Solubiologia ja peruskudokset/ Biolääketieteen laitos/ Anatomia TUMA JA SOLUSYKLI HEIKKI HERVONEN

Transkriptio

1 Solubiologia ja peruskudokset/ Biolääketieteen laitos/ Anatomia TUMA JA SOLUSYKLI HEIKKI HERVONEN

2 Luku 1 TUMA JA SOLUSYKLI Viereinen kuva on otettu maksakudoksesta tehdystä histologisesta valmisteesta. Tässä kudoksessa ja valmisteessa, niin kuin yleensäkin kudoksissa, tumat erottuvat kaikkein selvimmin muista rakenteista. Tämä johtuu siitä, että ne värjäytyvät hematoksyliinilla sinisiksi, kun muut rakenteet värjäytyvät eosiinilla punaisiksi. Maksasolujen tumat ovat isoja, pyöreitä ja niissä erottuu suuri tumajyvänen. Saatat erottaa joitakin muiden solujen paljon pienempiä tumia. (Wheaters Functional Histology, Churchill-Livingstone) Tämä julkaisu on tarkoitettu ainoastaan Helsingin yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan opiskelijoiden ja opettajien käyttöön jaettuna Terkon digitaalisen kurssikirjaston kautta. Sen osittainenkin kopiointi, muuttaminen ja muulla tavalla jakaminen on tekijänoikeuslain nojalla ehdottomasti kielletty.

3 OSIO 1 TUMA ja SOLUSYKLI Kerr: Atlas of Functional Histology, Mosby TUMA, SOLUSYKLI JA MITOOSI Tuman rakenteet, kromatiini, tumakotelo, tumajyvänen, tumalima Solusykli ja sen säätelypisteet ja -mekanismit Mitoosin vaiheet ja tapahtumat Ohjelmoitu solukuolema Yleistä: Tuman kuvasi ensimmäisenä Franz Bauer v ja myöhemmin Robert Brown Tuma löytyy käytännössä kaikista ihmisen soluista paitsi kypsästä punasolusta ja verihiutaleista. Tuman on muodoltaan useimmiten pyöreähkö. Muoto kuitenkin vaihtelee ja saattaa olla tunnusmerkillinen tietyissä soluissa. Esim. neutrofiili valkosolu tunnistetaan 3-5 osaan liuskottuneesta tumasta. Hermosolun rakkulamainen, vesikulaarinen tuma Spermatosyytin jyväsellinen, granulaarinen tuma Monenlaisia tumia Valkosolujen tumien monimuotoisuutta Maksasolussa voi olla kaksi tumaa Lähde: J.F.Kerr, Atlas of Functional Histology Joissakin soluissa voi normaalisti olla kaksi tumaa (maksasolu). Useampia tumia on joissakin jättisoluissa, esim. osteoklastissa tai luurankolihassolussa, jossa voi olla kymmeniä, jopa satoja tumia. 2

4 Tuman toiminnat Tuma tallentaa perintöaines-dna:n kromosomeissa, se huolehtii perintöaineksen kahdentamisesta solujakautumisen yhteydessä. Tämä on ilmeinen tuman funktio. Lisäksi tuma tuottaa lähetti-rna-molekyylejä solun proteiinisynteesiä varten. Kolmas keskeinen toiminta on ribosomien tuotto ja toimittaminen sytoplasmaan proteiinisynteesiä varten. Perintöaines eli kromatiini Hermosolu Spermatidi Tuman hienorakennetta Kierszenbaum: Histology and Cell Biology, Mosby/Elsevier 2007 Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 6 p. LWW 2011 NL = Nucleolus on tumma E = Eukromatiini on vaaleaa H = Heterokromatiini on tummaa Neutrofiili Plasmasolu Neutrofiili granulosyytti Lähde: J.F.Kerr, Atlas of Functional Histology Lähde: J.F.Kerr, Atlas of Functional Histology Tuman sisällä kromatiini näkyy kahdessa muodossa, pakkautuneena inaktiivisena heterokromatiinina sekä aktiivisena, auki purkautuneena ja siten luettavissa olevana eukromatiinina. Heterokromatiini erottuu valo- ja elektronimikroskoopilla tarkasteltaessa tummina läiskinä tai paakkuina. Nämä kromatiinikokkareet ovat usein asettuneet tumakotelon myötäisesti tuman reunoille. Ne ovatkin kiinnittyneet tumakotelon tukirakenteisiin, pois tieltä. Auki purkautuneesta eukromatiinistakin vain pientä osaa luetaan kulloinkin (sen mukaan miten lukemista säädellään, ks. molekyylibiologian jakso). Kromatiini koostuu DNA:sta ja siihen liittyneistä valkuaisaineista, histoneista ja muista proteiineista. Kromatiini pakkautuu moninkertaisesti ja tiivistyy kromosomeiksi ainoastaan solunjakautumisen yhteydessä. Tuman rakenne Tumakotelo koostuu sisemmästä ja ulommasta tumakalvosta, jotka ovat endoplasma-kalvoston kaltaisia. Kalvojen väliin jää perinukleaaritila. Tumahuokosten (nuclear pore) kohdalla kalvot kiepsahtavat toisikseen. Ulomman kalvon pintaan on kiinnittyneenä ribosomeja (proteiinisynteesi) ja kalvo jatkuu karkeapintaisena endoplasmakalvostona. Sisemmän kalvoon liittyy tuman sisällä risteilevä tumalamiineista (välikoisia säikeistä) koostuva tumalevy (nuclear lamina). Tumajyvänen pars granulosa pars fibrosa Nukleoluksen organisaatiokeskus Tumahuokonen Tumakotelo Eukromatiini Karkea endoplasmakalvosto Heterokromatiini Tuman rakenteita 1. Tumakotelo 2. Tumahuokonen 3. Tumalamina 4. Tumajyvänen 5. Nucleoplasma Tumalamina on tumakotelon ja siten tuman keskeinen tukirakenne. Mitoosin alussa (profaasi, pro=esi) lamiinit fosforyloituvat ja tumalamina hajoaa, jolloin tumakotelokin hajoaa yksittäisiksi rakkuloiksi. Telofaasissa (telos=loppu) 4. 3

5 lamiinit defosforyloituvat ja kokoavat tumalaminan ja sitä kautta tumakotelon tytärsoluihin uudelleen. Tumahuokonen (nuclear pore) Tumahuokosten määrä vaihtelee solutyypistä toiseen, tarpeesta riippuen. Tumakotelon ulompi ja sisempi kalvo reunustavat tumahuokosta. Elektronimikroskoopilla tarkasteltuna kalvoaukkoa on sulkemassa jonkinmoinen kalvo, väliseinä (diaphragma). Kalvon rakenteena on suuri joukko proteiineja, joita kutsutaan yhteisnimellä tumahuokoskompleksi. Tumahuokonen toimii makromolekyylien kuljetustienä tumaan ja sieltä pois (sytoplasmaan). Se toimii toisaalta aktiivisena kuljettajana ja toisaalta valikoivana esteenä, koska läpäisyyn tarvitaan oikea aminohappo-osoitelappu. Esim. RNA:n kuljetus tumasta solulimaan tapahtuu RNA-proteiini kompleksina, jolloin osoitelappu on proteiinissa. Tumajyvänen l. nukleolus (kuva RR) Tumajyvänen on solun ribosomitehdas. Iso tumajyvänen kertoo, että solu syntetisoi paljon proteiinia. Tumajyväsiä voi olla kaksi tai useampikin yhtä tumaa kohti. GC granular material ribosomin osasten kokoaminen FC fibrillar centre rdna geenit F (dense) fibrillar material rrna:n transkriptit Tumajyväsen rakennetta Ross et Pawlina: Histology. A Text And Atlas, LWW 2006 NOR nucleolar organizing region ei erotu tässä kuvassa Elektronimikroskoopilla tarkasteltuna tumajyväsessä on jyväsellisiä osia, joissa on ribosomien valmiita tai lähes valmiita alayksiköitä ja säikeisiä osia, jossa taas saijaitsevat auki purkautuneet ribosomaa-liset geenit ja niihin liittyen suuri määrä ribosomaalista RNA:ta. Tumajyväsen organisointialueissa sijaitsee rrna:n synteesiä ohjaava geeni (nuclear organizing region, NOR) Tumalima l. nukleoplasma Tyypillistä tumalimalle on säikeinen perusaine, jossa runsaasti proteiineja ja jossa lähetti- RNA:ta valmistetaan. Tumalima sisältää lukuisia entsyymejä, jotka toimivat transkriptiossa sekä suuren määrän geenisäätelyyn osallistuvia transkriptiotekijöitä yms. (ks. tarkemmin molekyylibiologian jakso). Lisäksi solusyklin S-vaiheessa siinä on DNA:n kahdentumisen koneisto. Tumatäpliä ja -kappaleita (specles) on muutamia kymmeniä tumaa kohti. Ne jakautuvat tasaisesti eri puolille tumaa. Lähetti-RNA:n silmukoitumiseen osallistuvat proteiinit sijaitsevat näillä alueilla (ks. molekyylibiologian jakso). Muutenkin tumassa on huomattavan paljon eri toimintoihin vihkiytyneitä alueita (ks. molekyylibiologian jakso). 4

6 Solusykli ja sen säätely Solunjakautumisen tarkka ja onnistunut säätely on tärkeää sekä alkionkehityksessä että normaalin tilan ylläpidossa. Häiriöstä voi seurata jopa hallitsematon kasvu, esim. syöpä. Säätely on erityisen tärkeä kantasoluille, joiden erilaistumisja lisääntymispotentiaali on suuri. Solujakautuminen pitää koordinoida toisaalta solun hyvinvoinnin ja elimistön yleisen tilanteen suhteen. Solun tulee olla saavuttanut edellisen jakautumisen jälkeen riittävän koon. Elimistön hormoni- ja ravitsemustilanteen tulee olla suotuisa. Lisäksi solun tulee saada sopivia kasvu- ja hengissäpysymis-signaaleja. Toinen puoli kontrollia kohdistuu sitten DNA:n kahdentumisen onnistumiseen ja itse mitoosin häiriöttömään kulkuun. Näin pyritään varmistamaan että tytärsolut saavat muuttumaton genomin. Eukaryoottisolun solusykli ja mitoosi Solusykli jakautuu kahteen valomikroskoopissa erottuvaan pääosaan: mitoosi ja interfaasi. Mitoosin havaitseminen on harvinaista edes nopeasti uusiutuvassa kudoksessa sillä esim. 24 tuntia käsittävässä solusyklissä mitoosin ja sytokineesin (jakautumisen) kaikkien vaiheiden osuus on vain n. 1 tunti. Interfaasivaiheen aikana solu kasvaa tasaisesti. DNA:ta syntetisoidaan vain välittömästi ennen mitoosia. Solusykli jaetaan tarkemmin neljään vaiheeseen: 1) Edellistä mitoosia seuraa G1-vaihe (gap 1), jossa tytärsolut kasvavat ja toimittavat tehtäväänsä, 2) S-vaihe (synthesis), jossa DNA:n kahdentuu, 3) G2-vaihe (gap 2) solu valmistautuu mitoosiin ja 4) Mitoosi, solun jakautuminen. Kaikki solut eivät jakaudu. Jakautumattomat solut siirtyvät G1 vaiheesta G0-vaiheeseen, osa pysyvästi (hermosolut), osa lepäämään aktivoituakseen tarvittaessa (esim. saadessaan kasvutekijäsignaalin). Solunjakautumisen tarkistuskohdat Solusykliin liittyy tärkeitä tarkistuskohtia. Myöhäisessä G1-vaiheessa on säätelykohta, jolla kontrolloidaan etenemistä G1-vaiheesta S-vaiheeseen. Tätä kutsutaan rajoituskohdaksi (restriction point), jossa Solusyklin vaiheet ja rajoituskohdat G 2 DNAvaurion S DNAvaurion Kahdentumattoman DNA:n Tumasukkulan G 1 DNAvaurion Rajoittava Kromosomien erkanemisen G 0 G TD solun kunto, vointi ja mahdolliset vauriot tarkastetaan ennen siirtymistä S-vaiheeseen. Tähän kohtaan vaikuttavat myös kasvutekijät ja hormonit. Ennen solun astumista mitoosiin G2:n issä tarkastetaan, että genomin Ross et Pawlina: Histology. A Text And Atlas, LWW

7 replikaatio on täydellinen ja genomi on vaurioitumaton. Tässä vaiheessa vaurioita voidaan myös korjata. Metafaasissakin on tarkistuspiste: varmistetaan, että kromosomit ovat sijoittuneet tarkalleen vastinpareiksi ja että mitoosisukkula on oikein muodostunut. Mitoosi Oheisesta kuvasta Albertsin kuvasta näkyvät mitoosin vaiheet ja niihin liittyvät tapahtumat. Kormosomit tiivistyvät, mitoosisukkula muodostuu Mitoosin vaiheet PROFAASI PROMETAFAASI METAFAASI ANAFAASI mikrotubulus kinetokooriin tumakotelon rippeitä Tumakotelo pirstoutuu kromosomit kiinnittyvät mikrotubuluksiin TELOFAASI mikrotubulus kinetokooriin kromosomi supistuva aktiinimyosiinirengas ilmaantuu From: Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell Sisarkromatidit asettuvat keski(jakautumis)tasoon SOLUN JAKAUTUMINEN tumakotelo on muodostunut Sykliinit ja sykliineistä riippuvaiset kinaasit säätelevät solusyklin etenemistä Eukaryoottisoluissa solusykliä kontrolloidaan erityisten proteiinikinaasien sarjalla. Ensin löydettiin maturaatiota edistävä tekijä (MPF), joka näytti säätelevän mitoosiin siirtymistä. MPF osoittautui kompleksiksi, jossa on sykliini-proteiini ja sykliinistä riippuvainen kinaasi (cdk). Kinaasi on Sykliini A-Cdk1 Sykliini A-Cdk2 Sykliini-cdk-kompleksin esiintyminen solusyklissä Sykliini E-Cdk2 Sykliini E-Cdk1 muita proteiineja fosforyloiva proteiini. Fosforylointi/ defosforylointi taas säätelee näiden muiden proteiinien aktiivisuutta. Sykliini-cdk-komplekseja tunnetaan ainakin 5 erilaista ja niistä kukin on aktiivinen tietyssä solusyklin vaiheessa, jossa ne säätelevät tiettyjen proteiinien toimintaa. G 0 Sykliini D-Cdk4/6 Cdk= sykliinistä riippuva kinaasi Ross et Pawlina: Histology. A Text And Atlas, LWW 2006 sentrosomi tumasukkula tumakotelo kinetokoori sentrosomi sentrosomi tytärkromosomit mikrotubulukset lyhenevät sentriolit loittonevat Sisarkromatidit erkanevat kinetokooritubulukset lyhenevät sentriolit loittonevat toisistaan tumakotelo Kromatidit saapuvat perille tumakotelo muodostuu, sytoplasma alkaa kuroutua supistusrengas on saanut aikaan jakouurteen Aktiini-myosiinirengas kuroo sytoplasman kahtia, sisarsolut erkanevat Apoptoosi, ohjelmoitu solukuolema ja nekroosi Solusyklillä ja apoptoosilla on läheiset yhteydet toisiinsa. Tarkastuspisteessä hylkääminen johtaa normaalisti apoptoosiin. Apoptoosi on tehokas ja siisti mekanismi kuin on tarve hävittää tarpeettomia tai vaurioituneita soluja. Alikion ja sikiön kehityksessä se on hyvin yleinen tapahtuma, 6

8 mutta se on laajasti käytössä aikuiselimistössäkin. Voimakkaasti uusiutuvassa kudoksessa tai solukossa tuotetaan paljon uusia soluja. Tämän vastapainona täytyy vanhemmasta päästä myös poistaa soluja hallitusti. Nekroosissa solut kuolevat esim. hapenpuutteen tai vamman seuraksena. Soluelimet ja solukalvot vaurioituvat. Tällöin solun sisältöä, mm. lysosomaalisia entsyymejä muita haitallisia aineksia vapautuu soluvälitilaan. Tästä seuraa tulehdusreaktio, jolla elimistö pyrkii siivoamaan sotkun ennen kuin siitä aiheutuu lisävaurioita terveenä säilyneille soluille. Kuva RR. Tulehduksessa paikalle saapuu tulehduksen ensilinjan soluja, makrofageja ja neutrofiilejä valkosoluja. Nämä voivat aiheuttaa lisävauriota ja lisäsotkua (vrt. märkä). Myöhemmin saapuvat kudosvauriota korjaavat solut, mutta kudos ei välttämättä parane ennalleen. Apoptoosissa taas solut kuolevat rauhallisesti, sisäisesti tarkasti säädellyllä ja hallitulla mekanismilla. Solut kutistuvat ja hajoavat lopulta pieniksi solukalvon ympäröimiksi rakkuloiksi, apoptoottisiksi kappaleiksi. Nämä jäänteet häviävät aiheuttamatta sotkua kun ympärillä olevat solut tai kudoksessa jo olevat makrofagit fagosytoivat ne. Elimistössä ei laukea tulehdusreaktiota eikä apujoukkoja tarvita siivoamiseen eikä vaurion paikkaamiseen. 7