha ağır kusurlar görüldü.

Mitokondriler nasıl görünüyordu?

Sağlıklı fibroblastların mitokondrileri, çekirdek çevresinde dallanan bir ağ oluşturur; hücre iskeleti boyunca uzanan hatlar üzerinde hareket eden uzun tübüller hâlindedir. Progeria hücre hatlarında bu ağ ortadan kalkmıştı. Mitokondrilerin daha büyük bir bölümü parçalanmıştı, birçoğu şişmişti ve elektron mikroskopisi, ağır hasarlı organellerde yaklaşık iki kat artış gösteriyordu. Zaman aralıklı görüntüleme, bunların kontrol grubuna kıyasla daha kısa mesafeler katettiğini ve daha yavaş hareket ettiğini gösterdi.

İşlev de biçimle birlikte değişti. Mitokondriyal süperoksit ve hücre genelindeki oksidan düzeyleri yükseldi. Daha fazla hücrede zar potansiyelinin bozulduğu görüldü. ATP üretimi düştü. Tek başına ele alındığında bunların hiçbiri şaşırtıcı değildir; çünkü hasarlı mitokondriler reaktif oksijen türlerini dışarı sızdırır ve daha az enerji üretir. Yeni olan, öne sürülen nedendi. NRF1, TFAM ile füzyon ve fisyon düzenleyicileri MFN1, MFN2, OPA1, FIS1 ve DRP1 gibi aşağı akış faktörleri aracılığıyla mitokondri biyogenezini yönlendiren transkripsiyonel koaktivatör PGC-1alpha, progeria hücrelerinde mRNA düzeyinde yaklaşık sekiz kat baskılanmıştı; protein düzeyinde de buna karşılık gelen bir azalma vardı. Progerin, mitokondrilerin üretimini ve bakımını yöneten ana anahtarı baskılıyor gibi görünüyordu. Çekirdek laminasındaki hasar ile enerji metabolizması arasındaki bu bağlantı, mitokondriyal enerji üretimine ilişkin daha geniş açıklamanın bir parçasıdır; aynı dengenin oksidan tarafı ise oksidatif stres ve ROS kontrolü kapsamında ele alınır.

Metilen mavisi neyi değiştirdi?

Araştırmacılar hücrelere, düşük bir konsantrasyon olan 100 nanomolar metilen mavisini haftalar boyunca kesintisiz uyguladı. Hücre kültürü açısından bu, kısa süreli bir ilaç uygulaması değil, uzun ve düşük yoğunluklu bir maruziyettir. Metilen mavisi oksitlenmiş ve indirgenmiş biçimleri arasında dönüşür ve mitokondriler içinde elektron taşıyabilir. Bu nedenle, bir oksidanı etkisizleştirdiğinde tüketilen sıradan bir antioksidan olarak değil, mitokondriyi hedefleyen bir redoks bileşiği olarak tanımlanır.

Mitokondriler hem normal hem de progeria hücrelerinde yanıt verdi. ATP arttı, oksidan düzeyleri düştü ve ağır kusurlu mitokondrilerin oranı azaldı. PGC-1alpha ifadesi, aşağı akış hedeflerinden bazılarıyla birlikte kısmen toparlandı. Buraya kadar görülen, progeriaya özgü olmayan, mitokondri işlevini genel olarak destekleyen bir etkidir.

Şaşırtıcı olan çekirdekteki sonuçlardı ve bunlar hastalıklı hücrelere özgüydü. Nicel şekil analizine göre çekirdekteki kabarcıksı çıkıntılar azaldı. Lamin A ve C'nin toplam miktarları arttı. En dikkat çekici bulgu, progerinin yeniden dağılmasıydı: Uygulama yapılmayan progeria hücrelerinde progerinin yalnızca yaklaşık yüzde 30'u çözünür nükleoplazmik fraksiyondaydı; geri kalanı zara bağlıydı. Uygulamadan sonra çözünür pay yaklaşık yüzde 65'e yükselerek normal lamin davranışına yaklaştı. Zardan serbestleşen progerin, komşularını da kendisiyle birlikte daha az sürükler; lamin A ve C'nin çözünür fraksiyonları da toparlandı.

Bu serbestleşmenin ardından çekirdeğe ait iki fenotipte iyileşme görüldü. Elektron mikroskopisi ve heterokromatin proteini HP1-alpha boyamasıyla incelenen çekirdek çevresindeki heterokromatin, gözle görülür biçimde yeniden oluştu. RNA dizilemesi de transkriptomun normale doğru döndüğünü gösterdi: Uygulama yapılmayan progeria hücreleri, kontrol hücrelerinden 3,200'den fazla gende farklılık gösterirken, uygulama yapılan progeria hücrelerinde bu sayı yaklaşık 1,670 idi. Normal hücrelerde aynı uygulama yalnızca birkaç düzine geni değiştirdi. Bu durum, çekirdekteki etkinin genel bir transkripsiyonel sarsıntıdan ziyade progerine bağlı olduğunu düşündürüyor. Hücre ve hayvan modellerinin, başlıkların ima ettiğinden daha dar kapsamlı soruları yanıtladığı ilkesi, metilen mavisi araştırmalarını nasıl okumalı? yazısında açıklanıyor.

Bu neden bir tedavi değildir?

Dört sınırlama, bu çalışmayı ait olduğu yerde tutuyor: laboratuvarın içinde.

Birincisi, her şey kültür kaplarında gerçekleşti. Kültürdeki fibroblastlar; kan akışından, bağışıklık sistemi bağlamından, doku mimarisinden ve bir bileşiğin hedefe ulaşıp ulaşamayacağını belirleyen tüm vücut farmakolojisinden yoksundur. Bu makalede hiçbir hayvana doz verilmedi ve hiçbir hasta tedavi edilmedi.

İkincisi, progeria fibroblastları tek bir hücre tipinin modelidir. Hastalık esas olarak atardamarlar, kemik ve yağ dokusu üzerindeki etkileri yoluyla ölüme neden olur; çalışma ise yalnızca fibroblastları ve bir düz kas preparatını inceledi. Diğer dokular farklı davranabilir.

Üçüncüsü, çekirdekteki düzelme, kültür ortamında haftalar süren kesintisiz nanomolar maruziyetle ortaya çıktı. Kültür kabındaki konsantrasyonlar doz değildir ve makaledeki hiçbir bilgi, kültür ortamındaki 100 nanomolar değeri insanlar için bir uygulama planına dönüştürmez. Metilen mavisinin tıbbın başka alanlarında kendine özgü bir doz-yanıt ilişkisi ve güvenlik profili vardır; bu çalışma evde kullanım için hiçbir dayanak sunmaz. Genel güvenlik bağlamı, metilen mavisinin güvenliği ve yan etkileri kapsamında ele alınır.

Dördüncüsü, progeria normal yaşlanma değildir. Çekirdek iskeletinin belirli bir şekilde bozulduğu, tek bir mutasyona bağlı nadir bir hastalıktır. Kültürdeki hücrelerde bu özgül bozulmayı hafifleten bir bileşik, mutasyonu taşımayan insanlarda yaşlanma hakkında çok az şey söyler. Hücre fenotipi, çekirdek ile mitokondri arasındaki karşılıklı iletişime açılan bir penceredir; uzun yaşama ilişkin bir sonuç değildir.

Bu nedenle, dengeli bir özet koşullara bağlı olmalıdır. Progeria fibroblastlarında progerin, PGC-1alpha'yı baskılar ve mitokondrileri parçalanmış, yavaş hareket eden, oksidan düzeyi yüksek ve enerji bakımından yetersiz hâlde bırakır. Düşük konsantrasyonlu metilen mavisi, tüm hücrelerde mitokondriye ilişkin ölçüm sonuçlarını yeniden düzeltti. Ayrıca hastalıklı hücrelerde progerini çekirdek zarından serbestleştirdi; buna çekirdek şekli, heterokromatin ve gen ifadesinde kısmi toparlanma eşlik etti. Bu ikili etki, çalışmayı bilinmeye değer kılıyor. Ancak metilen mavisini progeria ya da yaşlanma için bir tedavi hâline getirmiyor.