Doku Mühendisliğinde Moleküler Biyoloji, ECM ve Hücresel EtkileşimlerArda Deniz DOKUZOĞLU

Polisiye Bir Roman Olarak Biyoloji

T=0

T=t

T=Big bang

T=Bugün

Hikayenin Başında Kronolojik olarak en sonda gelen olayları öğreniriz . Bu bir gizemin başlangıcıdır.

Hikaye İlerledikçe günümüz olaylarından yola çıkıp, ipuçlarını toplayarak gizemi çözmek için geçmişteki olay akışını anlama çabası başlar. Olay örgüsünün aydınlatılmasıyla çözüme ulaşılır.

DNA ve Çekirdek

Exon-Intron ve Santral Dogma

mRNA Processing ve Alternative Splicing

Gen EkspresyonuHücre Karekteri

Çevresel Şartlara Cevabına Göre Genler

Housekeeping Genler: Çevresel şartlardan etkilenmeyen görece sabit ekspresyonlu genler. (Actin, GAPDH, Ubiquitin)

İndüklenir Genler: Çevresel şartlara göre ekspresyonu değişen genler

Ekspresyon Sürekliliğine Göre Genler

Fakültatif Genler: Yalnızca gerektiğinde eksprese olan genler

Yapısal Genler: Sürekli ekspresyonu olan genler

Gen Türleri

Hücre HattıGen Ekspresyonları(Klf4 Transkriptom)

Gen Ekspresyonu Temel Kontrol Mekanizmaları

On/Off Genler: Transkripsiyon faktörleri tarafından baskılanma veya ifade edilme.

Stoplazmik Sessiz mRNA: Stoplazmada sentezlenmiş mRNA ların translasyon için hazır şekilde uygun şartları bekeme durumu.

Nükleer RNA Proses Kontrolü: RNA’lar sentez sonrası importin/exportin gibi yapılar yardımıyla uzun yollar katederler. Bu süre zarfında yalnız degredasyona uğramayacak kadar stabil mRNA’lar stoplazmaya ulaşır. (siRNA baskılaması, ekzonükleaz interferansı)

İndirekt Protein Stabilitesi: Proteinler ancak belli süre zarflarında işlevsel kalabilirler. Sonrasında ubiquitin’lenerek proteazomlarda parçalanırlar. Bu işlemin sürekliliği dolaylı yoldan bir genin aktivitesini de baskılayıcı bir etmendir.

Transkripsiyon Faktörleri

Acid Blob: Trankripsiyon kompleksinin oluşumunu hızlandırır .Histon Deasetilaz gibi yan efektörlerle birleşebilir.

Arttırıcı veya Baskılayıcı olabilirler. Ligandları ve çapraz etkileşimleri vardır.

Histon ve Kromatin (Uzun Süreli Ekspresyon Kontrolü)

Memeli olmayan alyuvarlar tamamen heterokromatiktir.

Epigenetik Kontrol Mekanizmaları

Histon Metilasyonu (Mono, di, tri)

Histon Asetilasyonu***

Histon Fosforilasyonu

Histon Ubiquitinasyon

DNA metilasyonu***

ncRNA

Histon modifikasyonları nın bir kısmı Polycomb, Trithorax grupları tarafından gerçekleştirilir. Metillenmiş DNA (CpG) tarafından HDAC’lar (histon deasetilaz) toplanır ve böylece bu bölgelerdeki histonlar deasetillenerek inaktif hale gelir.

DNA Metilasyonu ve Kalıtımı

De novo methylase

Yalnız CpG bölgesinde sitozinin metilasyonu gerçekleşir.

Konunun Doku Mühendisliği ile İlişkisi

Bahsi geçen genetik modifikasyonlar hücrelerin doğal ortamında kök hücrelerden nasıl primer hücre hatlarına dönüştüğünü açıklamada kullanılır. Bu işleme farklılaşma, özelleşme denir.

Embriyonun gelişimi sırasında büyük rolü bu sistemler oynar.

Gen modifikasyonları aynı zamanda farklılaşmış hücrelerin çevresel uyaranlara nasıl genetik düzeyde tepki verebildiğni açıklar.

Bu sistemleri bilmek, hücrelerin davranışlarını anlamak ve onlara müdahale edebilmek için şarttır.

Hücre Yüzeyi

Hücre Membranı ve Özellikleri

Düşük yoğunluklu hidrofobik maddeler basit diffüzyon ile zardan geçer. (Retinoik Asit, Steroid, Tiroid Hormonlar)

İyonların zardan geçişi sıkı şekilde denetlenmektedir. Denge İyon kanalları ve pompaları yardımıyla sağlanır.

En önemli iyonlar Na, K, Ca, Cl, Mg iyonlarıdır.

Hücre Dışı Na ve Ca iyon yoğunluğu hücre içine göre çok daha yüksektir.

Ca konsantrasyonu hücre dışında 10000 kat daha yüksektir. Hücre zarındaki küçük bir hasar tamiri mümkün olmayan hasarlara sebep olabilir.

Hücre zarında İyon kanalları, pompaları, adhezyon molekülleri, ekstraselüler sinyal reseptörleri(Hücre içi sinyal kaskadlarını başlatan enzimlerdir.) , reseptör-kanallar(Ligand bağımlı Ca kanalları, Voltaj kapılı sodyum kanalları) bulunur.

Hücre kültüründe kullanılan serum(fetal sığır serumu) bu reseptörlerin büyük çoğunluğunu uyaran bir çok sinyal molekülü bulunur. Yokluğunda hücreler G0 fazında tutuklu kalır.

Sinyal İletim Tipleri

G protein-coupled (seven-pass) (adrenerjik, chemokine receptor)

Tyrosine, Histidine kinase (RTK, Büyüme Faktörü, İnsülin) Otofosforilasyon -> Fosforilasyon kaskadı, Ras,Rho, Raf aktivasyonu

Integrin (Matrix Algısı)

Toll Gate (TLR)

Ligand Kapılı İyon Kanalları

İntracellular (Steroid, Retinoic Acid receptors)

Calcium -> GPCR/RTK etkisi ile ER’den salınır veya Kapılı İyon Kanallarından alınır -> Enzime bağlanır/Doğrudan proteini etkiler. Kas kasılması, hücre göçü, nörotransmitter salınımı

NO -> soluble Guanylyl cyclase

Redox (SO, H2O2, CO, H2S)

Lypophilics (DiAcylGlycerol, Ceramide) -> PKC (Protein Kinase C)

Hücrede Sinyal İletimi

!

Konunun Doku Mühendisliği ile İlişkisi

Hücrelerin dış ortamı nasıl algıladıklarını ve genetik bir cevap oluşturmak için nasıl bir yol izlediklerini anlamak için sinyal iletimini iyi anlamak gerekir.

Doku Mühendisliğnde kullanılan yöntemlerin hemen hemen hepsi bu sinyal iletim yollarını stimüle ederek hücreleri yönlendirmekten ibarettir.

Sinyal moleküllerinin kullanımı, Kültür prosedürleri (Ortam şartları, flask konfluensi) gibi yöntemler sinyal iletimiyle yakından ilişkilidir.

Hücre İskeleti Mikrofilamentler (Actin)

G actin monomerlerinin polmerizasyonu ile çift alfa heliks yapıdadır. Hücresel hareketin temel bileşenidir.

Alpha,beta,gamma üç ana tiptir alpha kas yapısında diğerleri iskelette bulunur

- uç inert + uç aktiftir monomerler bu uçtan eklenir

Motor protein Myosin filamentler (–) yönde kayar

Kasılma düzleminde ve fibroblast tutunmasında antiparalel filamentler varken filopodia paralel filamentler içerir. Hücre korteksinde dağınık kısa filamentler görülür.

Mikrotübüller (Tübülin) Kinesin(+ yönelim), Dynein(- yönelim) motor proteinler

- uç sentriollere bağlı + uçlardan uzama/kısalma gerçekleşir

Polimerizasyonu dimerlerin + ucundaki GDP -> GTP şapka stabilizasyonu sağlar

Ara filamentler (Epitel-Sitokeratin, Mezenkimal-Vimentin, Neuron-Neurofilament)

Hücre İskeleti

Hücre İskeleti

Adhezyon Molekülleri

E-Cadherin özellikle embriyonik hücrelerin adhezyonunda görevli, (E-epitel, N-nöral)

Bağlanmak için Mg veya Ca gereksinimi vardır.

Immunoglobulin benzeri yapılardır. ICAM, L1, NCAM gibi çeşitleri vardır.

Hücre-ECM Etkileşimleri

Konunun Doku Mühendisliği ile İlişkisi

Hücrelerin Dış Matriksi tanıma ve ilişki kurması,

Hücrelerin Matriks üzerinde hareket etme mekanzması,

Hücrelerin substratları üzerinde form alması ve polarizasyonu,

Hücre içi madde iletim mekanizmalarının aydınlatılması bu konu ile ilişkilidir.

Doku Mühendisliğinde hücrelere uygun matriksi, iyi bir tutunma ve hareket ortamını sağlamak için bu mekanizmaların iyi kavranması gerekir.

ECM ve İskelelerGerçek ve Taklit

İnsanın Ana Maddesi Nedir?

Collagen

Fibronectin

Laminin

Elastin

Tenascin

Decorin

Hyaluronan

Dermatan Sulfate

Chondroitin Sulfate

Heparan Sulfate

Keratan Sulfate

Thrombospondin

Fibrillin

Nidogen

Perlecan

Lumican

Fibromodulin

Thrombin

Vitronectin

Osteopondin

Bone Sialoprotein

Fibrin

Ekstraselülar Matriks Molekülleri

I- heterodimer, fibril

II- homotrimer, fibril

III- homotrimer, fibril

IV- heterotrimer, fibril network

V- heterotrimer, regulator

VII- strap basement to stroma

VIII- Vascular physiology

IX- FACIT

X

XI- heterotrimer, regulator

XXIV- homotrimer

XXVII- homotrimer

XII- FACIT, Contain Fn3

XIV- FACIT

XVI- FACIT

XIX- FACIT

XX- FACIT

XXI- FACIT

XXII- FACIT

XVII- Anchor cells to basement

XVIII- Vascular phys., Multiplexin, Heparan Sulfate attachment

XV- Multiplexin

VI

Collagen

Konunun Doku Mühendisliği ile İlişkisi

Taklit etmek için önce aslını çok iyi anlamak gerekir!

ECM’in yapısını kavramak biyoteknoloji ve biyomimikrinin gelişmesi için önemli bir adımdır.

Bir doku mühendisi ECM komponentlerine ve yapılarına hakim olmalıdır.

Rejenerasyon ve Morfolojik ModifikasyonlarYara İyileşmesi, EMT, MET

İnsanda Normal Yara İyileşme Süreci

7-10 hafta içinde mekanik kuvvetin ancak %50’si geri

kazanılmakta

EM-ME Dönüşümleri

Teşekkürler…