P3. Mitokondriyal DNA Mutasyonları ve Kanser
advertisement
Mitokondriyal DNA Mutasyonları ve Kanser Irmak Erdemir, Ece Ermin, Esra Öner, Necati Yağız Yeşilova Danışman: Doç. Dr. Erkan Yurtcu ÖZET Oksidatif fosforilasyondan sorumlu olan mitokondri hücresel enerjinin üretim merkezidir. İhtiyacı olan proteinlerin çoğunluğu çekirdek DNA’sı tarafından kodlanan mitokondri halkasal, ikili sarmal yapıda ve 37 gen içeren bir genoma sahiptir. Toplam uzunluğu yaklaşık 16 600 nükleotid uzunlukta olan bu genomdan her organelde onlarca kopya bulunur. 1930’lu yıllarda Warburg’un, kanserin oksidatif fosforilasyondaki veya mitokondrideki bozulmalardan kaynaklandığını öne sürmesiyle mitokondri ve kanser arasındaki ilişkiyi belirlemeye yönelik çok sayıda çalışma yapılmıştır. Elde edilen verilere göre kanser hücrelerinde mtDNA’da mutasyon birikimi çekirdek DNA’sına göre 10 kat daha fazladır. Bu mutasyonların birikim bölgeleri, promotor özelliğe sahip olan D-loop bölgesi (mide, kolon, karaciğer kanserleri) ve yapısal gen bölgesi (meme kanseri) olarak belirlenmiştir. Ayrıca mtDNA tarafından kodlanan genlerin kopya sayısındaki değişimler (meme, böbrek, yumurtalık kanserleri) de belirlenmiştir. Bu mutasyonlar çoğu kez homoplazmiktir ve erken evre kanser hücrelerinde belirlenebilir. Bu bulgular mtDNA mutasyonlarının kanserin işaretçisi olarak kullanılabileceği fikrini doğurmuştur. Aynı zamanda bu işaretlerin erken evre kanserlerde belirlenebilmesi kanser tedavisine erken başlama olanağını sunması açısından da önemlidir. Son dönemde mtDNA mutasyonlarının apoptozis ve kanser hücrelerinin yayılmasında etkili olduğunun belirlenmesi de kanser tedavisi için yeni umut ışıkları doğurmaktadır. Sonuç olarak, mitokondri ve kanser ilişkisi üzerine yapılan, sayısı giderek artan araştırmaların sonuçlarından faydalanılarak mitokondri mutasyonlarının, kanser tanısı ve takibinde kullanılabilmesi için yeni moleküler yöntemler geliştirilmektedir. Bu araştırmalar, gün geçtikçe önemli hale gelen mitokondri ve kanser ilişkisine ışık tutacaktır. Anahtar kelimeler: kanser, mitokondri, mutasyon GİRİŞ Uzun süredir mitokondrial işlev kusurlarının kanser gelişimine ve ilerlemesine katkı sunduğundan şüphe edilmektedir. Yaklaşık yarım yüzyıl önce Warburg kanserde mitokondrial değişimler ile ilgili çalışmaları başlatmış ve normal hücre ile kanser hücresi arasında enerji metabolizmasındaki değişiklikleri açıklamak için bir mekanizma öne sürmüştür. (1) Tipik bir memeli hücresi 103-104 mtDNA kopyası içerir ve bu DNA nükleer DNA'dan bağımsız olarak replike olabilir. İnsan mtDNAsı 16.6 kb uzunlukta, halkasal, çift sarmal bir DNA molekülüdür. Bu genomda ETS'nin 13 polipeptidi, 22 tRNA ve 2 rRNA geni bulunur. Geriye kalan ETS kompleksleri ile ilgili protein alt üniteleri, mtDNA bakımı için gerekli olanlarla birlikte çekirdekten kodlanır. Histon içermemesine rağmen mitokondrial transkripsiyon faktörü A (TFAM) ve tek sarmallı DNA binding proteinleri mtDNA'nın korunumunda birlikte sorumludur. Ayrıca mtDNA’da rekombinasyon görülmez. Memelilerde mitokondrial genler maternal kalıtılır. Bundan dolayı mtDNA klonaldir.(1) Mitokondrial ETS, ROS'un en önemli kaynağıdır. Yüksek düzeyde ROS kanseri de içeren çeşitli hastalıklarla ilişkilidir ve genellikle DNA hasarına neden olan redoks sinyalizasyon basamaklarıyla ilişkilendirilmiştir. Mitokondri sürekli bir şekilde ROS ürettiği için organel içindeki DNA molekülü kimyasal hasara yatkındır. MtDNA çekirdek DNA’sına göre 10 kat daha fazla mutasyon biriktirir. Kanser hücrelerinde mtDNA mutasyonları görülürken aynı zamanda mtDNA kopya sayılarının değiştiği de bilinmektedir. Bu durum, gen ifadelenmesi ve ETS aktivitesini doğrudan etkiler. Mitokondride ROS’ları etkisizleştirmek için birkaç antioksidan savunma mekanizması bulunmaktadır. Hücreler normalde ROS tutucular ve SOD, katalaz ve glutatyon peroksidaz gibi antioksidanlar ile kendilerini ROS’lardan koruyabilirler. Bu antioksidanlar genellikle tümör hücrelerinde eksiktir. Sonuç olarak, hücrelerdeki kalıcı (sürekli) oksidatif stres kanser büyümesine ve metastaza yol açar. mtDNA hasarına duyarlılıktan dolayı mitokondri kendi DNA’sını onarıcı sistemler içerir. Önemli bir mtDNA onarım mekanizması Baz çıkarım mekanizmasıdır (BER=Base Excision repair). Mitokondrinin değişik yerlerindeki çeşitli BER enzimlerinin varlığı normal hücre fonksiyonları için mtDNA bütünlüğünün korunmasında önemlidir. (1) Heteroplazmi ve Homoplazmi Hücreler nükleer genlerden 2 kopya taşımasına karşın haploid mitokondrial genlerden birçok kopya taşır. Homoplazmi hücrenin tüm mitokondrilerinin aynı genomu taşıma durumudur. Bu genom çoklu mtDNA kopyaları içerdiğinden, yaban tip ve mutant tipler bir arada bulunabilir. Bu durum da heteroplazmi olarak adlandırılır. Bundan dolayı, mutasyonun oluşturduğu biyolojik etki hücrenin mutant mtDNA oranına bağlı olarak değişiklik gösterebilir. MtDNA mutant mtDNA kopyasındaki artış ya da azalışın eşlik ettiği ve homoplazmiye yol açan mutasyonlar geçirir. MtDNA nokta mutasyonlarının basit klonal büyüme ile oluşup oluşmadığı tartışmalıdır. Çok sayıda somatik mtDNA delesyonlarının tek hücrede bir klonal büyüme sağladığı gösterilmiş olmasına rağmen, bu mutasyonların klonal büyümeye ya da homoplazmiye yol açtığı gösterilememiştir. (1) Eğer gerçekleşen mutasyon hücre büyümesi/sağkalım avantajı sağlıyorsa veya mtDNA replikasyonunu kolaylaştırıyorsa, böyle bir mutasyonun seçilim yolu ile kalıcı hale gelmesi muhtemeldir. Sonuçta bu mutasyon dominant hale gelebilir ve klonal büyüme ile homoplazmik hale gelecek şekilde evrimleşebilir. Mutant mitokondrial genomlu tek hücrenin, tümor gelişiminde seçici büyüme avantajına sahip olduğu kanıtlanmıştır. Böyle bir hücre tümör hücre popülasyonunda baskın hale gelebilir. Aynı zamanda, bazı mtDNA mutasyonları aslında bireyin prenatal gelişim esnasında oluşan ve homoplazmiye sürüklenmiş somatik mutasyonlardır. Homoplazmik mtDNA mutasyonlarının matematiksel bir yöntemle açıklandığı modele göre tümörlerde mtDNA mutasyon varlığı, tümör gelişimde oluşan çeşitli hücre soylarındaki mutant genomların rastgele ayrımından kaynaklanabilir. Daha ileriki bir modele göre ise, homoplazmik mitokondrial varyasyonlar kök hücrelerden köken almaktadır. Bu da mitokondrial genomdaki mutasyonun dominant hale gelebilmesi için seçici avantaja ihtiyacı olmadığı anlamına gelmektedir. Bu özel modelin geçerli olup olmadığı hala tartışmalıdır. Eğer seçici olmayan, avantaj sağlayan, rastgele mutasyonun bir temeli varsa, aynı zamanda orada başka mutasyonların varlığını da düşündürür. Bu mutasyonlar mitokondrial fonksiyonda ve hücre fizyolojisinde değişim yaratırlar. Bu bir anlamda tümör gelişiminde belirgin bir etkidir (1). Alterations as Markers of Cancer= Kanserin İşaretçisi Değişimler Mitokondri mutasyonlarının, kanser tanısı ve takibinde kullanılabilmesi için yeni moleküler yöntemler geliştirilmektedir. Hücre dizileri üzerinde yapılan çalışmalar hasarlı mtDNAların hızlı bir şekilde evrimleşmesi homoplazmik mutasyonlara yol açtığı göstermiştir. MtDNA içeriği ya da mutant kopya sayısı tespiti için yeni nesil dizileme tekniğini içeren yeni gelişmeler çeşitli doku ve vücut sıvılarının klinik çalışmalar için kullanılmasında teşvik edici olmuştur. İnsan idrarında yapılan incelemeler, baş/boyun, meme ve primer akciğer tümörlerinde mtDNA mutasyonlarının sık olduğunu göstermiştir. Başka bir çalışmada ise sigara içenlerde mtDNA kopya sayısı artışı ve akciğer kanseri riski arasında bir ilişki olduğu gösterilmiştir. Kanserin her bir tipinde mutant mtDNA kanserle eşleştirilmiş vücut sıvılarında kolayca tespit edilir (İdrar, tükürük, balgam vs). Histolojik olarak normal solunum mukozasında, bazı sigara kullanan akciğer kanserlerinin cerrahi sınırında ve nükseden baş-boyun kanser hastalarında klonal mtDNA mutasyonlarının p53 mutasyonlarından 19-220 kat daha çok olduğu gösterilmiştir.(1) Eğer bunun gibi değişimlerin işaretçi olarak kullanılması planlanıyorsa, hastalığın seyrinde erken evren klinik örneklerde tespit edilebilir. Bu tespit de erken kanser safhalarının tedavisinde yararlı olabilir. Üst solunum yolunda 93 premalignant lezyonda mtDNA D-loop mutasyonu tanımlanmıştır. Hiperplazilerin yüzde 22’si, hafif displazinin %33’ü, orta displazinin %36’sı, ağır displazinin %50’si ve CIS lezyonlarının (Karsinoma in situ = tek bir yerde oluşan kanser) %62’si mtDNA'nın D-loop bölgesinde mutasyon taşıdığı gösterilmiştir. Diğer 2 çalışmada, tüm mitokondrial genom ve D-loop bölgeleri gastrik intraepitelyal neoplazide sekanslanmıştır ve sekans değişkenleri vakaların %62-100’ünde tespit edilmiştir. D310 mutasyonunun klonal işaretleyici olarak kullanılmasıyla, araştırmacılar meme kanserinde ince iğne aspirasyonunda ve mesane ve prostat kanserli hastalardaki idrar örneklerinde bu bölgede değişiklikler olduğunu belirlenmiştir. 42 sağlıklı sigara kullanan ve 30 sigara kullanmayan insandan alınan ağız hücreleriyle yapılan çalışmada; kullananların mtDNA2’larında mutasyonların daha yüksek frekanslı olduğu belirtilmiştir. Kesin bir ilişki kurulamamasına rağmen mtDNA mutasyonlarının kanser gelişimini etkileme olasılığının daha fazla olduğu tespit edilmiştir (1). Çoğu kanser hücresinin homoplazmik mitokondriyal mutasyonları, klonal doğalarının hassaslığı ve yüksek kopya sayıları sebebiyle, erken kanser tanısı için güçlü bir moleküler işaretçi olabilir. İlgi çekici bir araştırmada, özel bir mtDNA mutasyonu (15296A>G; sitokromb) bir lösemi hastasından değişik zamanlarda alınan kemik iliği örneklerinde klonal olarak tespit edilmiştir ki bu da bu işaretleyicinin hastalığın gidişatının izlenmesinde bir rolü olduğunu göstermektedir. Bunların ışığında, uygun tespit platformlarını kullanarak farklı kanserlerin tüm evrelerinde hastalık-bağımlı klonal mtDNA mutasyonlarını tespit edebilmek önemlidir. Mitochip gibi yüksek işlem hacimli yaklaşımların gelmesiyle, bu mutasyonların erken tanı çalışmalarında önemli bir yere sahip olabilir. Çoğu kanser hücresi homoplazmik mitokondriyal mutasyonlar içerdiği için, vücut sıvıları ve minute hücre örneklerinde (biyopsiler gibi) tespit edilebilme kolaylıkları klinik kullanımda farklı olanaklar içermektedir. Daha önce belirtildiği gibi, mtDNA testleri üzerinden klonal genişlemenin kesin tanısı malignant gibi zor biyopsilerin tayin edilmesinde yardımcı olabilir. Erken kanser tespitinde kan, idrar, dışkı veya tükürük DNA’sı mtDNA testlerinde kullanılabilir. Klonal mtDNA mutasyonları ayrıca tekrarlama göstergesi olarak veya terapiye yanıtın gözlemlenmesinde kullanılabilir, hatta tedavi edici hedefler bile olabilirler. Son olarak, mtDNA mutasyonlarının iptali kemoengellemeye (kemoprevensiyon) maruz kalan hastalarda erken iyi huylu tümörlerin tersine dönüşünü gözlemlemede kullanılabilir. Tümörbağımlı mtDNA mutasyonlarının geçerliliği eşleşmiş normal ve tümör örneklerinin klinik olarak elde edilebilir örneklerde (eşleşmiş vücut sıvıları da dâhil) karşılaştırma yapılarak engelleme, erken tanı ve gözlem stratejilerinde tespit edilebilir (1). Somatik DNA Mutasyonları Tüm-genom dizileme çalışması ile somatik DNA mutasyonu 10 farklı kolon kanseri hücresi hattında dizilenmiştir. mtDNA analizini takiben pek çok somatik mtDNA dizi varyantı mesane, meme, yemek borusu, baş-boyun, lösemi, akciğer ve tiroid kanseri gibi pek çok kanser türünde tespit edilmiştir. İnsanda görülen bu tür kanserlerin çoğu bazı homoplazmik somatik mtDNA mutasyonları içerirken bazılarında homoplazmi ile heteroplazmi birlikte gözlenmiştir. ND2 geninde 4,977 baz çiftlik büyük bir delesyon meme ve karaciğer kanserini de içeren bazı kanser gruplarında araştırılmış ve delesyonun tümör olmayan dokularda neoplastik hücrelere göre daha çok olduğu belirlenmiştir. Bu, karsinogenezde delesyonu olmayan mitokondrilerin lehine güçlü bir seleksiyon baskısı olduğuna dair bir kanıttır (1). Önemli olarak, kanserde tanımlanan mtDNA mutasyonlarının çoğu toplumda normalde olan polimorfik mtDNA’lara benzemektedir ve çoğunun gözle görülebilir bir fenotipi yoktur. Bu, görünüşte nötral ancak homoplazmik somatik değişimler etkilenmiş kanser hücresinin basit klonal evrimine işaret etmektedir. Başka bir nükleer mutasyondan veya onkogenik yolun değişiminden etkilendiği farz edilmektedir. Bu tarz değişimler önemli klonal işaretleyicilerdir fakat etkilenmiş hücrelere gerçek bir büyüme avantajı sağlaması pek de olası değildir. Bu basit varyantların nasıl ortaya çıkıp daha sonra bağımsız hücrelerde homoplazmik hale geldikleri şu anda bilinmeyen bir durumdur (1). Yazılı eserler ve değişik filogenetik ağaçların analizi yapıldıktan sonra, pek çok hatanın yetersiz veri bazında araştırması ve örnek karışmalarından ortaya çıktığı görülmüştür. Bu araştırmacılar çok sayıda tanımlanmış “mtDNA mutasyonlarının” aslında farklı haplogruplara ait nötral tek nükleotit polimorfizmleri olduğunu tanımlamıştır. Bu, populasyondaki nötral SNP’ler ve hastalık-bağımlı mutasyonlar arasındaki ayrımı anlamaya yardımcı olacaktır (1). Mutasyon tespitinin öneminin kullanılan metodun hassaslığına ve başlangıç DNA’sının kalitesine bağlı olduğu bilinmelidir. Örneğin, mtDNA mutasyonlarının çoğu tek hücre analizi kullanılarak tespit edilebilirken, çoğu mutasyon pooled hücrelerden elde edilen DNA kullanılınca tespit edilemez. Göz önüne alınması gereken başka bir şey de tanımlanmış mutasyonların çoğunun eşanlamlı olduğudur. Yakın zamanda uterocervical ve mesane kanserlerindeki tümör-bağımlı mtDNA mutasyonları üzerinde yapılan fonksiyonel araştırmalar kanser ilerlemesindeki rollerini ve mitokondri biyolojisi üzerindeki etkilerini anlamamıza yardımcı olabilir. Bunun gibi araştırmalar mitokondriyal genetik mutasyonların ve yüzyıllardır bilinen kötü fenotiplerin ortaya çıkması arasında bir ilişki oluşturabilir. Bu çalışmalar mitokondriyal mutasyonların kötü fenotiplerin oluşumu ve gelişimine neden olan metabolik yolları aktive ettiğini gösterebilir. Dahası, yükselmiş hücresel ROS üretimi mitokondriyal genomda mutasyonlara yol açan sürekli bir genetik durum oluşturur, ki bu da oksidatif fosforilasyon zincirini etkileyebilir (1). Üreme hücrelerindeki dizi varyasyonları farklı tümörlerde gözlenmiştir ve yüksek etkilenebilirlikte bir genetik arka planın göstergesi olabilir ki bu da mtDNA ve nDNA da somatik mutasyonlara eşlik edebilir. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada mtDNA A10398G polimorfizmi ve alkol tüketiminin meme kanseri riskiyle ilişkili olduğu gösterilmiştir. Ancak, araştırmacılar inceledikleri örnekleri haplogruplara ayırmakta başarısız olmuşlardır. Bu çalışma sonuçlarının tartışılması ışığında, mtDNA polimorfizmi ve meme kanseri arasındaki ilişki daha da araştırılmalıdır. Ayrıca, mtDNA-SNP araştırmalarında populasyonun SNP dağılımının düzgün planlanmasından sonra haplogruplara ayrılması önemlidir (1). mtDNA Kopya Sayısı mtDNA mutasyonları ve delesyonların yanı sıra mtDNA kopya sayısındaki değişimler de değişik tümör tiplerinde çalışılmaktadır. Baş-boyun squamous cell carcinomada, papillary thyroidde, akciğer kanserinde mtDNA kopya sayısında bir artış gözlenmiştir. mtDNA kopya sayısındaki artış aynı zamanda chronic lymphocytic leukemia (CLL), Burkitt lymphoma, Epstein-Barr virus–transformed lymphoblastoid cell lines, nonHodgkin’s lymphoma ve small lymphocytic lymphoma ile de ilişkilendirilmektedir. Bunun tersine, mtDNA kopya sayısında azalma meme, böbrek, karaciğer, yumurtalık ve mide kanseri gibi bazı tümör tiplerinde gözlenmiştir ve bu azalmanın hastalığın metastazı ve ilerleme riskiyle ilişkili olduğu öne sürülmektedir. Kanserlerde mtDNA kopya sayısı birkaç faktöre bağlı olabilir (Mutasyonun olduğu mitokondriyal genom bölgesi gibi). Örneğin, mitokondrinin D-loop bölgesindeki mutasyonlar, mtDNA’nın replikasyonunu kontrol ettiği için, kopya sayısında azalmayla sonuçlanabilir. mtDNA kopya sayısında artış da mitokondriyal işlev bozukluğuna adapte olmuş bir yanıt olarak ya da çekirdekte dolaylı olarak mtDNA kopya sayısını kontrol eden genlerde ortaya çıkan mutasyonlar sonucu oluşabilir. Özellikle de bu yoldaki tüm aşamalar kesin bir şekilde tanımlanamadığı sürece mtDNA kopya sayısını kontrol eden daha aktif bir mekanizmanın olma ihtimali göz ardı edilemez (1). Kemoterapi ve mtDNA Mutasyonları: Kanser gelişimi ve yayılımı mtDNA kusurlarından kaynaklanabilir. Kemoterapik ajanlar DNA’ya zarar verirken mtDNA ya da zarar verir. Bu da mitokondrisel ROS üretimini etkiler. Çin hamster yumurta hücresi 24 saat boyunca kemoterapik bir ilaca maruz kaldığında (cis- diamindikloroplatinum II) mtDNA ve DNA hasarı oluştuğu gözlenmiştir. Bu hasar akla kemoterapi alan hastalarda ROS miktarının oldukça fazla olabileceği düşüncesini getirmiştir ve bunun üzerine kemoterapi alan ve farmakoterapi alan hastalar karşılaştırılmıştır. Kemoterapik ilaçların aslında DNA’dan çok mtDNA ya zarar verdiği gösterilmiştir. Fakat kemoterapinin DNA üzerindeki doğrudan sonuçlarını görmenin mi yoksa mtDNA’yı etkileyip ROS’lar aracılığıyla solunum zincirini kırmanın mı daha fazla faydalı olduğunu hesaplamak zor olduğundan çalışma bu aşamada kalmıştır. Mitokondrinin ROS arttırıcı özelliği kanser hücrelerinin de kemoterapiye olan hassasiyetini etkileyebilir. Klinik ilaçlara direniş göstermek multifaktöriyel bir durumdur ve mtDNA mutasyonu ise bu durumlardan sadece biridir. ROS artışı ile kanser hücrelerinde oksidatif stres oluşturmak stratejik bir yöntemdir. Çünkü bu durum glikolitik süreçte hücrenin potansiyelini etkiler (Warburg etkisi). Böylece izositrat dehidrojenaz 1’i (IDH1) biyolojik marker gibi kullanılarak ilaç geliştirmeye çalışılmıştır (1). Bir diğer terapötik bir yol ise; tümör oluşumunda etkili olan allotropik gen ifadelenmesidir ki bu yolun kullanımını zor kılan şey oluşan protein dizisinin yüksek hidrofobitesi yüzünden mitokondriden sitoplazmaya geçişin zorlaşmasıdır. Self- splicing kullanarak yeniden düzenlenen bu proteinlere ‘mitocans’ adı verilmiştir. Mitokanlar hücrede destabilizasyon sağlayıp apoptozis uyarısı oluşturabilir, bu da kemoterapik bir ilaç gibi etki gösterir. Ayrıca bu yöntem yüksek seçicilik sağladığı için çok etkili olduğu düşünülmektedir (1). ROS’un Mitokondriyal Ürünleri Mitokondri enerji metabolizması, ROS aktivitesi, apoptoz gibi önemli olayları gerçekleştirmektedir. En karakteristik özelliği ise oksidatif reaksiyonlarla NADH yükseltgeyip ATP üretmektir. Bu çok adımlı redoks reaksiyonu mitokondrinin iç zarında gerçekleşir. ETZ de elektronlar kompleks 1 den oksijene indirgenirken ROS denilen serbest radikaller oluşur. İntron eksilmeleri kodlama bölgelerinde çok fazla hata oluşmasına neden olur. Zaten bu biyolojik bir sonuçtur. Komplekslerin herhangi birinin ifadelenmesinin azalması çok çeşitli kanserleri tetikler. Bu karmaşık kompleksteki hatalar; 1. mtDNA ve nükleer gen 2. Enzimatik oksidatif hasar 3. ROS üretimine neden olur KOMPLEKS 1: (NADH Dehidrogenaz) Mitokondri iç membranındaki c1 elektronları NADH dan alıp koenzim Q ya verir. 46 altbirimden 7 tanesi mitokondride kodlanır. Buradan 249 nükleotit silinmesi “renal adenocarcinoma” ya neden olur. Antioksidan savunmayı devreye ROSların değil de kompleks 1 mutasyonlarının sokması ilginçtir. Kompleks 1 kaynaklı tümörlerin fare hücrelerindeki metastaz potansiyelini nasıl etkilediği üzerine çalışılmış ve net bir sonuç alınamamıştır. mtDNA daki mutasyon birikimi kompleks 1 ve 3 te kayıplara neden olmuştur (1) . Kompleks 1 deki aktivasyon düşüklüğü genellikle diğerleriyle beraber gözlenmiş ve hücre pozitif seçime gitmiştir. Böylece aktiviteyi bir diğer kompleks 1 aktivitesi ile değiştirir veya destekler (1). KOMPLEKS 3: 21 baz eksilmesi üzerine ifadelenme mitokondrisel mutasyonunda kodlanmış olarak sitokrom b (kompleks 3) ilişkili ve uroepitalcarcinoma hücrelerinde ROS artışı, laktat ürünü artışı olur. Sabit mutant kolonisi(insan ve sıçan bağırsağında) saldırgan bir fenotip oluşturur. Normal sağlıklı dalak hücrelerini de bozarak savunma sisteminden kaçabilmektedirler (1). KOMPLEKS 4: OXHPOS un bozulması ile ROS level artışı mtDNA hasarı oluşturur. Kompleks 2 nin düşük ifadelenmesi beraberinde kompleks 1 ve 3 le ilişkisi sonucu çeşitli kanser oluşumu gözlenir (1). KOMPLEKS 5: Bu kompleksin prostat kanseri ile ilişkili olduğu bilinmektedir. Petros ve ark. cybrid fare hücreleri üzerinde çalışırken wild-tipe hücrelere göre tümör nodülünün 7 kat daha fazla yayıldığını ve kemik metastazı yaptığını görmüştür (1). Mitokondri Savunma Sistemi Mitokondride süperoksit radikalleri ve hidrojen peroksit gibi ROS’ların yükselmesi, mitokondrideki suda O2 miktarının azalmasına (total %1 ve %2’lik O2 tüketimine) bağlıdır. Antikanser ajanlarda, invazyon ve metastazda görülen oksidatif stres, çoğalma ve genomik dengesizlik; hücresel duyarlılık değişimi gibi birkaç hücresel fonksiyonu etkileyebilir. Savunmanın ilk hattında hücreler, SOD’lar aracılığıyla süperoksiti, hidrojenperoksite ve O2’e dönüştürebilir. MnSOD’un yüksek ekspresyonu, oksijen direncine ve tümörlerde görülen büyümenin geç gelişmesine liderlik eder. Ayrıca; sinyal transdüksiyon kademelerinin modülasyonu, bağ dokularda bozulma ve bunların sonucunda kanser oluşumu, MnSOD’un dengesiz ekspresyonuna bağlanır. MnSOD ekspresyonundaki artış da azalış da, kanser hücreleri ile ilişkilendirilmiştir. Bu nedenle kesin sonuca varılamamaktadır. Kesin sonuca varılamama nedenleri üç başlık altında toplanmıştır. Bunlar: a)Deneylerin farklı popülasyon gruplarında yapılması, b)Farklı çalışmalar arasında enzim seviyelerini ortaya çıkaran tekniğin kullanılması, c)Çalışmaların farklı kanser tiplerinin, farklı derecelerinde yapılmasıdır. Enzim fonksiyonunu etkileyen polimorfizm ve exon 3’teki mutasyon, enzim aktivitesindeki azalış ve dengesiz ekspresyon, farklı kanser türlerindeki MnSOD ‘un değişken ekspresyonuyla ilişkilidir. MnSOD; var olan korumanın (savunmanın) kaybolmasından ve hasarın yüksek dozda olmasından daha öte bir noktaya sahip çıkmaktadır. Bu durum hiç beklenmedik bir şekilde, yüksek düzeydeki MnSOD aktivitesi ile ayrıca desteklenmektedir. Oysa ki hücre büyümesini baskılama kanser hücrelerinin istila potansiyelini arttırır. Bu durum muhtemelen O2- ‘nin üretimi ve H2O2 bozulması arasındaki dengesizlikten kaynaklanmaktadır. H2O2 radikal değildir. Ancak oksidatif hasara aracılık etme konusunda oldukça yetenekli bir moleküldür. Ortamda serbest geçiş metali varlığında, reaksiyona girip OH- oluşturabilir. H2O2’yi ortadan kaldırma ikinci kritik basamaktır. Bu basamağa Glutatyonperoksidaz vasıta olur. Gpx selenyum içeren tetramerik bir glikoproteindir. 4 selenosistein aminoasit kırıntısı içeren bir moleküldür ve glutatyon ile reaksiyona girerek, su oluşumu için H2O2 miktarını azaltır. Yüksek seviyede Gpx; bağırsak, gastrointestinal ve kolorektal kanserlerde rapor edilmiştir. Oksidatif stresin tümörün oluşumunda rol oynadığı öngörülmektedir. Ancak bu bulgulara karşıt sonuç veren Gpx konsantrasyonundaki düşüş CLL, prostat kanseri ve mesane kanserlerinde rapor edilmiştir. Hücre yüzeyinde bulunan antioksidanların artması, oksidatif stres (Gpx gibi) tarafından uyarılmıştır. Oksidatif stresin, meslektaş hücreler üzerindeki tümör hücrelerinin seçimli büyümeye danıştığı söylenebilir. Hücreleri ROS kaynaklı hasara savunmasız kılan zayıf enzimatik antioksidan savunma sistemi; düşük ya da azalmış Gpx içeren tümör dokusuna işaret olabilir. Diğer savunma sistemi; H2O2’yi çeviren katalazdır. Katalaz peroksizomda ve sıçan kalbi ile mitokondrisinde bulunur. Katalaz en büyük enzim döndürücüsüdür. Katalazın hem pozitif yönde hem de negatif yönde düzenlenmesinin katalaz aktivitesinde düşüşe neden olduğu bağırsak kanserinde rapor edilmiştir. Enzim regülasyonunun tutarsızlığı çalışmalarda kullanılabilecek örnek metot olabilir. Katalaz promotorundaki beklenmeyen metilasyon, katalaz transkribinin negatif yönde düzenlenmesine neden olabilir. Bu durum ROS seviyelerini de etkiler. Bu negatif yönde düzenleme karsinomalarda gözlenmiştir ancak bu düşüşün nedeni kesin olarak bulunamamıştır, sonuçları tahmin edilememektedir. Katalaz ekspresyonunun azalmasının sonuçlarından biri tümör devamlılığınca transkripsiyon faktörünün kaldırılmış olması olabilir. Karaciğer tümörlerindeki katalaz redüksiyon aktivitesinin erken gerçekleşen biyokimyasal değişiklikleri bu kanser türünde gözlemlenebilir. Tümörden arındırılan düzeydedir. bir metabolizmada katalaz aktivitesi normal Buluşlar özellikle ROS’un, H2O2’nin kanserden bağımsız tutulamayacağını gösterir. Ayrıca düşen kataliz aktivitesinin SOD’u yükselteceği; eğer SOD derişimi düşerse Gpx aktivitesi düşmesinin intrasellüler H2O2 oluşumuna liderlik yapacağı ya da oksijenin radikal ürünlerinin DNA hasarına ve kanser yayılımına neden olacağı kanıtlanmıştır. mtDNA Tamir Mekanizması DNA tamiri, genetik kararlılığı sağlamak için önemli bir fonksiyondur. Bu nedenle, her biri belirli bir sınıf hasar ile ilişkili birden çok DNA onarım yolu mevcuttur. Endojen DNA hasarının ana kaynağı oksidatif fosforilasyonla üretilen ROS’tur. DNA hasarının eksojen kaynakları; UV ışığı, iyonlaştırıcı radyasyon, kimyasallar, toksinler ve kirleticiler gibi çevresel ajanlardır. Daha önce de belirtildiği gibi, devam eden üretimdeki ROS nedeniyle oluşan DNA modifikasyonlarına, mitokondriyal DNA’da nükleer DNA’ya göre daha yüksek frekansta rastlanır ve bu durum mtDNA’yı kanserin işareti olan mutasyona daha duyarlı hale getirir. Bu nedenle mitokondride oksidatif hasarlı bazları kaldırmak için endojen DNA onarım mekanizmaları olması şaşırtıcı değildir. Çok yönlü eksizyon tamir yolları, endojen BER lezyonunun onarımından sorumludur. Bu, bugüne kadar mitokondride rapor edilmiş tamamen sağlam tek tamir sistemidir. Çekirdekte BER’in sondan önceki 2 adımı, 5’deoksiriboz-5-fosfat liyaz’dan oluşan DNA polimeraz-ß ve DNA polimeraz aktivitesi üzerinden gerçekleştirilir. Bunu, tamir edilmiş DNA ipliğinin, DNA ligaz ile katılması takip eder. Mitokondride fonksiyonel olduğu bilinen tek DNA polimeraz, polimeraz-γ (pol-γ)’dir ve bunun mitokondriyal BER’de fonksiyonu olduğu varsayılır. İnsanda, pol-γ 140 kDa katalitik alt birimden ve 55 kDa aksesuar altbirimden oluşmaktadır. Pol-γ’nin katalitik alt birimi, 5'-deoksiriboz fosfatazliyaz aktivitesi sergiler ve nükleotiddeki BER yolu ile oluşan boşlukları doldurabilir. Pol-γ’nin polimeraz veya eksonükleaz alanlarının her ikisindeki mutasyonlar da mtDNA mutasyonlarının sıklığının artmasına sebep olmuştur. MtDNA hasarını takiben hangi pol-γ’nın mitokondriyal genomun istikrarını sağlayan moleküler mekanizmayı oluşturduğu bilinmemektedir. MtDNA tamirinin zayıf yönünün pol-γ’nın mitokondri içinde H2O2 ile oksidasyona uğraması olduğu sanılmaktadır. Fare çalışmaları, pol-γ’nın, embriyonik gelişim ve mtDNA bakımı için mutlak önemini ortaya koymuştur. Somatik mtDNA mutasyonlarındaki bu artış, yaşlanma dahil birçok değişim ile birleşir, ama kanser için daha yüksek bir görülme sıklığı bildirilmemiştir. Yalnızca nokta mutasyonu mtDNA değil lineer mtDNA’da da gözlenmiştir. Bu, replikasyonun durmasına ve kromozomlarda kırılmaya, mtDNA’nın ve yaşlılık özelliklerinin metabolizmasının karışmasına sebep olur. Bu çalışmaların ışığında Vermulst ve meslektaşları heterozigotpol-γ mutasyonuna uğramış farenin, yaşlılık fenotipinde hiçbir korelasyon olmadan normal bir fare ile karşılaştırıldığında 500 kat yüksek mutasyon sergilediğini bildirdi. Aynı yazarlar ilerleyen yıllardaki çalışmalarında homozigot, pol-γ mutasyonuna uğramış farenin mtDNA mutasyonunun 7-11 kat arttığı gözlenmiş ve yaşlılığının hızlanması yabanıl tip heterozigot mutant bir fare ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalar pol-γ’nın, çok sayıda saptanmamış mitokondriyal mutasyonları olan ve yine de normal yaşlanma hızına ulaşan heterozigot taşıyıcılarının yaygın olabileceğini düşündürmektedir. DNA glikozilazlar BER tarafından mtDNA’nın tamirine katılırlar. Bulunan ilk DNA glikozilaz, DNA’dan urasili kesen urasil DNA glikozilazdır. Urasil miktarı ayrıca spontan bir sitozin deaminasyonu ile veya DNA replikasyonu sırasında adeninin karşısına dUMP’nin yanlış birleşmesi G:C’nin A:T ye dönüşümünde mutasyona uğraması ile artabilir. UDG’nin farklı promotorlardan ve alternatif ekleme ile trasnkripsiyonu sonucunda nükleer ve mitokondriyal olmak üzere iki izoformu oluşmuştur. Mitokondriye özgü UDGnin mtDNA için mutajenik olduğu gözlenmiştir. UDG mitokondri içindeki enzimlere karşı sorumludur. Çalışmada mtDNA tamirinin ve hücresel yaşamın rekombinant hedeflerle geliştirildiği gösterilmiştir. Çalışmalar HOGG1 mitokondride ifadelendiğinde mtDNA onarımını ve mt savunma mekanizmasını geliştirdiğini göstermiştir. Tüm bu bilgilerin ışığında mtHOGG1 DNA hasarı yaratan ajanlara karşı bir savunmadır. Bu çalışmaların hepsi BER enziminin ne kadar önemli olduğunu gösterir. Ama BER’in fazla ifadelenmesinden kaynaklanan hasarlar mt tarafından onarılamaz. Sonuç Oksidatif fosforilasyondan sorumlu olan mitokondri hücresel enerjinin üretim merkezidir. İhtiyacı olan proteinlerin çoğunluğu çekirdek DNA’sı tarafından kodlanan mitokondri halkasal, ikili sarmal yapıda ve 37 gen içeren bir genoma sahiptir. Toplam uzunluğu yaklaşık 16 600 nükleotid uzunlukta olan bu genomdan her organelde onlarca kopya bulunur. Mitokondrial ETS, ROS'un en önemli kaynağıdır. Yüksek düzeyde ROS kanseri de içeren çeşitli hastalıklarla ilişkilidir ve genellikle DNA hasarına neden olan redoks sinyalizasyon basamaklarıyla ilişkilendirilmiştir. Mitokondri sürekli bir şekilde ROS ürettiği için organel içindeki DNA molekülü kimyasal hasara yatkındır. MtDNA çekirdek DNA’sına göre 10 kat daha fazla mutasyon biriktirir. Kanser hücrelerinde mtDNA mutasyonları görülürken aynı zamanda mtDNA kopya sayılarının değiştiği de bilinmektedir. Bu durum, gen ifadelenmesi ve ETS aktivitesini doğrudan etkiler. Mitokondride ROS’ları etkisizleştirmek için birkaç antioksidan savunma mekanizması bulunmaktadır. . Bu antioksidanlar genellikle tümör hücrelerinde eksiktir. Sonuç olarak, hücrelerdeki kalıcı (sürekli) oksidatif stres kanser büyümesine ve metastaza yol açar. Önemli bir mtDNA onarım mekanizması Baz Çıkarım Mekanizmasıdır. Önemli olarak, kanserde tanımlanan mtDNA mutasyonlarının çoğu toplumda normalde olan polimorfik mtDNA’lara benzemektedir ve çoğunun gözle görülebilir bir fenotipi yoktur. Bu, görünüşte nötral ancak homoplazmik somatik değişimler etkilenmiş kanser hücresinin basit klonal evrimine işaret etmektedir. Başka bir nükleer mutasyondan veya onkogenik yolun değişiminden etkilendiği farz edilmektedir. Bu tarz değişimler önemli klonal işaretleyicilerdir fakat etkilenmiş hücrelere gerçek bir büyüme avantajı sağlaması pek de olası değildir. Bu basit varyantların nasıl ortaya çıkıp daha sonra bağımsız hücrelerde homoplazmik hale geldikleri şu anda bilinmeyen bir durumdur. Kanser gelişimi ve yayılımı mtDNA kusurlarından kaynaklanabilir. Kemoterapik ajanlar DNA’ya zarar verirken mtDNA ya da zarar verir. Bu da mitokondrisel ROS üretimini etkiler. Mitokondrinin ROS arttırıcı özelliği kanser hücrelerinin de kemoterapiye olan hassasiyetini etkileyebilir. Klinik ilaçlara direniş göstermek multifaktöriyel bir durumdur ve mtDNA mutasyonu ise bu durumlardan sadece biridir. ROS artışı ile kanser hücrelerinde oksidatif stres oluşturmak stratejik bir yöntemdir. Çünkü bu durum glikolitik süreçte hücrenin potansiyelini etkiler. Sonuç olarak, mitokondride meydana gelen mutasyonlar değişik şekillerde genomu etkileyerek çeşitli kanserlere sebep olabilir.Son yıllardaki çalışmalar,özellikle bu kanser türleri ve mitokondri mutasyonlarının ilişkisini incelemenin yanı sıra tedavi yöntemlerin ve takip yöntemlerine alternatifler üreterek bu karmaşık konuya ışık tutmaktadır. KAYNAKLAR 1. Chandra D, Singh KK. Biochim Biophys Acta. 2011 Jun;1807(6):620-5. 2. Chatterjee A, Dasgupta S, Sidransky D. Cancer Prev Res (Phila). 2011 May;4(5):638-54 3. Shen L, Fang H, Chen T, He J, Zhang M, Wei X, Xin Y, Jiang Y, Ding Z, Ji J, Lu J, Bai Y. Ann N Y Acad Sci. 2010 Jul;1201:26-33.
