Otofaji

Otofaji veya otofagositoz, hücrenin yaşlanmış ve bozulmuş yapılarının, hücrenin kendi lizozomu tarafından sindirilmesidir.

Bozulan hücrelerin geri dönüştürülmesi ve hücredeki ortamdan uzaklaştırılması için gerçekleşir. Kelime anlamı ise kendi kendini yemedir. Hücrenin açlıkla karşılaştığı fizyolojik durumlarda besin elde edebilmek için hücre içi molekülleri parçalayarak enerji elde etmiş olur.

Otofaji, otofagozom adlı keseciklerin yıkıma uğrayacak bileşenleri içine almasıyla gerçekleşir.
Otofaji  süreci şu şekilde işler ; Bu sürecin içerdiği temel aşamalar aşağıdaki gibi sıralanabilir.
 

Başlangıç: Otofajiyi tetikleyen koşullar oluştuğunda fagofor adı verilen zarsı bir yapı oluşmaya başlar. Fagofor, kaynağını otofagozomun bir öncülü kabul edilen fagofor oluşum merkezinden (PAS) alır.
 
Genişleme: Yapıya daha fazla lipit katılması fagoforun genişlemesini ve yıkılması hedeflenen materyalin içeri alınmasını sağlar.
 
Keseciğin Oluşumu: Fagoforu oluşturan lipit tabakasının iç ve dış katmanları birbiriyle uç uca birleşir ve biri içeride biri dışarıda olmak üzere belirgin iki zar oluşur.
 
Birleşme: Otofagozom memelilerde lizozomla , bitki ve mayalarda ise vakuolle ile birleşir. Lizozomdaki (ya da vakuoldeki hidrolitik) enzimler otofagozomun iç zarını parçalayarak içeride parçalanmayı bekleyen birleşenlere ulaşır.
 
Parçalanma ve Geri Dönüşüm: Sonuçta otofagozomun içindeki atık hücre bileşenleri bu enzimler tarafından parçalanarak temel yapı taşları olan moleküllere indirgenir. Sitoplazmaya bırakılan bu moleküller ya enerji kaynağı olarak ya da yeni hücre bileşenlerinin oluşumunda yapı taşı olarak kullanılır.
 

2016 Nobel Tıp Ödülü Otofaji Çalışmaları İle Yoshinori Ohsumi’ye Verildi

60’lı yıllarda ortaya çıkan bu kavram araştırmacılar tarafından ilk gözlendiğinde hücrenin lizozom adı verilen çuval benzeri kesecikler oluşturarak kendi içeriğini parçalamak için geri dönüşüm bölmesine taşıdığı ve yok edebildiği görülmüştür.
90’lı yılların başlarına kadar, Yoshinori Ohsumi’nin ekmek mayalarıyla yaptığı bir dizi parlak deneylerle otofaji için gerekli esas genleri tanımlamasına dek, çalışmadaki anlaşılması zor olağanüstülük az bilinmekteydi. Daha sonrasında Yoshinori mayalarda otofaji altında yatan mekanizmalara ışık tutacak ve bu karmaşık düzeneğin bir benzerinin bizim hücrelerimizde de kullanıldığını gösterecekti.

Ohsumi’nin keşifleri hücre içeriğindeki geri dönüşümün nasıl gerçekleştiğini anlamamıza yeni bir yaklaşım getirmiştir. Bu keşif açlığa sağladığımız uyum ve enfeksiyona verdiğimiz yanıt gibi pek çok yaşamsal süreçte otofajinin temel önemini anlamamızı sağlamıştır. Otofaji genlerindeki mutasyonlar (gen değişimleri) kanser ve nörolojik hastalıklar dahil otofajik süreçlerle ilişkili birçok hastalığa neden olmaktadır.
 

"Parçalanma" Bütün Canlı Hücrelerde Bulunan Merkezi Bir İşlev 

1950’li yılların ortalarında bilim adamları karbonhidratları, proteinleri ve yağları sindiren enzimleri içeren yeni bir hücresel bölüm tanımlamışlardır. Lizozom olarak bilinen bu özel hücre bölümü hücresel bileşenlerin parçalanmasına yarayan bir istasyon olarak işlev görmektedir. 1960’lı yıllara gelindiğinde ise hücresel bileşenlerin büyük miktarlarının hatta bazen belirli bir görevi olan tüm bir hücresel bölümün lizozomların içerisinde bulunabileceği gözlemlenmiştir.

Hücrelerde lizozomlara taşınımın sağlanabilmesi için büyük bir kargo yönteminin bulunduğu görülmüştür. Uzun biyokimyasal ve mikroskopik analizler sonucunda parçalanma işlemi için lizozomlara hücresel kargoları taşıyan yeni bir kesecik türü saptanmıştır. Bu yeni kesecik otofagozom olarak adlandırılmaktadır.

1970 ve 1980 yıllarındaki araştırmalar boyunca hasarlanmış proteinleri parçalamak için kullanılan başka bir sistem üzerinde durulmuştur. Proteazom olarak isimlendirilen bu mekanizmayı açıklayan çalışmanın sahipleri 2004 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görülmüşlerdir. Buna göre proteazom sistemi proteinleri birer birer parçalamaktadır ancak hücrelerin daha büyük protein komplekslerinden ve yıpranmış hücre birimlerinden nasıl kurtuldukları açıklanamamıştır. Otofaji bu sürece bir açıklama getirmektedir.
 

Ohsumi Deneyleri

Yoshinori Ohsumi çeşitli araştırma alanlarında faaliyetlerde bulunmuştu fakat 1988’de kendi laboratuvarında çalışmaya başlayınca insan hücrelerindeki lizozoma karşılık gelen, proteinleri parçalayan, bir hücre birimi üzerinde çalışmaya odaklandı. Bunun için maya hücrelerini tercih etti, maya hücrelerini incelemek nispeten daha kolaydı ve genellikle insan hücrelerinin modellemesinde kullanılabilmekteydi. Bunlar özellikle karmaşık hücresel süreçlerde önemi olan genlerin tanımlanmasında yararlı olmaktaydı. Fakat Ohsumi için bu aynı zamanda zorlu bir süreç anlamına geliyordu; maya hücreleri küçüktü ve iç yapılarının mikroskop altında ayırt edilmesi kolay değildi. Dolayısıyla bu organizmada otofajinin var olup olmadığından bile emin değildi. Ohsumi hücre birimindeki otofaji işlemi aktifken parçalanma işlemini kesintiye uğratmayı akıl etti. Bu sayede otofagozomlar hücre birimi içinde birikmeli ve mikroskop altında görünebilir hale gelmeliydi. Bu amaçla maya hücrelerini bir kimyasala maruz bırakarak genleri bozulmuş, parçalama enzimleri eksik maya hücrelerinden bir kültür oluşturdu ve eş zamanlı olarak hücreleri aç bırakarak otofajiyi uyardı. Sonuçlar inanılmazdı.  Saatler içerisinde hücre birimi parçalanmamış küçük keseciklerle dolmuştu. Bu kesecikler otofagozomlardı ve Ohsumi’nin deneyi maya hücrelerinde otofajinin var olduğunu ispat etmişti. Fakat daha da önemlisi bu süreçte anahtar rol oynayan genleri tanımlayacak yeni bir yöntem bulmuştu ve bu büyük kırılma noktasının sonuçlarını 1992’de yayımladı.
 

Otofaji  Hücrelerin Temel Bir Mekanizması

Maya hücrelerinde otofaji mekanizmasının belirlenmesinin ardından önemli bir soru daha gündeme gelmişti; diğer organizmalarda bu süreci kontrol etmek için uygun bir mekanizma var mıydı? 

Yakın zaman içinde hemen hemen aynı mekanizmaların kendi hücrelerimizde de faaliyet gösterdiği ortaya çıktı.

Ohsumi sayesinde otofajinin yaşamsal işlevlerdeki önemli rolünü ve hücresel bileşenlerin parçalanma ve geri dönüştürülme süreçlerindeki görevini bilmekteyiz.  Otofaji hücresel bileşenlerin yenilenmesi için hızlı bir şekilde gerekli yapı taşlarının ve enerjinin temininde görev almaktadır. Böylece açlık ve herhangi bir uyarım durumunda hücresel yanıt alınmaktadır. Enfeksiyondan sonra, otofaji hücre içi bakteri ve virüsleri yok edebilmektedir. 

Otofaji embriyo gelişimi ve hücre farklılaşmasına katkıda bulunmaktadır. Hücreler aynı zamanda hasar görmüş proteinleri ve hücre birimlerini ortadan kaldırarak yaşlanmanın olumsuz sonuçlarını önleme konusunda kritik bir kontrol mekanizması görevi üstlenmektedir.

Otofajinin kesintiye uğraması durumunda ise Parkinson Hastalığı, Tip 2 Diyabet ve diğer rahatsızlıklar ileri yaşlarda ortaya çıkmaktadır. Otofaji genlerindeki bozukluklar genetik hastalıklara neden olabilmektedir. Otofajik mekanizmadaki bozukluklar aynı zamanda kanserle ilişkilendirilmektedir. Çeşitli hastalıklardaki otofajiyi hedef alan ilaçların geliştirilmesi de son zamanlardaki yoğun araştırma konularından biridir.

Otofaji 50 yıldan uzun bir süredir bilinmesine karşın yaşamsal ve tıp alanındaki temel önemi 90’lı yıllarda Yoshinori Ohsumi’nin ezber bozan araştırması ile geçerlilik kazanmıştır.
 

Otofaji Ve Osteoartrit

Otofaji yaşın ilerlemesi ile birlikte azalır ve yaş osteoartiritin ana sebebidir. Otofajinin rolü bu hastalığın gelişimini etkilemektedir. Otofajiye katılan proteinler ilerleyen yaşla birlikte hem insan hem de farelerin eklem kıkırdaklarında azalır. Ayrıca kıkırdaklardaki yaralanmalar sonucu da otofaji proteinleri azalır. Bu sonuçlar otofajinin eklemlerde koruyucu bir sistem olduğunu göstermektedir.
 

Otofaji Ve Kanser

Otofaji kanserleşmede büyük bir öneme sahiptir. Otofajinin tümör baskılayıcının özelliği erken evrelerde görülmektedir. Kanserleşmeye neden olan proteinlerin yada hücre elemanlarının parçalanarak hasarlı hücrelerin ortadan kaldırılması sağlanır. Ancak kanserleşmenin geç evrelerinde, kanser hücresi otofajiyi “yaşamak” için kullanır. Bir başka deyişle, kanser hücresi tedavinin yol açtığı metabolik ve hücresel stresten kurtulmak için otofaji ile hasarlı bölümlerini yok eder. Bunun yanı sıra son yapılan araştırmalarda kanserde çoklu ilaç dirençliliğine neden olan faktörler arasında otofaji yer almaktadır.
 

Otofaji ve Parkinson Hastalığı

Parkinson hastalığı, ölü beyin hücreleri ve kök hücrelerinde sinir sistemi dokularında meydana gelen bozukluktan kaynaklanmaktadır. Birkaç genetik mutasyon hastalıkta etkili olmaktadır. Bu genlerdeki fonksiyon kaybı, mitokondri birikimine ve protein kümeleşmesine zarar vermekte ve hücresel bozulmaya sebep olmaktadır. Mitokondri, Parkinson Hastalığı ile ilişkilidir. Kaynağı belli olmayan Parkinson Hastalığında, hastalık genelde işlevsiz mitokondriler, hücresel stres, otofajik değişimler ve protein kümelerinden kaynaklanmaktadır.

Yine başka bir çalışmada 2-4 gün boyunca sadece su içerek gerçekleştirilen uzamış bir açlığınbağışıklık sistemimizi yeniden başlatabildiği gösterilmiştir. Periyodik açlık sürelerinin uyku halindeki kök hücrelerin bağışıklık hücrelerine dönüşümünü ve eski/hasarlı olanların temizlenmesini de tetiklediği gösterilmiştir. Açlık gibi uyaranlar sayesinde otofajinin aktif olması sebebi ile orucu taklit eden kalori kısıtlamasının, kanser, diyabet ve kardiyovasküler hastalıklar için bir dizi risk faktörünü azaltarak daha sağlıklı bir yaşam için olanak sağlayacağını belirtirken otofaji mekanizmasının yaşlanmanın olumsuz etkilerini önlemedeki önemine dikkat çekmekteyiz.