Tardigradlarda Bulunan CAHS-D Proteini İnsan Hücrelerinin Yaşlanmasını Yavaşlatmayı Başardı!

Son dönemlerde astrobiyoloji çalışmaları başta olmak üzere biyoloji disiplininin birçok alanında sıkça adını duyduğumuz model organizmalardan biri olan Tardigradlar, yeni yapılan bir araştırmada hücresel yaşlanmayıgeciktirmeyee yönelik yeni bir mekanizmaya ışık tuttu.

Tardigrada şubesi her kıtada karşınıza çıkabilen, kabuk değiştirebilme özelliğine sahip mikrometazoanlardır (çok hücreli mikrometrik hayvanlar). Boyutları 0,25 mikrometre ile 1 milimetre arasında değişen Tardigradlar her üç ekosisteme, hatta ekstrem habitatlara dahi başarı ile uyum sağlamış türleri içermektedir. Karasal habitatlarda yaprak döküntüsü, toprak, liken veya yosunlarda karşınıza çıkabilen bu canlılar sucul habitatlarda ise sediman üstünde ya da sualtı bitkilerinin üzerinde bulunabilir. Bazı araştırmacılar Midye kabukları üzerinde ve Sülükayaklı hayvanların karapaks adı verdikleri "duvarlarında" da Tardigradlara rastladıklarını bildirmektedir.

Tardigradlar kriptobiyosis olarak adlandırılan olumsuz çevre koşullarına gösterdikleri direnç mekanizmasından dolayı diğer canlı gruplarına nazaran sağlık, endüstri ve astrobiyoloji alanlarındaki araştırmaların da odak noktası haline gelerek birer model organizma olmuşlardır. Hatta Tardigradların olumsuz koşullarda hayatta kalabilme yeteneklerinden yola çıkarak ilki 2007 yılında olmak üzere günümüze kadarki süreçte birçok uzay görevi gerçekleştirilmiş ve özellikle popüler bilim dünyası tarafından "İlk yıldızlararası yolcular Tardigradlar olabilir!" adlı yazılara sıkça yer verilmiştir.

Josef Elster

Tüm bu gelişmeler devam ederken Tardigradlara dair sorulan "Nasıl bu kadar dayanıklı olmayı başarıyorlar?" sorusu gün geçtikçe önem kazanmıştır. Bu sorunun cevabının tek bir kaynak olması beklenmemişti, çünkü dayanıklılığı süresince hücresel aktivasyonunda meydana gelen değişimler birden fazla hücresel yolağın rol oynadığının göstergesiydi. Oldukça zorlayıcı duran bu soruya ilişkin en önemli yanıtlardan biri 2016 senesinde Dsup proteininin keşfedilmesiyle verilmişti. DNA'nın etrafını belirli terminal noktalarından tutunarak saran bu protein sadece Tardigrada şubesine ait taksonlardan bazılarında gözlemleniyordu. Dsup proteini tarafından sarılan DNA sarmalı yapılan testlere göre DNA iyonize radyasyondan ve Etil Metan Sülfanat gibi radikallerden korumakta başarılıydı. Ancak Dsup proteini Tardigradların sahip olduğu dayanıklılık özelliklerinden önemli birini sağlasa da bu canlıların değişen çevre koşullarında nasıl sağ kalabildiğini tek başına açıklayamıyordu, kaldı ki çevre koşulları değiştiğinde en önemli tehlike radyasyon miktarındaki değişim değil kurumaydı!

Bu durum dayanıklılığın kümülatif bir şekilde ortaya konulduğunu destekler nitelikte olup araştırmacıların süreç içerisinde etkili olduğu düşünülen Aquaporin, Secretory Abundant Heat Soluable (SAHS), Cytoplasmic Abundant Heat Soluable (CAHS), Late Embryogenesis Abundant (LEA), Mitochondrial Abundant Heat Soluble (MAHS) ve Heatshock (HSP) protein ailelerine odaklanmasına sebep oldu. Bu proteinlerden CAHS, SAHS ve MAHS adlı protein aileleri Tardigradlara Özgü Düzensiz Proteinler (TDP) olarak adlandırıldı. CAHS üzerine yapılan yeni çalışma ise Tardigradların hem çevresel streslere karşı başarısına yeni bir açıklama getiriyor hem de halihazırda yürütülen yaşlanma karşıtı çalışmalara yeni bir perspektif katacağa benziyor.

Anhidrobiyoz ve CAHS Proteini

Tardigradlar beslenmek, üremek ve yayılmak gibi yaşamsal faaliyetlerinin büyük bir bölümünü gerçekleştirebilmek için su filmine ihtiyaç duymaktadır. Ancak yaşadıkları karasal habitatları hatırlayacak olursak toprak, yaprak döküntüsü, liken ve karayosunları gibi yerler sık sık suyun ortamdan uzaklaşma tehlikesi ile karşı karşıyadır. Evrimsel süreç içerisinde kurumaya karşı tolerans gösterme yeteneği uzunca bir süredir farklı canlı gruplarında sıkça karşımıza çıkan bir özellik olsa da tardigradlar bunu biraz abartmış durumdalar.

Anhidrobiyoz adı verilen ve Tardigradların desikasyona (kurumaya) karşı geliştirildiği düşünülen bu davranışın iyonize radyasyon ve uç sıcaklık değerleri de dahil olmak üzere tardigradı birçok abiyotik faktörden koruduğu bilinmektedir. Bu süreç içerisinde Dsup proteinleri etkili olsa da kuruma sırasında suyun hücre içerisinden çekilmesi (dehidrasyon) hücre bütünlüğünü bozar. Aşırı kuruma durumunda ise hücre içerisine yeniden su girdiğinde (rehidrasyonda) bile bozulan hücre bütünlüğü onarılamayıp ilgili hücrenin ölmesine sebep olur.

Ancak Tardigradlara özgü olan CAHS proteini kurumaya yanıt olarak yüksek oranda ifade edilir ve su kaybı sırasında hücre içinde bir tür koruyucu jel oluşturarak hayati moleküllerin ve yapıların zarar görmesini önler. CAHS proteinleri normal koşullarda hücrenin her tarafında dağınık (jel oluşturmamış) şekilde bulunurlar ve çevresel açıdan stresli koşullar başladığı sırada bir dizi yolak tetiklenir ve CAHS proteinleri filament ağı oluşturmaya başlarlar. Bu ağ, sitoplazmayı jel benzeri bir matrise dönüştürür ve suyun hücreden dışarı çıkması ile oluşacak hücre bütünlüğünün bozulmasını önler. Bu durum çevresel koşulların eski haline dönmesi ile tersine çevrilebilir ve CAHS proteinleri parçalandığında hücre hayatına kaldığı yerden devam eder.

Hücre içerisinde CAHS proteininin kullanımına dair şimdiye kadar iki hipotez sunulmuştur. Bunlardan ilki Vitrifikasyon hipotezi, yani bir tardigrad kuruduğunda hücreleri içindeki viskozitenin, proteinlerdeki denatürasyonun ve membran füzyonunun durma noktasına kadar arttığı fikridir. Bir anlamda bozulmanın olmaması adına hücreyi biyolojik açıdan durdurmaya yakın bir yaklaşım sunar. İkinci hipotez ise su değiştirme hipotezidir, CAHS proteinlerinin diğer kurumaya duyarlı proteinlerdeki suyun yerini aldığını ve normalde suya bağlı olan hidrojen bağlarını koruduğunu ileri sürer. Su değiştirme hipotezine dair TDP'ler içerisindeki bir diğer protein ailesi olan MAHS adlı proteinin bir görseli konuya daha iyi açıklık getirecektir.

BMC

CAHS proteinlerinin fibriller yardımı ile tardigrad hücrelerini sarması ve hücre aktivasyonunu büyük ölçüde yavaşlatarak hücreyi "askıda tutmasına" biyostaz adı verilir. Her ne kadar kriptobiyoz kavramı da benzer bir sürece işaret etse de biyostaz terimi hücre bütünlüğünün bozulmadığı, askıda durumlara verilen daha geniş bir kavram olarak karşımıza çıkmaktadır. CAHS proteininin bu özelliğini tespit eden bir grup araştırmacı CAHS proteinlerini başka canlı gruplarında da benzer bir şekilde çalışıp çalışmadığını anlamak için araştırmaya koyulmuştur.

CAHS Proteini İnsan Hücrelerinde Yaşlanmayı Yavaşlattı!

Gerçekleştirilen çalışma kapsamında Bristol Üniversitesi, Washington Üniversitesi, California-Merced Üniversitesi, Bologna Üniversitesi ve Amsterdam Üniversitesi'nden bir grup araştırmacı bir araya gelerek Wyoming Üniversitesi Moleküler Biyoloji Bölümü Yardımcı Doçenti Thomas Boothby'nin laboratuvarında Kıdemli Araştırma Bilimcisi Silvia Sanchez-Martinez tarafından yürütülen CAHS proteini araştırmasına destek oldu. Tardigradların CAHS proteinlerini detaylı bir şekilde analiz eden ekip ilgili proteini insan böbrek hücre kültürüne aktarmayı başardılar. Aktarılan CAHS proteinin bir varyantı olan CAHS-D proteini tıpkı Tardigradlarda olduğu gibi stres faktörlerine karşı insan böbrek hücrelerinde fibriller oluşturarak hücre bütünlüğünü korumayı başardı. Ortam şartları optimum düzeye geldiğinde ise fibriller yeniden çözünerek hücre "normal" yaşantısına devam etti. Bu durum karşısında Sanchez-Martinez şunları söylüyor:

Şaşırtıcı bir şekilde, bu proteinleri insan hücrelerine verdiğimizde, tıpkı Tardigradlarda olduğu gibi jelleşip metabolizmayı yavaşlatıyorlar. Dahası tıpkı Tardigradlar gibi, bu proteinlere sahip insan hücrelerini biyostaza koyduğunuzda, strese karşı daha dirençli hale geliyorlar ve Tardigradların bazı yeteneklerini insan hücrelerine kazandırıyorlar. Daha da önemlisi, araştırma tüm sürecin tersine çevrilebilir olduğunu gösteriyor. Stres ortadan kalktığında Tardigrad jelleri (CAHS-D) çözülüyor ve insan hücreleri normal metabolizmalarına geri dönüyor.

Bu söylem organ transferinde soğuk zincirin mümkün olmadığı durumlarda insanlara hayat kurtaran tedavileri sağlamak için bu yöntemin kullanılabileceğine dair ek kanıtlar taşımakta. Benzer bir şekilde birçok tedavide başvurulan kök hücrelerin depolanmasında da büyük önem taşıyacağı düşünülüyor. Elde edilen tüm bilgiler doğrultusunda gerçekleştirilen araştırma, hücre yaşlanmasını yavaşlatmak ve depolamayı ve stabiliteyi artırmak için hücrelerde ve hatta tüm organizmada biyostazın tetiklenmesine odaklanan teknolojilerin takip edilmesi için yeni bir perspektif sağlıyor.