Kantasolut ja solujen erilaistuminen. Kantasolun määritelmä. Asymmetria. Alberts et al luku 22 Eri kudosten kantasoluja

Transkriptio

1 Kantasolut ja solujen erilaistuminen Alberts et al luku 22 Eri kudosten kantasoluja Kantasolun määritelmä Jokainen tytärsolu voi jäädä kantasoluksi tai erilaistua Asymmetria Tytärsolut ovat aluksi samanlaisia, mutta erilaistuvat ympäristön vaikutuksesta, ympäristön epäsymmetria Jakautuminenkin voi olla epäsymmetristä 1

2 Endoteelisolut muodostavat verisuonet säätelevät vaihtoa verisuonten ja ympäröivien kudosten välillä endoteelisoluista peräisin olevat signaalit organisoivat verisuonten ympärillä olevaa sidekudoksen kasvua ja kehitystä Angiogenesis sammakonpoikasen kasvua ja verisuonten kehittymistä seurattu Hapentarve ohjaa kapillaarien kasvua hypoxia inducible factor (HIF-1) stimuloi vaskulaarista endoteelin kasvua (VEGF) proliferaatio VEGF = vascular endothelial growth factor 2

3 Angiogenesis uusien verisuonten synty kapillaarien epiteelisoluista tarvitaan tietty signaali: transmembraani proteiini ephrin-b2 (valtimot) laskimoilla Eph-B4 Ko. proteiinit välittävät signaalin kohdassa, johon verisuoni syntyy Angiogenesis Endoteelisolut viljelmissä muodostavat sis. vakuoleja, jotka liittävät soluja toisiinsa Kyseiset solut asettuvat viljelmässä kollageenin pinnalle Uudet verisuonet kasvavat endoteelisoluista, jotka muodostavat onttoja kapillaareja eritetyssä kasvualustassa Kapillaari syntyy maljaan 20 vrk:ssa Alkaa kapillaariputken muodostuminen Kapillaarin haaroittuminen, jonka tyvikalvon komponentit (mm. lamiini) käynnistävät ja ohjaavat Multipotentit kantasolut monenlaisia soluja eri tehtäviin esim. - hapenkuljetus - antibodit syntyvät alun perin luuytimen kantasoluista - hemopoieettiset (verta muodostavat) kantasolut - myös osteoklastit 3

4 Tulehdusreaktio Tulehduspaikan ympärillä olevat solut (yl. sidekudossoluja) tuottavat signaalimolekyylejä Signaalimolekyylit vaikuttavat endoteelisoluihin Solujen kiinnittyminen toisiinsa löystyy Endoteelisolut erittävät selektiiniä, havaitsevat leukosyyttien pinnalla olevan hiilihydraattiosan Tulehduspaikasta erittyy kemokineesejä -> kemoatraktantteja, jotka vetävät leukosyytit kapillaarien ulkopuolelle. Luuydinsolujen siirto vastaavanlainen käsittely leukemiapotilaille multipotentit kantasolut nostavat kaikkien verisolutyyppien tuottoa Megakaryoottisolu syntyy muiden solujen joukkoon luuytimessä 4

5 Hemopoiesis NK = natural killer cell, tappaa virusten infektoimia soluja kantasolu jakautuu ja tuottaa uusia kantasoluja Kantasolut tarvitsevat signaaleja erilaistumista varten kantasolut riippuvaisia luuytimen strooman solujen signaalista Kontakti tyvikalvoon tarvitaan epidermikseen kehittymiseen Factor Eräitä tekijöitä (colony-stimulating factors (CSFs), jotka vaikuttavat verisolujen kehittymiseen Target cell Producing cells Receptors Erythropoietin Interleukin 3 CFC-E multipotent stem cell, most progenitor cells, many terminal differetiated cells kidney cells T lymphocytes, epidermal cells cytokine family cytokine family Granulocyte/ macrophage CSF (GM-CSF) GM progenitor cells and neutrophils macrophages, fibroblasts cytokine family Macrophage CSF (M- CSF) GM progenitor cells and macrophages fibroblasts, macrophages, endothelial cells receptor tyrosine kinase family Steel factor (stem cell factor) hemopoietic stem cells stromal cells in bone marrow etc. receptor tyrosine kinase family GM = granulocyte/macrophage progenitor cell 5

6 Rasvasolun kehittyminen osittain reversiibeli leptiini erittyy adiposyyteistä inhiboi ravinnonottoa Stem-cell engineering embryonaalisista kantasoluista voidaan tuottaa soluviljelyssä monenlaisia soluja lisäämällä elatusliuokseen erilaistumiseen vaikuttavia yhdisteitä Kantasolujen uusiutumiskyky Aikuisen kudoksissa uudistumisesta vastuussa ovat useat kantasolutyypit. Joissakin kudoksissa uudistuminen ei ole mahdollista, koska kantasolut puuttuvat. Kantasoluja voidaan manipuloida keinotekoisesti solujen uudistuminen Pahasti palaneen ihon epidermissolukko saadaan kasvamaan. Vain tietyiltä aikuisen aivoalueilta voidaan ottaa siirrännäinen, joka tuottaa uusia neuroneja ja gliasoluja tuhoutuneiden tilalle. 6

7 Kantasolujen uusiutumiskyky Embryonaaliset kantasolut (ES) erilaistuvat miksi soluiksi tahansa Myös aikuisen luuydinsolut saadaan sopivassa ympäristössä erilaistumaan useammiksi solutyypeiksi kuin normaalissa ympäristössä sairauksien hoidot Syöpä Alberts et al luku 23 Syöpä ja mikroevolutionaarinen prosessi Ks. oppikirja 7

8 Syöpäsolut lisääntyminen syövän kantasolut uhma normaalille solunjakautumiselle tunkeutuvat ja asettuvat solujen joukkoon Sanastoa benign malignant metastases Luokittelu carcinoma = epiteelisoluista peräisin sarcoma = sidekudos- tai lihassoluista leukemia = hematopoieettiset solut Hermosolut 8

9 Hiiri yleisin organismimalli syöpätutkimuksissa Hiirellä useimmin esiintyvät syövät sarcoma tai leukemia Ihmisen syövistä yli 80 % carcinoma, epiteelisolukon syöpää, liittyy nopeaan solujen turnoveriin Monet hoidot tepsivät hiirillä, mutta ei sitten ihmisellä Miksi? Johtunee telomeerien erilaisesta käyttäytymisestä hiirillä ja ihmisellä. Telomeerien lyheneminen Replikatiivinen solujen senescensis Geneettinen epästabiilisuus Liittyy muutoksiin telomeerien rakenteessa Toistuvat DNA-sekvenssit ja telomeeriin liittyvät kunkin kromosomin pään peittävät proteiinit Tarvitsevat telomeraasi-entsyymiä Telomeraasin katalyyttiset alayksiköt kytkeytyneet pois päältä tai eivät ole täysin aktiivisina Tuloksena näiden solujen telomeerit lyhenevät hieman jokaisen solunjaon yhteydessä. Lyheneminen tapahtuu kromosomin päässä, missä vaarallinen signaali syntyy ja vaikuttaa solusykliin. Normaalisti tapahtuu DNA:n korjaaminen Vanhenevassa solussa proliferaatio pysähtyy Mutta Replikatiivisessa senescensissä kehittyykin syöväksi 9

10 Hiirillä telomeerit paljon pidempiä kuin ihmisellä Hiirillä myös telomeraasiaktiivisuus korkea somaattisisissa soluissa Siten telomeerit eivät lyhene ikääntyessä Tutkimuksissa käytetty Knockout (KO) hiiriä, joilla telomeraasi-aktiivisuus telomeerit lyhenevät iän myötä Haitat näkyvät vasta great-great-grandchildren alkuperäisestä mutantista, joilla telomeerit hävivävät tai eivät ainakaan toimi Mutanttien jälkeläisillä monia epänormaalisuutta (abnormal), myös syöpää Johtaako siis telomeerien lyheneminen tumorien esiintymisen lisääntymiseen myös ihmisellä? Syöpätapaukset ja kuolleisuus USA:ssa v Syöpä syntyy somaattisista muutoksista Perinnöllinen geneettinen muutos? muutoksia DNA-sekvenssissä Epigeneettisiä muutoksia muutokset geeniekspressiossa ilman, että muutoksia DNA-sekvenssissä 10

11 Syöpä 2 Esim. paksunsuolen syövässä tapahtuu eri geenien mutaatioiden jatkuvaa akkumoloitumista Paksunsuolen syövässä n. 15 % on puutetta yhdestä tai useammasta tuhoutunutta DNA:ta korjaavasta proteiinista 85 % jäljelle jääneissä kromosomeissa esiintyy epästabilisuutta Useimmat ihmisen syöpäsoluista ovat geneettisesti epästabiileja Tumorin kehittyminen toistuvia mutaatioita nopea solumäärän kasvu, proliferaatio muodostuu klooni malignanteista syöpäsoluista kasvaimen nopea kasvu Solujen synty kantasoluista 11

12 Kontakti alustaan tärkeä Kontaktin kadottaminen tyvikalvoon tai soluihin poistaa inhibition proliferaatio Syöpäsolut näistä rajoitteista huolimatta jatkavat kasvua toistensa päälle Apoptosis ja syöpä APOPTOSIS kreikkaa apo = pois jostakin ptosis = tuhoutua Sanotaan myös ohjelmoiduksi solukuolemaksi. Liittyy mm. syövän torjuntaan mutta myös kudosten normaaliin kehitykseen. 12

13 Apoptosis Kehitysbiologit tutkivat Miten solujakautuminen tapahtuu? Miten solut vaeltavat oikeaan paikkaan? Miten solut erilaistuvat? Miten yksittäiset elimet syntyvät (organogeneesi)? Miten rakenteet ja proteiinit syntyvät? Miten solut reagoivat ekstrasellulaarisiin stimuluksiin, jotka puolestaan johtavat tiettyjen geenien ekspressoitumiseen tai edistävät tiettyjen solujen hengissä pysymistä? Apoptosis Apoptosis tapahtumassa solut poistetaan "ohjelmoidusti" normaalista kehityslinjasta. Se ei ole sama kuin nekroosi. Se ei ole solujen tapaturmaista kuolemista. Apoptosis on järjestäytynyt prosessi. Tapahtuu nopeasti eikä jätä jälkeensä solujäänteitä. Apoptosis Parhaiden tunnettu apoptosis-tapahtuma on selkärankaisten sormien/varpaiden kehittyminen. Varhaisessa kehitysvaiheessa sormien välissä on ohut kalvomainen solukerros, joka muistuttaa vesilintujen räpylää. Sormien välinen kalvo häviää esim. kanalta ja ihmiseltä apoptosiksen seurauksena. 13

14 Apoptosis liittyy eri kehitysvaiheisiin Immuunijärjestelmältä suojaaminen (autoimmunisaatio), omien solujen tuhoaminen. Tutkittu parhaiten Caenorhabditis elegans (C. elegans) nivelmadolla (Nematoda) Tuman DNA kondensoituu ja fagosytoidaan pois ilmeisesti toksisten solujätteiden leviäminen estyy. Apoptosis on geneettisesti ohjattu C. elegansilla solukuolemaa ohjaava geeni on bcl-2 Geeni ilmeisesti kehittynyt 600 milj. vuotta sitten. Geenimuunneltu C. elegans tuottaa nisäkkään Bcl-2 proteiinia, joka yllättävästi vähentääkin ohjelmoituja solukuolemia (apoptosista). Monet solusykliin liittyvät geenit aktivoivat myös apoptosista. Apoptosis ja syöpä Proteiinia p53 kertyy soluihin, joiden DNA on tuhottu. p53 pysäyttää solusyklin G1-vaiheeseen, ennen S- vaihetta, jossa DNA-synteesiä. Proteiini p53 myös stimuloi solukuolemaa, estäen vaurioitunutta DNA:ta sisältävien solujen edelleen jakautumista. Kyseessä on siis eräänlainen ensiaputapahtuma syövän kehittymistä vastaan. Jos tapahtuu p53 geenin mutaatio, lähtee kontrolloimaton solukasvu liikkeelle. Ihmisen syöpätapauksissa on yli 50 %:ssa kyse p53 geenin mutaatiosta. 14

15 Syöpä David Pellman, Science 291, 30 March 2001 Ionikanavat ja syöpä Oren Bogin (2004) Modulator 18, Teoria esitetty 2000-luvulla. Useita julkaisuja vuodesta K +, Na +, Ca 2+, Cl - ja ligandinsitoja kanavat osallistuvat syövän syntyyn ja apoptosikseen Miten osallistuvat syövän syntyyn? Ei ole laajaa yhteisymmärrystä. Ionikanavat ja syöpä 2 Ionikanavat auttanevat syöpäkudoksen kasvua säätelemällä proliferaatioon osallistuvien solusykliä aiheuttaen häiriöitä solujen kalvopotentiaaliin estävät apoptosista lisäävät adaptoitumista solun ympäristössä tapahtuviin muutoksiin 15

16 Ionikanavat ja syöpä 3 muuttavat Ca:n intrasellulaarista tasapainoa johtavat solujen kutistumiseen Ionikanavat ja syöpä 4 Eräät kanavat osallistuvat syöpäsolujen proliferaatioon ja apoptosikseen Esim. K v 11.1 (HERG) Esim. K 2P 9.1(TASK3) Tiettyjen kanavien upregulaatiota tai Kanavat puutuvat totaalisesti (esim. Na + kanavat) Ionikanavat ja syöpä 5 Uudet tiedot ionikanavien merkitys syöpäkudosten kehittymiseen johtanee uuteen diagnostiikkaan ja tiettyjen lääkeaineiden terapeuttiseen käyttöön. 16

17 Natriumkanavat Kaliumkanavat Kaliumkanavat 2 17

18 Kalium- ja kalsiumkanavat Kalsiumkanavat Kloridikanavat ym. 18

19 Virukset ja syöpä Immunologia 19

20 Selkärankaisten immuunipuolustusjärjestelmät Isäntäsolun infektoituminen Mekaaninen puolustautuminen: ihon epiteeli Kemiallinen puolustautuminen: alhainen ph mahassa, antibakteeriset ents:t Ihmisen immuunipuolustusjärjestelmä Adaptiivinen immuunivaste alkaa imukeräsessä 20

21 Natural killer cells Cytokiinien lähde Interferoni-γ (IFN-γ) Tappavat virusten infektoimia soluja ja syöpäsoluja Adaptiivinen immuunivaste bakteeripatogeenille 1. Tulehdusta välittävät tekijät indusoituvat 2. Bakteerin antigeenit imukeräseen 3. Dendriittisolut imukeräseen 4. Aktivoivat T-lymfosyyttien prolifer. ja avustavat B-lymfosyytit 5. Muutamat B-lymf vaeltavat luuytimeen eril. plasmasoluiksi 6. T-solut auttavat B-soluja antibodyn tuotannossa 7. Infektio eliminoituu 8. Kehittyy suoja vastaavalle infektiolle 21