Solujen viestintäjärjestelmät. Katri Koli, Solu- ja molekyylibiologian dosentti Helsingin Yliopisto

Transkriptio

1 Solujen viestintäjärjestelmät Katri Koli, Solu- ja molekyylibiologian dosentti Helsingin Yliopisto

2 Solujen kasvu Geneettinen koodi Liukoiset viestimolekyylit Kontakti ympäristöön Kantasolut ja solujen erilaistuminen Epänormaali kasvu / Syöpä Heino, Vuento: Biokemian ja Solubiologian perusteet Luku 11. Tiedonsiirto soluissa Luku 15. Kantasolut Luku 16. Syöpä [Alberts et al., Molecular biology of the cell/5th edition, 2007 (luvut 15,19, ja 20 soveltuvin osin)] Lehtonen ja Thesleff, 1990

3 Viestintä elimistössä Neurologinen viestintä hermosto Hormonaalinen viestintä Varsinaiset hormonit Paikalliset kudoshormonit eli kasvutekijät ym. Solutasolla lisäksi Suora kontakti solujen välillä Kontakti solun ulkoiseen matriksiin (soluväliaine)

4 Solujen uusiutuminen ja kasvu Alkionkehityksen aikana yhdestä solusta muodostuu kaikki elimistön solut ja kudokset Geneettiset tekijät määräävät lajille tyypillisen koon Aikuisessa yksilössä solut uusiutuvat myös Veren punasoluja muodostuu noin 2 milj./sek Ihon ja suolen epiteelisolut uusiutuvat jatkuvasti Jatkuvasti uusiutuvat kudokset alttiita DNA virheille ja siten pahanlaatuisen kasvaimen muodostuminen todennäköisempää näissä kudoksissa Kudosvaurion yhteydessä kasvu aktivoituu ja vaurion parannuttua pysähtyy

5 Solujen kasvua säätelevät: Sisäiset tekijät Geneettinen informaatio DNA:n telomeerirakenteet Ulkoiset tekijät/kasvuympäristö Liukoiset tekijät Solu-solu kontaktit Solu-soluväliaine vuorovaikutus

6 Solujen elinkaari/ telomeraasi-aktiivisuus Telomeerit = DNA toistojaksot kromosomien päissä Estävät kromosomien päiden pilkkoutumista sekä yhtymistä muihin kromosomeihin Säätelevät solujen elinikää Jokainen DNA-jakautuminen lyhentää näitä puskureita Kantasoluissa aktiivinen telomeraasi entsyymi paikkaa näitä puskureita jatkuvasti Kantasolut ovat ikuisia Somaattisissa soluissa telomeraasi on inaktiivinen ja lopulta puskureiden häviäminen johtaa solukuolemaan Kasvainsolut pystyvät aktivoimaan telomeraasin ja siten jakautumaan jatkuvasti Tai kasvainsolu saa alkunsa kantasolusta

7 Solujen kasvuympäristö Solujen kasvun säätelyn tasapainotila on positiivisten ja negatiivisten signaalien summa Solut saavat ympäristöstään jatkuvasti positiivisten, kiihottavien signaalien lisäksi estäviä eli inhiboivia signaaleja. -Positiivisia ovat mm. reseptorien välittämät kasvutekijöiden vaikutukset (laajemmin tyrosiini-aminohappotähteitä fosforyloivat entsyymit), monet hormonit sekä ravinteet - Estäviksi signalointimolekyyleiksi on todettu mm. interferonit, erityisesti TGF-b kasvutekijäperheen jäsenet (reseptorit seriini- ja treoniinikinaaseja), voimistuneet solukontaktit (density-dependent inhibition of growth) ja tietyt solu-sidekudos - vuorovaikutukset

8 Solujen kasvuympäristö

9 Liukoiset viestimolekyylit Viestintä voi tapahtua suoraan solukalvokontaktina solujen välillä Ei kovin yleistä Useimmiten liukoiset viestimolekyylit välittävät viestit Endokriininen säätely Hormonin tuotanto rauhasissa, välitys kohdekudokseen verenkierron kautta Kudoksissa usein muutoksia ionitasapainossa, metaboliassa, eritystoiminnassa Parakriininen säätely Lähiympäristön solut tuottavat viestimolekyylit Kasvutekijät = kudoshormonit Vaste usein vaatii muutoksia geenien ilmentymisessä Autokriininen säätely Solun vaste sen itse tuottamaan tekijään

10 Kasvutekijät ovat proteiineja Epidermaalinen kasvutekijä (EGF) Ensimmäisiä löydettyjä kasvutekijöitä Edistää epiteliaalisten solujen kasvua Tärkeä mm. munuaisissa ja haavan paranemisessa TGF-a, amphiregulin, HB-EGF etc. Hermokasvutekijä (NFG) Kuten nimikin kertoo NGF on tärkeä hermosolujen kasvutekijä, mutta sillä on myös muita tehtäviä Fibroblastikasvutekijä (FGF) Verihiutalekasvutekijä (PDGF) AA, BB, AB Verisuonten endoteelisolujen kasvutekijä (VEGF) A-D Insuliininkaltainen kasvutekijä (IGF-1) Hepatosyyttikasvutekijä (HGF) Transformoiva kasvutekijä-b (TGF-b) EGF, Bi 2001

11 Transformoiva kasvutekijä (TGF)-b 25 kda kokoinen dimeerinen polypeptidikasvutekijä Erittyy soluista inaktiivisessa muodossa - aktivoinnin säätely keskeistä Erittäin monimuotoinen solujen kasvun ja erilaistumisen säätelijä Voimakas kasvunestäjä epiteeli- ja endoteelisoluille joissain tapauksissa voi lisätä sidekudossolujen kasvua Vaikutukset kudos- ja soluspesifisiä Säätelee mm. solujen erilaistumista, tarttumista ja liikkumista, soluväliaineen koostumusta sekä immuunijärjestelmän toimintaa

12 TGF-b kompleksi ohjautuu soluväli-aineeseen

13 TGF-b:n aiheuttama vaste soluissa

14 TGF-b:n aiheuttama EMT eli epiteelimesenkyymi transitio Esimerkiksi sikiön kehityksen tai vaurion paranemisen yhteydessä epiteelisolut voivat muuntua sidekudossoluksi Solukontaktiproteiinien ilmentyminen muuttuu (E-cadherin -> N-cadherin) Morfologia muuttuu, sidekudossolut ovat pitkulaisia ja löysemmin kiinni toisissaan Sidekudossolut migroivat eli liikuvat enemmän Kasvainsolujen invaasiossa tärkeää

15 Kasvutekijäreseptoreita Solukalvon proteiineja, usein homo- tai heterodimeerejä Tyrosiinikinaaseja (EGF-R) tai seriini/treoniinikinaaseja (TGF-b)

16 Reseptorin aktivaatio (kasvutekijät)

17 Hormonit Perinteisesti pidetty endokriinisesti vaikuttavina säätelijöinä. Myös paikallista tuotantoa kudoksissa saattaa esiintyä. 1) proteiineja tai lyhyitä peptidejä insuliini, kasvuhormoni 2) aminohappojohdannaisia tyroksiini 3) kolesterolista muodostuneita steroideja D 3 vitamiini, androgeenit ja estrogeenit

18 D 3 -vitamiini Esiastetta (kolekalsiferoli) muodostuu ihossa auringonvalon vaikutuksesta Saanti ruoasta kuitenkin tärkeää! Maksassa ensimmäinen hydroksylaatio - > kalsidioli Verenkierrossa pääasiallinen muoto Munuaisissa toinen hydroksylaatio -> kalsitrioli Aktiivinen muoto Säätelee elimistön kalsium ja fosfori tasapainoa Puutos / riisitauti Solujen erilaistuminen, insuliinin eritys, immuunivasteet Suositus 10 mg, yläraja 100 mg Ravintosuositukset 2014

19 Hormonireseptorit I Steroidihormonit ovat kolesterolijohdannaisia ja kykenevät läpäisemään solukalvon Steroidireseptorit ovat ligandista/hormonista riippuvaisia transkriptiotekijöitä, jotka sitoutuvat suoraan DNA:han ja aiheuttavat muutoksia geenien ilmentymisessä

20 Hormonireseptorit II G-proteiinikytkentäiset reseptorit Adrenaliini, serotoniini ym. reseptorit Hormonin sitoutuminen reseptoriin aktivoi G-proteiinin, johon tällöin sitoutuu GTP Aktiivinen G-proteiini solukalvolla pystyy aktivoimaan muita entsyymejä, kuten fosfolipaasi C:n tai adenylaattisyklaasin

21 Sidekudossolu ja soluväliaine

22 Solu-solu ja solu-soluväliaine kontaktit Solujen tarttuminen ja leviäminen, muoto Liikkuminen Geeni-induktiot Erilaistuminen Inside out and outside in signaling!

23 Integriinit

24 Tiedonsiirto solujen sisällä - proteiinien fosforylaatio Fosforihappotähteen liittäminen tiettyyn aminohappoon (tyrosiini tai seriini/treoniini) voi aktivoida tai inaktivoida proteiinin Proteiinin paikallinen varaus ja elektrostaattiset vuoro-vaikutukset muuttuvat Fosforyloitu aminohappo voi toimia tarttumispintana toiselle proteiinille Fosforylaatiokaskadit monistavat signaalin nopeasti Fosforylaation (kinaasit) ja defosforylaation (fosfataasit) tasapaino on tärkeä biologisessa vasteessa

25 Tiedonsiirto solujen sisällä - solukalvolta tumaan Esimerkki: EGF-geeniperheen jäsenten signaalinvälitysverkostoa

26 Toisiolähettejä Syklinen adenosiinimonofosfaatti (camp) ja cgmp Adenylaattisyklaasi entsyymi synnyttää ATP:sta camp:ta. camp aktivoi mm. proteiinin kinaasi A:n, joka voi tumassa aktivoida transkriptiotekijöitä Diasyyliglyseroli (DAG) ja Inositolitrisfosfaatti (IP3) Fosfolipaasi C entsyymi pilkoo solukalvolla fosfatidyyli-inositoli- 4,5-difosfaatin kahdeksi toisiolähetiksi DAG aktivoi solukalvolla proteiini kinaasi C:n IP3 lisää kalsiumin vapautumista endoplasmakalvostosta Kalsiumioni (Ca 2+ ) Vaikuttaa monien entsyymien toimintaan. Voi sitoutua suoraan esim. proteiini kinaasi C:hen tai vaikuttaa kalmoduliini (CaM) proteiinin kautta. Typpioksidi (NO) Typpioksidisyntaasientsyymi (NOS) tuottaa NO:ta. NO voi vaikuttaa mm. MAP-kinaasien ja transkriptiotekijöiden toimintaan. Vaikuttaa proteiinien kysteiinitähteiden S- nitrosylaatioon. Vetyperoksidi (H 2 O 2 ) Kasvutekijä aktivaatio voi saada aikaan soluissa vetyperoksidin paikallista muodostumista. Vetyperoksidi hapettaa kysteiinitähteitä ja voi väliaikaisesti inaktivoida esim. fosfataaseja.

27 Yhteenveto

28 Kantasolut Alkiokehityksen ns. blastokystivaiheesta voidaan eristää ns. alkion kantasoluja, (ES=Embryonal Stem cells) 5-9 vk:n ikäisistä alkioista voidaan eristää itusoluja, jotka nekin ovat ns. pluripotentteja soluja Aikuisen yksilön kantasolujen erilaistumiskyky on rajatumpi. Ne pystyvät erilaistumaan tietyissä rajoissa sen kudoksen soluiksi, joista ne on eristetty (esim. luuytimen kantasolut) Erilaistumisen säätelyjärjestelmät: hormonaalisia, kasvutekijöitä, sidekudoskontakteja ym. Salven ja Alitalo, 2004

29 Erilaistuminen Kantasolut voivat jakautua epäsymmetrisesti kahdeksi erilaiseksi soluksi, joista toinen on aina emosolun kaltainen uusi kantasolu Kun solu erilaistuu se muuttuu erilaiseksi kuin kantasolu; solun toiminta erilaistuu johonkin tiettyyn tehtävään Solun toimintaa säätelee geenien ilmentyminen osa geeneistä on aktiivisia ja osa vaimennettuja Yleisgeenit (house keeping genes) Soluspesifit geenit Solun toimintaa voidaan myös säädellä proteiinien synteesin tasolla sekä entsyymiaktiivisuuksia säätelemällä Solun ympäristö osallistuu erilaistumisen kuten solukasvunkin säätelyyn

30 TGF-b solujen erilaistumisessa ten Dijke, 2003

31 Kysymyksiä & kommentteja

32 Syöpä Kaikkialla maailmassa yleinen sairaus Suomessa vuosittain ~ uutta syöpäpotilasta / vuosi 5-vuotisennuste/ ~35% potilaista kuolee syöpään Syöpä on geneettinen sairaus Mutaatioita/ DNA vaurioita kertyy perimään Arviolta 4-6 mutaatiota tarvitaan syövän kehittymiseen Syöpätapausten määrä Suomessa lisääntymässä lähinnä ikääntymisen vuoksi

33 Syövän synty Useita vaurioita perimässä Solujen kasvua ja erilaistumista säätelevät proto-onkogeenit Kasvurajoitegeenit DNA:n kahdentumisesta ja virheiden korjauksesta vastaavat geenit Syöpä on klonaalinen, lähtöisin yhdestä solusta? Kasvaimet ovat kuitenkin solukoltaan hyvin heterogeenisiä, vain parhaiten menestyvät subkloonit valikoituvat Monivaiheinen muutos Hyperplasia, paikallinen kasvain, invasiivinen syöpä, etäpesäke Tavallisimmin epiteliaalista alkuperää Epiteeliperäinen kasvain = karsinooma Mesenkymaalista alkuperää oleva kasvain = sarkooma Luuytimen soluista alkunsa saanut kasvain = leukemia Useimmiten vasta invasiivinen ja etäpesäkkeitä lähettävä kasvain on tappava

34 The genesis of cancer Laiho, 2002 MUTATIONS normal cells tumor cells angiogenesis cancer

35 1) Syöpägeenit ja esisyöpägeenit Onkogeenit eli syöpägeenit ovat alunperin viruksista eristettyjä geenejä, jotka voivat aiheuttaa syöpää Proto-onkogeenit eli esisyöpägeenit ovat vastaavia ihmisen geenejä, jotka toimivat elimistössä normaalisti ja muuttuvat onkogeeneiksi vasta esim. geenimonistumisen tai aktivoivan mutaation vaikutuksesta Esisyöpägeenit usein koodaavat kasvutekijöitä tai niiden solukalvon reseptoreita Mutaatio antaa solulle kasvuedun sekä riippumattomuuden ympäröivistä kasvusignaaleista

36 Esisyöpägeenien aktivoitumismekanismeja Aktivoitumismekanismeja: Yhden nukleotidin mutaatio voi muuttaa proteiinin jatkuvasti aktiiviseksi Deleetio eli DNA palasen puuttuminen Kromosomaalinen translokaatio eli geenin siirtyminen eri kohtaan kromosomistossa Fuusioproteiinit (Philadelphia chromosome, Bcl/Abl fusion) Geenin säätelyalueen muutos (Burkitt s lymphoma, myc gene under IgG promoter)

37 2) Kasvurajoitegeenit Mutaatiot vähentävät geenin aktiivisuutta prb eli retinoblastoomaproteiini sekä p53 ovat tärkeitä solusyklin ja solukuoleman säätelijöitä Kasvurajoitegeenin inaktivaatio lisää kasvua ja estää solukuolemaa, mikä on elimistön normaali suojamekanismi Kasvaimia aiheuttavat DNA virukset tuottavat proteiineja jotka inaktivoivat prb ja p53 proteiineja Hyvin monissa eri syöpätyypeissä nämä reitit ovat inaktiivisia

38 3) Muutokset DNA:n korjauskoneistossa Vaurioiden korjaus suojelee soluja geneettisiltä muutoksilta Soluissa tehokkaat vaurioiden korjausmekanismit (mismatch repair (MMP), nucleotide-excision repair (NER) and base-excision repair (BER); larger processes BRCA1, BLM, and ATM) Esim. kasvurajoitegeeni p53 aktivoituu normaalisti vaurion yhteydessä Solusykli pysähtyy korjauksen ajaksi Korjaukseen osallistuvien geenien ilmentyminen lisääntyy Jos vaurioita ei pystytä korjaamaan, p53 ajaa solut apoptoosiin (ohjattu solukuolema) Mutaatio DNA virheiden korjaukseen osallistuvassa geenissä altistaa uusien mutaatioiden synnylle oravanpyörä Perityt mutaatiot korjausgeeneissä altistavat syövälle [BRCA1 (breast cancer), ATM (ataxia telangiectasia)]

39 Esimerkki: Paksusuolen syöpä (colon cancer)

40 Invaasio ja etäpesäkkeet Lisääntynyt solujen liikkuvuus Lisääntynyt soluväliainetta hajoittava entsyymiaktiivisuus (MMP, matriksin metalloproteinaasit) Muutoksia soluadheesioproteiineissa (kadheriinit ja integriinit) EMT = epithelial to mesenchymal transition Weinberg, 2006

41 TGF-b ja syöpä Moses, 2010

42 Syövälle altistavia tekijöitä Smoking Lung cancer, oral cancer Chemical carcinogens Asbestos Mesothelioma Radiation UV-radiation melanoma Ionizing radiation - leukemia Viral infections EBV, Hepatitis B, HPV... Hormonal factors Breast cancer Genetic predisposition APC (colon cancer), LKB1 (Peutz- Jeghers), Smad4 (gastrointestinal cancer) UV-light Environmental factors, food Mutations Chemicals Smoking Radiation

43 Epigenetiikka ja syöpä Epigeneettiset muutokset vaikuttavat geenien toimintaan DNA:n emäsjärjestyksestä riippumatta DNA:n metylaatio Transkriptiotekijöiden sitoutuminen ainoastaan metyloimattomaan DNA:han Metyyli-DNA:ta sitovat proteiinit, jotka estävät transkriptiota Histonien kovalenttinen muokkaus DNA:n hypometylaatio on syöpäsoluille tyypillinen piirre Onkogeenien aktivaatio Kasvurajoitegeenien ilmentymisen vähentyminen Ympäristön vaikutus, periytyvyys

44 Kysymyksiä & kommentteja

45 Sanastoa Epigeneettinen = geenien toimintaan vaikuttava DNA:n emäsjärjestyksestä riippumaton tekijä Epiteeli = erilaisia pintoja verhoava solukko Kantasolu = erilaistumaton solu, joka voi kypsyä miksi soluksi tahansa Kinaasi = entsyymi joka siirtää fosforihappotähteen proteiinin tyrosiini, seriini tai treoniini aminohappoon Migraatio = solujen liikkuminen Proto-onkogeeni = esisyöpägeeni Solumatriksi (extracellular matrix) = soluväliaine Somaattinen solu = tavallinen solu, muu kuin sukusolu tai sukusolulinjan kantasolu