Tuma, solusykli ja mitoosi/heikki Hervonen 2012/Biolääketieteen laitos/anatomia Solubiologia ja peruskudokset-jakso Yleistä: Tuman kuvasi ensimmäisenä Franz Bauer v. 1804 ja myöhemmin Robert Brown 1831. 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 liuskoittuneesta tumasta. Joissakin soluissa voi normaalisti olla kaksi tumaa (maksasolu). Useampia tumia on joissakin jättisoluissa, esim. osteoklastissa tai luurankolihassolussa, jossa voi olla kymmeniä, jopa satoja tumia. Hermosolun rakkulamainen, vesikulaarinen tuma Spermatosyytin jyväsellinen, granulaarinen tuma Monenlaisia tumia Valkosolujen tumien monimuotoisuutta Maksasolussa voi olla kaksi tumaa 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 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 solun jakautumisen yhteydessä. Hermosolu Spermatidi Tuman hienorakennetta NL = Nucleolus on tumma E = Eukromatiini on vaaleaa H = Heterokromatiini on tummaa Plasmasolu Kierszenbaum: Histology and Cell Biology, Mosby/Elsevier 2007 A Text and Atlas. 6 p. LWW 2011 Neutrofiili Neutrofiili granulosyytti
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 3. 2. 1. 5. 4. 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) 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 Tumajyvänen on solun ribosomitehdas. Iso tumajyvänen kertoo, että solu syntetisoi paljon proteiinia. Tumajyväsiä voi olla kaksi tai useampikin yhtä tumaa kohti. Elektronimikroskoopilla tarkasteltuna tumajyväsessä on jyväsellisiä osia, joissa on ribosomien valmiita tai lähes valmiita alayksiköitä ja säikeisiä osia, jossa taas saijaitsevat auki purkautuneet ribosomaaliset geenit ja niihin liittyen suuri määrä ribosomaalista RNA:ta. GC granular material ribosomin osasten kokoaminen FC fibrillar centre rdna geenit F (dense) fibrillar material rrna:n transkriptit Tumajyväsen rakennetta NOR nucleolar organizing region ei erotu tässä kuvassa 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). 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 erilaistumis- ja 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 hengissäpysymissignaaleja. Toinen puoli kontrollia kohdistuu sitten DNA:n kahdentumisen onnistumiseen ja itse mitoosin häiriöttömään kulkuun. Näin pyritään varmistamaan että tytärsolut saavat muuttumaton genomin. Solusyklin vaiheet ja rajoituskohdat G 2 DNAvaurion S DNAvaurion Kahdentumattoman DNA:n Tumasukkulan G 1 DNAvaurion Rajoittava Kromosomien erkanemisen G 0 G TD Eukaryoottisolun solusykli 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 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 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. Mitoosin vaiheet PROFAASI PROMETAFAASI METAFAASI tumakotelon rippeitä kinetokoori From: Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell tumasukkula tumakotelo Kormosomit tiivistyvät, mitoosisukkula muodostuu mikrotubulus kinetokooriin Tumakotelo pirstoutuu kromosomit kiinnittyvät mikrotubuluksiin mikrotubulus kinetokooriin kromosomi Sisarkromatidit asettuvat keski(jakautumis)tasoon ANAFAASI tytärkromosomit TELOFAASI supistuva aktiinimyosiinirengas ilmaantuu SOLUN JAKAUTUMINEN tumakotelo on muodostunut 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 Sykliinit ja sykliineistä riippuvaiset kinaasit säätelevät solusyklin etenemistä Eukaryoottisoluissa solusykliä kontrolloidaan erityisten proteiinikinaasien sarjalla. Ensin löydettiin maturaatiota edistävä Sykliini E-Cdk1 Sykliini A-Cdk1 tekijä (MPF), joka näytti säätelevän mitoosiin siirtymistä. MPF osoittautui kompleksiksi, jossa on sykliini-proteiini ja sykliinistä riippuvainen kinaasi (cdk). Kinaasi on 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. Sykliini A-Cdk2 Sykliini-cdk-kompleksin esiintyminen solusyklissä Sykliini E-Cdk2 G 0 Sykliini D-Cdk4/6 Cdk= sykliinistä riippuva kinaasi
Esimerkiksi G2:sta mitoosiin siirryttäessä syklini-cdk-kompleksi fosforyloi proteiineja, jotka kontrolloivat kromosomien kondensaatiota, tumakotelon hajoamista ja mitoosisukkulan syntyä. Sykliini-cdk-kompleksien aktiivisuutta voidaan vähentää ainakin kahdella tavalla. Kinaasiaktiviteettia voidaan inhiboida spesifisillä ja vähemmän spesifisillä inhibiittoreilla tai syklinimäärää voidaan vähentää hajottamalla sitä. Hajottaminen tapahtuu ubikitiinimerkkauksen kautta proteosomeissa (normaali tie). Ubikitiinimerkkauksen taas tekevät toiset proteiinikompleksit, esimerkiksi anafaasia edistävä kompleksi (anaphase promoting complex, APC), joka vastaa mm. S- ja M-vaiheen sykliinien hajoittamisesta. Sykliinien tason säätelyssä on mukana myös geenien lukemisen (transkriptio) tason säätelyä. Apoptoosi, ohjelmoitu solukuolema ja nekroosi Solusyklillä ja apoptoosilla on läheiset yhteydet toisiinsa. Tarkastuspisteessä hylkääminen johtaa normaalisti apoptoosiin. Apoptoosi on laajassa käytössä niin alkion ja sikiön kehityksessä kuin aikuisessa elimistössäkin silloin, kun on tarve hävittää tarpeettomia tai vaurioituneita soluja. 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. 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.