Karvatupen kantasolut ja niiden toiminta

Transkriptio

1 Karvatupen kantasolut ja niiden toiminta Jan Mattila 2007 Tiina Pessa-Morikawa eläinlääketieteellinen anatomia, PELL

2 Tiivistelmä Viime vuosikymmenen aikana käsitys ihon epiteelin kantasolujen alkuperästä ja sijainnista on vaihdellut tutkimuksesta toiseen. Suosiossa ovat olleet vuoroin karvatuppien välinen epidermi, vuoroin karvatupen silmu, joskus karvatupen pullistuma-alue. Uusimman tutkimustiedon mukaan karvatupen ja epidermin kantasolut ovat kuitenkin erillisiä solulinjoja. Karvatupen kantasolut sijaitsevat karvatupen pullistuma-alueella, joka dokumentoitiin ensimmäisen kerran jo vuonna Normaalisti pullistuma-alueen kantasolut osallistuvat vain karvan ja siihen liittyvän talirauhasen uusiutumiseen, mutta niin karvatupen suppilon kuin pullistumaalueenkin soluja voidaan värvätä epidermin korjaamiseen ihon vaurioituessa. Toistaiseksi ei tunneta, mitkä signaalit aktivoivat pullistuma-alueen kantasolut, aiheuttavat niiden vaeltamisen haavakudoksen pinnalle tai saavat aikaan niiden jakautumisen siellä. Tämän sekä karvatupen erityislaatuisten kantasolullisten ja immuunipuolustuksellisten piirteiden vuoksi mahdollisuudet hyödyntää kantasoluja kliinisesti ovat vaikuttavat merkittäviltä, ja siksi säätelytekijöitä ja signaalinvälitysreittejä pitäisi tutkia.

3 Johdanto 2 Kantasolu Kaikissa jatkuvasti uusiutuvissa kudoksissa on kantasoluja, jotka tuottavat jollakin tavalla kudoksen erilaistuvat solut 1,2. Kantasolun tarkempi määritelmä on kuitenkin ollut kiistanalainen jo yli kolmekymmentä vuotta 3. Ihon epiteelin kantasolujen tapauksessa osasyynä lienee, ettei kantasolujen tunnistamiseen ole löytynyt luotettavia empiirisiä menetelmiä 4. Vallitsevan määritelmän mukaan kantasoluksi kutsutaan solua, joka kykenee uusiutumaan rajattomasti tai erityisen pitkäaikaisesti ja joka kykenee tuottamaan ainakin yhdentyyppisiä pitkälle erilaistuneita jälkeläisiä 3. Vallitsevan kantasolujen luokittelua kuvaava mallin, epidermal proliferating unit (EPU) -mallin, mukaan kantasolut jakautuvat kahteen luokkaan: varsinaiset kantasolut ja välivahvistinsolut 5. Näistä varsinaisilla kantasoluilla on mittava uusiutumiskyky ja ne tuottavat itsensä lisäksi myös välivahvistinsolut, joiden uusiutumiskyky on rajallisempi. EPU-mallin mukaan välivahvistinsolut kykenevät uusiutumaan tuntemattoman, mutta kantasoluja vähäisemmän määrän kertoja. Välivahvistinsolut tuottavat suprabasaaliseen kerrokseen erilaistuneempia keratinosyyttejä, jotka työntyvät uusien suprabasaaliseen kerrokseen muodostuvien solujen paineesta kohti epidermin pintaa erilaistuen matkalla epidermin eri kerroksiksi. 4 Kantasolujen tunnistaminen Koska kantasolujen erottaminen toisistaan histologisissa näytteissä on vaikeaa tai mahdotonta, kantasolututkimuksessa käytetään yleisesti tarkoitukseen jalostettuja muuntogeenisiä hiirikantoja. Eräs ihon kantasolujen tutkimuksessa käytetyistä kannoista on ROSA26- reportterikanta (R26R), joka soveltuu hyvin syklistä DNA:ta tuottavan rekombinaasin (crerekombinaasin) ilmentämisen seurantaan 6. R26R-hiiret ovat hyödyllisiä tutkimuksessa, sillä ne ilmentävät vihreää fluoresoivaa proteiinia (GFP) kaikkialla aktiivisen ROSA26-geenin sääteleminä cre-rekombinaasin poistaessa loxp-sekvenssien a) välisen pysäytyskasetin b) 9. Karvatupen kantasolujen tunnistaminen Tarkimmin karvatupen kantasoluja on saatu seurattua hiirikannalla, joka ilmentää Sonic hedgehog -geenin (Shh) lokuksessa cre-rekombinaasia 4,10. Käyttämällä tätä hiirikantaa on kyetty aktivoimaan R26R-rakenteen 6 cre-riippuvainen b-galaktoosidaasigeeni ja siten histokemiallisesti tunnistamaan solut b-galaktoosidaasivärjäyksellä. Näin on osoitettu, että karvatupen ja karvatuppien välisen epidermin kantasolut ovat erillisiä solulinjoja 10. a) locus of X-over P1, risteytymiskohta bakteriofagi P1:ssä 7 b) stop cassette, transkription ja translaation pysäyttävät sekvenssit sisältävä DNA-jakso 8

4 Karvatuppi 3 Karvatupen kehittyminen Karvatuppi kehittyy kolmessa aallossa. Hiirellä nämä ajoittuvat embryonaalisiin päiviin (E) 14, E16 ja E19:stä hieman syntymän jälkeen. 10 Karvatupen kehittyminen alkaa dermaalisten fibroblastien ryhmittäessä osan epidermin basaalisoluja pieneksi rykelmäksi (epidermaalinen plakodi). Tätä tapahtuu eri lajeilla eri aikoina ja eri kohdissa sikiötä. Ryhmittymisen jälkeen epidermin basaalisolut pidentyvät, jakautuvat ja vajoavat dermikseen. Dermaaliset fibroblastit reagoivat epidermin solujen tunkeutumiseen muodostamalla dermaalisen nystyn karvan aiheen alle. Dermaalinen nysty työntyy basaalisolujen sekaan ja stimuloi niitä jakautumaan nopeammin. Basaalisolut vastaavat tuottamalla jakautumisen lopettaneita soluja, jotka erilaistuvat karvan keratinisoituneeksi varreksi. Samalla, kun tämä erilaistuminen on käynnissä, karvan aiheen sivulle alkaa kasvaa kaksi epiteelin pullistumaa. Ylemmän pullistuman solut muodostavat talirauhasen. Alemman pullistuma-alueen solut sisältävät sekä karvatupen että melanosyyttien kantasolut. 11 Karvatupen pullistuma-alue Karvatupen kantasolut sijaitsevat karvatupen pullistuma-alueella 3,12,13. Pullistuma-alue taas sijaitsee joko m. arrector pilin kohdalla tai sen vieressä 14, kuitenkin aina talirauhasesta karvatupen silmuun päin, joskin sijaintia telogeenin aikana ei tiedetä tarkkaan 10. Ensimmäisenä pullistuma-alueen dokumentoi Philipp Stöhr jo vuonna Karvatupen ja sen kantasolujen normaali toiminta Epidermistä poiketen karvat eivät uusiudu jatkuvasti, vaan niiden elinkaari koostuu karvatupen morfogeneesin jälkeen kolmesta eri vaiheesta: kasvu (anageeni), surkastuminen (katageeni) ja lepo (telogeeni) 15. Lisäksi jotkin karvatupesta kasvavat karvat saattavat ajoittain irrota (eksogeeni) erikseen säädellyllä mekanismilla 16. Telogeenin jälkeen dermaalisen nystyn signaalit saavat aikaan sen, että karvatupen kantasolujen vaeltavat pullistuma-alueelta karvan tyveen aloittamaan uuden anageenivaiheen 13. Ehjässä ihossa karvatupen kantasolut osallistuvat vain sykliseen karvan ja jatkuvaan talirauhasen uusiutumiseen 13,17, eivät epidermin homeostaasin ylläpitoon 12.

5 Karvatupen kantasolujen toiminta ihon vaurioiduttua 4 Koska iho toimii elimistöä ympäristöltä suojaavana esteenä, kaikki siihen tulleet vauriot on korjattava nopeasti ja tehokkaasti. Useimmat ihon mekaaniset haavat aiheuttavat veren vuotamista vaurioituneista verisuonista. Vuotaneesta verestä muodostuu tilapäinen fibriinihyytymä, joka suojaa paljasta haavakudosta ja toimii väliaikaisena matriisina, jota pitkin solut voivat vaeltaa korjausprosessin aikana. 18 Epidermin vaurioituessa sen korjaamiseen osallistuu epidermin keratinosyyttien lisäksi myös haavaa reunustavien karvatuppien kantasoluja 3,4,12,19,20. Haavan reunalle jääneiden karvatuppien suppiloiden ja pullistuma-alueiden keratinosyytit sekä pullistuma-alueiden kantasolut integroituvat uusiutuvaan epidermiin ja alkavat ilmentää epidermaalisia erilaistumismarkkereita. Viimeisimpien tutkimusten mukaan näyttää siltä, etteivät karvatuppien kantasolut häviä hypertrofisen epidermin saavutettua normaalimman epidermaalisen rakenteen, vaan ne voidaan uudelleenohjelmoida epidermin kantasoluiksi, minkä seurauksena ne jäävät pysyvästi haavaalueen epidermiin. 4 Jotta kantasolut voisivat osallistua vaurion korjaamiseen, ne täytyy aktivoida ja niiden täytyy vaeltaa haavan pinnalle sekä ryhtyä jakautumaan 12. Epidermin keratinosyyttien aktivointia, vaeltamista ja jakautumista on tutkittu runsaasti ja se on varsin hyvin tunnettua 18. Sen sijaan toistaiseksi ei tunneta, mitkä signaalit aiheuttavat karvatupen pullistuma-alueen solujen osallistumista epidermin vaurioiden korjaamiseen 12. Karvatupen ja sen pullistuma-alueen erityispiirteitä Karvatupen pullistuma-alueen läheisyydessä tuotetaan kahta parakriinistä tekijää: fibroblastikasvutekijä-18 (FGF18) ja luumorfogeneesiproteiini-6 (BMP6) 21. Nämä tekijät saattavat pitää kantasoluja eräänlaisessa erilaistumislimbossa, jolloin ne pysyvät alttiimpina ympäristön ärsykkeille. On myös löydetty näyttöä siitä, että karvatuppi olisi elimistön immuunipuolustuksen ns. etuoikeutettua, monitoroimatonta aluetta. Osoituksena tästä on todettu, että useiden kudosyhteensopivuuskomplekseja koodaavien geenien lähetti-rna:ta on vähemmän karvatupen kantasoluissa kuin epidermin basaalisissa keratinosyyteissä. Näiden havaintojen perusteella on ehdotettu, että miesten kaljuuntumisessa kyseessä saattaisi olla karvatupen etuoikeutetun aseman häviäminen, mikä johtaisi elimistön immuunijärjestelmän hyökkäykseen karvatuppia vastaan. 22

6 Pohdinta 5 Käsitys karvatupen kantasolujen alkuperästä ja sijainnista on vaihdellut paljon viime vuosikymmenen aikana. Nykytiedon mukaan kantasolujen tyyssija on jo yli sata vuotta sitten löydetty karvatupen pullistuma-alue. Monikykyisten kantasolujen tunnistaminen on selvästi kaukana triviaalista. Tästä huolimatta kiinnostus kantasolututkimukseen on suurta, eikä ihme: kliinisten (ja näiden ohella taloudellisesti merkittävien) hoito- ja käyttömahdollisuuksien määrä ja kirjo ovat huikeita. Nyt, kun on todistettu, että karvatupen ja epidermin kantasolut ovat peräisin eri solulinjoista, olisi tarpeellista tutkia, miten juuri karvatupen kantasoluihin kohdistuvat säätelymekanismit ja signalointi tapahtuvat, jotta kantasolujen kliinistä käyttöä voitaisiin ryhtyä kokeilemaan. Pitäisin mahdollisena, että karvatupen suppilon ja pullistuma-alueen keratinosyyttien sekä pullistumaalueen kantasolujen aktivoinnin, vaeltamisen ja jakautumisen signalointi seuraisi pitkälti samoja signaalinvälitysreittejä kuin karvatuppien välisen epidermin solujen. Nykykirjallisuudessa tästä tai muusta ei ole vielä näyttöä, mutta kliinisten hoito- ja käyttömahdollisuuksien laajuuden vuoksi tutkimukselle olisi selvää tieteellistä kysyntää sen lisäksi, että se olisi taloudellisesti perusteltavissa.

7 Lähteet 6 1. Lajtha LG. Stem cell concepts. Differentiation. 1979;14(1-3): Hall PA, Watt FM. Stem cells: the generation and maintenance of cellular diversity. Development. 1989;106: Taylor G, Lehrer MS, Jensen PJ, Sun T, Lavker RM. Involvement of follicular stem cells in forming not only the follicle but also the epidermis. Cell. 2000;102: Levy V, Lindon C, Zheng Y, Harfe BD, Morgan BA. Epidermal stem cells arise from the hair follicle after wounding. FASEB J [Internet]. 2007;21:[4 sivua]. Saatavilla osoitteesta: Maksullinen, saatavilla Helsingin yliopiston sisäverkon kautta. 5. Allen TD, Potten CS. Fine-structural identification and organization of the epidermal proliferative unit. J Cell Sci. 1975;17(3): Soriano P. Generalized lacz expression with the ROSA26 Cre reporter strain. Nat Genet. 1999;21: Bailey CC, Morgan M, Dale EC, Ow DW. Exchange of gene activity in transgenic plants catalyzed by the Cre-lox site-specific recombination system. Plant Mol Biol. 1992;18(2): Olry A, Chastagner P, Israël A, Brou C. Generation and characterization of mutant cell lines defective in g-secretase processing of notch and amyloid precursor protein. J Biol Chem. 2005; 280(31): Eberl G, Littman DR. Thymic origin of intestinal ab T cells revealed by fate mapping of RORgt+ cells. Science. 2004;305(5681): Levy V, Lindon C, Harfe BD, Morgan BA. Distinct stem cell populations regenerate the follicle and interfollicular epidermis. Dev Cell. 2005;9: Gilbert SF Developmental biology. 8th ed. Sunderland (MA): Sinauer Assoc. p Ito M, Liu Y, Yang Z, Nguyen J, Liang F, Morris RJ, Cotsarelis G. Stem cells in the hair follicle contribute to wound repair but not to homeostasis of the epidermis. Nat Med. 2005;11(12)

8 7 13. Cotsarelis G, Sun T, Lavker RM. Label-retaining cells reside in the bulge area of pilosebaceous unit: Implications for follicular stem cells, hair cycle, and skin carcinogenesis. Cell. 1990;61: Alonso L, Fuchs E. Stem cells of the skin epithelium. Proc Nat Acad Sci. 2003;100: Paus R, Cotsarelis G. The biology of hair follicles. N Engl J Med. 1999;341(7): Stenn K. Exogen is an active, separately controlled phase of the hair growth cycle. J Am Acad Dermatol. 2005;52(2): Morris RJ, Potten CS. Highly persistent label-retaining cells in the hair follicles of mice and their fate following induction of anagen. J Invest Dermatol. 1999;112: Martin P. Wound healing aiming for perfect skin regeneration. Science. 1997;276: Gazizadeh S, Taichman LB. Multiple classes of stem cells in cutaneous epithelium: a lineage analysis of adult mouse skin. EMBO J. 2001;20(6): Tumbar T, Guasch G, Greco V, Blanpain C, Lowry WE, Rendl M, Fuchs E. Defining the epithelial stem cell niche in skin. Science. 2004;303: Blanpain C, Lowry W, Geoghegan A, Polak L, Fuchs E. Self-renewal, multipotency, and the existence of two cell populations within an epithelial stem cell niche. Cell. 2004;118(5): Morris RJ, Liu Y, Marles L, Yang Z, Trempus C, Li S, Lin JS, Sawicki JA, Cotsarelis G. Capturing and profiling adult hair follicle stem cells. Nat Biotech. 2004;22(4):411 7.