Septin3' ün nöronal dallanma üzerindeki etkisinin tau tarafından düzenlenmesi

Hücre iskeleti, hücre için son derece gerekli olup hücre içi molekül taşınması, hücre hareketi, hücre bölünmesi gibi önemli mekanizmalarda görevli ağ şeklinde bir yapıdır. Ökaryotik hücrelerde hücre iskeleti aktin filamentler, ara filamentler ve mikrotubullerden oluşur. Mikrotubuller (MT), alfa ve beta tubulin heterodimerlerinden oluşurlar ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların kutuplara çekilmesi, hücre hareketi, nöron hücrelerinde yapının şekillenmesi ve akson ile dendritik gibi nöronal yapıların oluşmasında görevlidir. Nöronlar mikrotubul yapısından oluşurlar ve kendilerine özgü bu yapıları oluşturması, özel görevlerini gerçekleştirmesinde etkili olur. Mikrotubuller 'dinamik kararsızlık' adı verilen bir özellikle ile alfa ve beta tubulin monomelerinin polimerizasyonu ve depolimerizasyonu sonucu mikrotubuller yeniden yapılandırılmaktadır. Mikrotubullerin hızlı büyümesine 'kurtarma', GTP-başlıklı artı uçtan alt ünite kaybına uğramasına 'katastrofi' ismi verilmiştir. Katastrofi için gerekli olan enerji GTP hidrolizi ile sağlanmaktadır. GTP'nin hidroliz edilemeyen formu olan GMPCPP ile gerçekleşen deneylerde, mikrotubullerin dinamik instabiliteyi gerçekleştirmediği gözlemlenmiştir. Uzun mikrotubuller hareketsizdir ve hareket edip taşınabilmesi için küçük parçalara kesilmesi gerekmektedir. Katanin, p60-katanin ve p80-katanin olarak isimlendirilen ve sırasıyla 60 kDa ve 80 kDa büyüklüğündeki iki alt birimden oluşan bir mikrotubul kesim enzimidir. p60-katanin, KATNA1 geni tarafından kodlanırken, p80-katanin KATNB1 geni tarafından kodlanmaktdır. p60-katanin, katanin proteininin küçük alt birimi olup üzerinde çok çalışılan, özellikle nöronlarda dallanma oluşumu açısından önemli bir proteindir. C-terminalinde bulunan AAA bölgesi proteine ATPaz özelliği kazandırmakta, dolayısıyla p60-katanin mikrotubulleri kesmek suretiyle büyük parçalardan küçük mikrotubul parçaları oluşumunu sağlamaktadır. p80-katanin'in enzimatik aktivitesi olmamakla birlikte, p60-katanin aktivitesinin düzenlenmesinde ve p60-katanin'in sentrozoma yönlendirilmesinde görevlidir. Mikrotubullerin kesilmesi hem bölünen hücrelerde hem de bölünmeyen nöronlarda akson ve dendrit gibi proseslerin dallanmalarında önemli rol oynamaktadır. Hareketsiz mikrutubuller nöronlarda bulunmaktadır. Nöronların hücre gövdesinde üretilen proteinlerin akson uçlarına kadar taşınabilmesi için görevli bir sabit yapıya ihtiyacı vardır. Kesilen mikrotubuller taşınmaktadır. Bu mekanizma mikrotubul ile ilişkili proteinler (MAP) tarafından kontrol edilmektedir. Septinler 1967 yılında Saccharomyces cerevisiae ile yapılan bir çalışmada, ısıya-duyarlı-ölümcül mutantların hücre çeperi oluşumundaki sorunlardan dolayı koloni oluşturamamasının sebebi olarak ortaya çıkmıştır. Septinler, evrimsel olarak korunmuş GTPaz ailesidir. Bitkilerde ve protistlerde bulunmazken, mantarlar ve hayvanlarda çok sayıda mevcuttur. Septinlerin temel özelliği, filamentler oluşturabilmeleridir. Filament oluşumu GTP hidrolizine bağlı, hetero-oligomerik komplekslerin daha üst seviye yapılar oluşturmasıyla gerçekleşir. Farklı septin alt gruplarını içeren septin proteinleri 1:1:1 veya 1:1:1:1 sitokiyometrik oranlarla GTP hidrolizinden açığa çıkan enerji sayesinde bir araya gelerek hetero-heksamer veya hetero-oktomer oluşturmaktadır. Bu hetero-oligomerler daha sonra polar olmayan filament demetlerini ya da sitokinez sırasında meydana gelen dairesel bölümleri oluştururlar. Temel bir septin hetero-trimeri sırası ile Septin2-Septin6-Septin7-Septin3 grubu septin proteinlerinin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Daha sonra bu trimer uç kısımlarda bulunan Septin2-Septin2 ve Septin3-Septin3 bağlanması ile hetero-oktomer oluşturmaktadır. Bu oluşum, birbirini takip eden septin proteinlerinin GTPaz bölgeleri arasında, korunmuş etkileşimler sayesinde gerçekleşmektedir.Septin ailesinin birçok üyesinin mikrotubul ve aktin ağı ile bir arada ya da etkileşim halinde bulunduğu saptanmıştır. Buna ilaveten, Septinler, MAP'lerle birlikte mikrotubul dinamiğini düzenlemede de önemli rol oynarlar. Septin3 nöron-spesifik bir proteindir ve on iki doku ile yapılan inceleme sonucu yalnızca beyinde saptanmıştır. Sinaptozom ve presinaptik terminallerde yoğun bir biçimde bulunmaktadır. Septin3, başka bir beyin-spesifik Septin olan Septin5 ile ko-lokalize halde bulunmuştur. Hippokampal nöronların sinapslarında yapılan bir araştırmaya göre, Septin3' ün Septin5 ve Septin7 ile beraber presinaptik kompleks oluşturduğu gösterilmiştir. MT'lerin kesilmesinin ya da stabil kalmasının regülasyonu da tamamiyle MAP'ler aracılığıyla gerçekleşir. MAP'ler üzerinde yapılan fosforilasyon gibi modifikasyonlar p60-katanin gibi kesici enzimlerin MT'lere ulaşabiliriliğini değiştirmektedir. Örneğin, bir mikrotubul bağlanma proteini olan MAP4'ün nöronal olmayan hücreler üzerinde düzenleyici etkisi olduğu görülmüştür. Nöronal hücreler MAP4 içermemektedir; ancak başka bir çalışmada mikrotubule bağlanan bir protein olan nöronal Tau'nun, mitotik MAP4 gibi, aksonların p60-katanin tarafından kesilmesini önlediği gösterilmiştir. Nöronlara spesifik bir MAP olan Tau'nun mikrotubul polimerizasyonu üzerindeki etkisi in vitro olarak incelendiğinde nukleasyonu teşvik ederek MT polimerizasyonunun hızını ve derecesini uyardığı, böylece katastrofi evresine geçiş oranını direkt olarak düşürdüğü gözlemlenmiştir. Çok düşük miktarlarda dahi Tau mikrotubullerin katastrofi sıklığını dramatik olarak azaltmıştır. Aynı zamanda, Tau mikrotubuller ile etkileşim halindedir ve aktin filamentlere bağlanarak bundle (demet) oluşturabilirler. Mikrotubuller, mikrotubul asosiye Tau proteini ile bağlanarak stabilize edilirler. MAP'ler katanin-mikrotubul interaksiyonunun gerçekleşme ihtimalini azaltmaktadır. Bunun sebebi ise MAP varlığında katanin alt ünitelerinin mikrotubul etrafında heksamer oluşturamayarak onu kesme aktivitesi gerçekleştiremiyor olmasıdır. Hiperfosforilasyon ile MT'lerden ayrılan Tau, p60-katanin'in MT'lere erişebilirliğini arttırmıştır. Bu bağlamda p60-katanin'in modifikasyondan bağımsız olarak Tau ile olası etkileşimi de MT dinamiği açısında önem kazanmaktadır. Aynı zamanda, Septinlerin anafazda mitotik iğ ipliğine, telofazda ise orta cisimciğe lokalize olması ve p60-katanin'in benzer şekilde hücre siklusu boyunca yoğun bir şekilde sentrozomlarda ve mitotik mekiği oluşturan mikrotubuller üzerinde lokalize olması; p60-katanin ve septinlerin mikrotubul dinamiğinin düzenlenmesinde birlikte rol alabilecekleri fikrini ortaya çıkarmştır. Bu çalışmada, p60-katanin ve Septin3 ilişkisi üzerinde bir mikrotubul-bağlanma proteini olan Tau' nun etkisi hem mitotik hem de nöronal diferansiyasyon/dallanma üzerindeki etkisinin araştırılması amacıyla post-mitotik hücrelerde incelenmiştir. Septin3 ve Tau' nun fiziksel etkileşiminin incelenmesi amacıyla yetişkin sıçan beyninden izole edilen protein kullanılmış ve Septin3 ile Tau' nun etkileştiği ancak, p60-katanin ve Tau' nun fiziksel olarak etkileşmediği görülmüştür. Septin3 ve Tau' nun ko-lokalizasyonu RFL6 ve primer kortikal nöron hücrelerinde yapılan immunositokimya (ICC) deneyleriyle gösterilmiştir. Aynı zamanda, primer kortikal nöron hücrelerinde yapılan over (aşırı)-ekspresyon ve gen susturulması deneylerinde, Septin3 over-ekspresyonunun akson uzaması/kalınlığı ile dendiritik-spine (iğne) oluşumunu arttırdığı görülmüştür. Septin3 ve Tau ağırlıklı olarak aksonda ko-lokalize olmuştur. Septin3 ve/veya Tau yokluğunda ise akson uzamasında hasar meydana gelmiştir. Bu çalışmadaki bulgularımız, Septin protein ailesinin diğer üyeleri gibi Septin3' ün de filament formasyonu oluşturduğunu göstermiştir. Aynı zamanda, nöronal bir Septin olan Septin3' ün nöronal polarizasyonda görevi olduğu bulunmuştur. Nörotransmitter salınmasında önemli bir göreve sahip olan dendiritik iğne oluşumu Septin3 over (fazla)-ekspresyonu ile artmıştır. Septin3 ve bir mikrotubul ile ilişkili protein olan ve nöronlarda yoğun olarak bulunan Tau' nun etkileşim içinde olduğu ve yoğun olarak aksonda ko-lokalize olduğu ve beraber görev yaptığı gösterilmiştir. Tau' nun p60-kataninin mikrotubuller üzerindeki koruyucu etkisi bilinmekte olup, Septin3 filamentleri üzerinde benzer bir etkisi olup olmadığı araştırılmış, olabileceği düşünülmüş ancak daha ileri deneyler yapılarak kesin sonuca varılabileceği düşünülmüştür.