Solubiologian luennot Solusykli Riitta Julkunen-Tiitto Itä-Suomen yliopisto/ Biologian laitos Joensuun tiedepuisto, Luonnonainetutkimuksen laboratorio rjt@uef.fi Oheislukemisto: Campbell & Reed: kpl 12 Figure 12.1 Jakautuvan solun kromosomit
Luentorunko: Solusykli Kpl 12 Yleistä solun jakautumisesta Solun jakautuminen-tytärsolujen muodostuminen - geneettisen matriaalin jakautuminen solussa - kromosomien solun jakautuessa Solusyklin vaiheet Tumasukkula Sytokineesi Prokaryoottien solujakautuminen Mitoosin evoluutiosta Solusyklin säätely- molekulaarinen kontrollisysteemi - sytoplasman signaalit - solusyklin kontrollointisysteemi - solusyklin ajoitus/kello: sykliinit ja sykliini-riippuvat kinaasit - solusyklin pysäytys/etenemissignaalit - solysyklin kontrollin menetys-syöpä
Johdantoa elävän erottaa elottomasta kyky lisääntyä kyvyllä lisätä omaa sukua, lajia jne. - soluperusta Figure 12.1 Rudolf Virchow (saksalainen lääkäri) 1855: - missä on solu, siellä on täytynyt olla aikaisemmin jo solu, kuten eläin saa alkunsa vain eläinsolusta ja kasvi vain kasvisolusta - Omnis cellula e cellula - jokainen solu solusta solun elämä, elämän jatkuvuus - perustuu solujen lisääntymiseen, solun jakautumiseen solunjakautumisella useita tärkeitä tehtäviä eliön elämässä
Yksisoluiset organismit jälkeläiset - yhden solun jakautuminen => uusi yksilö 100 µm Figure 12.2 A (a) Reproduction. An amoeba, a single-celled eukaryote, is dividing into two cells. Each new cell will be an individual organism (LM).
Monisoluiset organismit Solujakautumista tarvitaan: - kehitys hedelmöitetystä solusta (munasolu/tsygootti) - kasvutapahtumat (kasvin kasvu pistokkaasta) - korjaustapahtumat (uudistuminen) kehittyvissä tai täysikasvuisissa eliöissä 200 µm 20 µm (b) Growth and development. This micrograph shows a sand dollar embryo shortly after the fertilized egg divided, Figure 12.2 B, C forming two cells (LM). (c) Tissue renewal. These dividing bone marrow cells (arrow) will give rise to new blood cells (LM).
Solun jakautuminen -olennainen osa solusykliä Identtinen geneettinen materiaali (DNA) jälkeläisiin - ratkaiseva solun jakautumisen funktio solut monistavat/kaksinkertaistavat geneettisen materiaalinsa - identiset tytär-puoliskot/ solut monistaminen monimutkainen prosessi - DNA:n siirtyy hämmästyttävän tarkasti edellisestä sukupolvesta seuraavaan (emosolusta jakautuvaan soluun) Jakautuva solu: - kahdentaa ensin DNA:n, - siirtää kopioidut materiaalit vastakkaisiin päihin - vasta sitten jakautuu tytärsoluiksi eli varmennetaan ensin, että kumpikin tytärsolu saa tarkan kopion geneettisestä materiaalista ja vasta sitten jakaudutaan
Geneettisen materiaalin organisaatio solussa DNA-geneettinen informaatio = genomi prokaryootit: usein yksittäinen pitkä DNA-molekyyli eukaryootit: tavallisesti joukko DNA-molekyylejä, joiden pituus on suuri - esim. ihmisen solussa 2 m DNA, 250 000 x solun halkaisija DNA:n pituus- haasteellisuus kahdentumisessa
DNA molekyylit solussa pakattu kromosomeihin jakautumiseen valmistautuva rotan epiteelisolu - kromosomi - kreikkal. sanoista, chroma-väri (color), somakappale (body) Figure 12.3 50 µm
Eukaryoottiset kromosomit koostuvat: - kromatiinista (DNA-kompleksi) ja - proteiineista, jotka tiivistyvät solun jakautumisen aikana Kukin kromosomi sisältää yhden hyvin pitkän, lineaarisen DNAmolekyylin (kattaa useita satoja- muutamia tuhansia geenejä) geeni määrittelee eliön perityt piirteet proteiinit ylläpitävät rakennetta ja avustavat kontrolloimaan geenien aktiivisuutta Eläimissä - somaattisissa soluissa on kaksinkertainen kromosomisto - sukusoluilla (gameetti) yksinkertainen kromosomisto
Kromosomit solun jakautumisen aikana ei jakautuvassa solussa ja kahdentumaan valmistautuessa kukin kromosomi on pitkänä, ohuena kromatiinisäikeenä DNA:n kahdennuttua kromosomit tiivistyvät (kiertyvät ja laskostuvat) - kromosomit lyhenevät (valomikroskoopissa näkymä) kullakin kahdentuneella kromosomilla kaksi tytär-kromatidia, jotka eroavat solun jakautumisen aikana - aluksi sitojaproteiini kiinnittää tytär-kromatidit koko pituudeltaan kiinni toisiinsa - kahdentuneiden kromosomien välillä kapea sentromeeri, josta molemmat kromatidit tiukimmin kiinni toisissaan
Kromosomit solun jakautumisen aikana A eukaryotic cell has multiple chromosomes, one of which is represented here. Before duplication, each chromosome has a single DNA molecule. Once duplicated, a chromosome consists of two sister chromatids connected at the centromere. Each chromatid contains a copy of the DNA molecule. Chromosome duplication (including DNA synthesis) Centromere 0.5 µm Mechanical processes separate the sister chromatids into two chromosomes and distribute them to two daughter cells. Separation of sister chromatids Sister chromatids Figure 12.4 Centromeres Sister chromatids kromosomit eroavat - yksilöllinen kromosomi liikkuvat solun vastakkaisille puolille muodostuviin tumiin molemmille tumille identtinen kromosomisto alkuperäisen tuman kanssa
Eukaryoottisen solu: Jakautuminen koostuu - Mitoosista - tuman jakautumisesta - Sytokineesistä - sytoplasman jakautumisesta Meioosissa - sukusolujen muodostumistapa - sisältää kromosomien reduktion eli vähennysjaon (1n kromosomisto) - aluksi kromosomisto kahdentuu, sitten tapahtuu 2 solunjakautumista => 4 haploidin genomin sisältävää solua - jakojen välissä interfaasi, jonka kuluessa DNA:ta ei kahdenneta
Solusyklin vaiheet Mitoottinen (M) vaihe ja välivaihe (interfaasi) vuorottelevat solusyklissä Mitoottinen vaihe sisältää mitoosin ja sytokineesin INTERPHASE G 1 S (DNA synthesis) G 2 Figure 12.5
Solusyklin vaiheet Interfaasi pitkäkestoinen, jopa 90% solusyklistä - solu kasvaa - kopioi kromosomit - valmistautuu solun jakautumiseen jakautuu 3 vaiheeseen: G 1 (gap 1), S (synteesi), G 2 (gap 2) - G 1 - kasvu: proteiinien synteesi, sytoplasman organellien muodostus - S - kasvu: proteiinien synteesi, sytoplasman organellien muodostus ja kromosomien kahdentuminen - G 2 - kasvu: proteiinien synteesi, sytoplasman organellien muodostus M - solu jakautuu
Solusyklin vaiheiden kesto: tyypillinen ihmisen solu - 24 tuntia - M alle 1 tunti - S 10-12 tuntia - G 2 4-6 tuntia - G 1 5-6 tuntia (vaihtelee eniten, riippuen solutyypistä)
Mitoottinen vaihe: mitoosi ja sytogeneesi mitoosi jakautuu 5 vaiheeseen: - profaasi - prometafaasi - metafaasi - anafaasi - telofaasi sytogeneesi tapahtuu päällekkäisenä telofaasin kanssa ja päättää solusyklin
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi, Prometafaasi, Metafaasi, Anafaasi ja Telofaasi Centrosomes (with centriole pairs) G 2 OF INTERPHASE PROPHASE PROMETAPHASE Chromatin (duplicated) Early mitotic spindle Aster Centromere Fragments of nuclear envelope Kinetochore Nonkinetochore microtubules Figure 12.6 Nucleolus Nuclear envelope Plasma membrane Chromosome, consisting of two sister chromatids Kinetochore microtubule
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G 2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Interfaasin G 2 vaihe: - tumakalvo ympäröi tumaa - tuma sisältää 1 tai useampia nukleoleja - kaksi sentrosomia muodostettu yksittäisen sentrosomin kahdentumisella - eläinsoluissa sentrosomeissa 2 sentriolia - S vaiheessa kahdentuneet kromosomit eivät ole nähtävissä G 2 of Interphase Centrosomes (with centriole pairs) Nucleolus Nuclear envelope Chromatin (duplicated) Plasma membrane
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G 2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Profaasi: - kromatiini-säikeet kiertyvät, tiivistyvät - nukleoli katoaa - kahdentuneet kromosomit näyttävät sisarkromatideilta, jotka vielä yhdessä - mitoosisukkula alkaa muodostua (sentrosomeista- mikrotubuluksista ja proteiineista- tubulin) Early mitotic spindle Prophase Aster Chromosome, consisting of two sister chromatids Centromere
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Profaasi jatkuu: - säteittäin, tähtimäisesti (aster) asettuneet lyhyet mikrotubulukset sentrosomin ympärillä - sentrosomit etääntyvät toisistaan, ilmeisesti pidentyvien mikrotubulusten työntämänä - mitoosisukkula = sentrosomit, sukkulan mikrotubulukset ja tubulustähti (aster) Early mitotic spindle Prophase Aster Chromosome, consisting of two sister chromatids Centromere
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Prometaphase Prometafaasi: tumakalvo alkaa hajota sukkulan mikrotubulukset liikkuvat tuman alueelle ja kiinnittyvät kromosomeihin, jotka edelleen tiivistyneet mikrotubulukset ulottuvat kustakin sentrosomista solun keskiosaan Fragments of nuclear envelope Nonkinetochore microtubules Kinetochore Kinetochore microtubule
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Prometafaasi: kullakin kromosomin kahdesta kromatidista on oma kinetokori (proteiininen rakenne sentromerissä) - kussakin kromosomissa 2 kinetokoria osoittaen vastakkaisiin suuntiin jotkut mikrotubulukset kiinnittyvät kinetokoriin (kinetokori-mikrotubulukset) ja aluksi nykivät kromosomeja edestakaisin ei-kinetokori-mikrotubulukset liittävät vastakkaisen puolen sukkulan yhteen
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Centrosomes (with centriole pairs) G 2 OF INTERPHASE PROPHASE PROMETAPHASE Chromatin (duplicated) Early mitotic spindle Aster Centromere Fragments of nuclear envelope Kinetochore Nonkinetochore microtubules Figure 12.6 Nucleolus Nuclear envelope Plasma membrane Chromosome, consisting of two sister chromatids Kinetochore microtubule
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Metafaasi: - pisin mitoosin vaiheista (n. 20 min) - sentrosomit eri puolilla solua - kromosomit muodostavat metafaasilevyn (kromosomit yhtä kaukana solun molemmista sukkuloista) - sentromeerit ovat metafaasilevyssä - kinetokorit liittyneenä tytärkromosomien kinetokorin mikrotubulukseen, joka tulee vastakkaiselta puolelta - mitoosisukkula - nimi mikrotubulusten järjestäytymisestä - Asterin mikrotubulukset ovat pidentyneet ja yhteydessä plasmakalvoon
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi metafaasilevy: Sister chromatids Aster Centrosome Metaphase Plate Kinetochores Overlapping nonkinetochore microtubules Microtubules Kinetochores microtubules 0.5 µm Chromosomes Figure 12.7 Centrosome 1 µm
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi METAPHASE ANAPHASE TELOPHASE AND CYTOKINESIS Metaphase plate Cleavage furrow Nucleolus forming Figure 12.6 Spindle Centrosome at one spindle pole Daughter chromosomes Nuclear envelope forming
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Anaphase Anafaasi: - lyhyin mitoosin vaiheista, muutamia minuutteja Daughter chromosomes - alkaa, kun tytärkromatidit eroavat nopeasti (sentromeerikohta) - tytärkromosomeja yhdessä pitävät proteiinit inaktivoituvat - kromatidista kromosomi, joka liikkuu solun keskeltä reunalle kinetokori-mikrotubuluksen lyhetessä - liike sentromeeri edellä (tubulukset siihen kiinnittyneenä, n. 1 µm/ min nopeus) - solu pitenee päällekkäin olevien ei-kinetokorimikrotubulusten työntyessä solun päissä olevia sentrosomeja kohden liikeproteiinien toimesta (+ATP) - samalla sentrosomit työntyvät ulospäin => solu pitene - mikrotubulukset myös pitenevät <= päällekkäin olleisiin päihin lisätään tubuliinia => mikrotubulukset yhä enemmän päällekkäin
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Anafaasin lopussa solun molemmat päät samankaltaisia ja valmiita kromosomeineen METAPHASE ANAPHASE TELOPHASE AND CYTOKINESIS Metaphase plate Cleavage furrow Nucleolus forming Figure 12.6 Spindle Centrosome at one spindle pole Daughter chromosomes Nuclear envelope forming
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi Kinetokori mikrotubuluksen toiminta kromosomien polaariliikkeessä: - liikeproteiinit (dynein, kinesin) kuljetavat kromosomia mikrotubulusta pitkin - kinetokorimikrotubulus lyhenee kinetokori-päästä - depolymerisoituu vapauttaen tubuliini-yksiköitä soluun Chromosome movement Kinetochore Kinetoc hore Microtubule Motor protein Tubulin subunits Spin dle pole Chromosome
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi kaksi tytärtumaa alkaa muodostua soluun tumakalvo alkaa muodostua emosolun tumakalvon fragmenteista ja ER systeemistä kromosomit alkavat hävitä (pitenevät) mitoottinen sukkula häviää nukleoli muodostuu mitoosi, tuman jakautuminen kahdeksi identtiseksi tumaksi, on tapahtunut Telophase and Cytokinesis Cleavage furrow Nuclear envelope forming Nucleolus forming
Mitoosin vaiheet: Interfaasin G2 vaihe, Profaasi ja Prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi METAPHASE ANAPHASE TELOPHASE AND CYTOKINESIS Metaphase plate Cleavage furrow Nucleolus forming Figure 12.6 Spindle Centrosome at one spindle pole Daughter chromosomes Nuclear envelope forming
Sytogeneesi eläinsolussa: halkeamiskurouma muodostuu solun pinnalle lähelle vanhaa metafaasilevyä (matala uurre) sytoplasman puolella aktiini-mikrofilamenteista + myosin-proteiinista muodostuva supistusrengas => aktiini-myosiini supistuminen halkeamisuurre syvenee => solun puoliskot erilleen Cleavage furrow 100 µm Contractile ring of microfilaments Daughter cells Figure 12.9 A (a) Cleavage of an animal cell (SEM)
Mitoosi kasvisolussa Nucleus Chromatine Nucleolus condensing Chromosome 1 Prophase. The chromatin is condensing. The nucleolus is beginning to disappear. Although not yet visible in the micrograph, the mitotic spindle is staring to from. Figure 12.10 Prometaphase. Metaphase. The 2 3 We now see discrete spindle is complete, 4 Anaphase. The 5 Telophase. Daughter chromatids of each nuclei are forming. chromosomes; each and the chromosomes, chromosome have Meanwhile, cytokinesis consists of two attached to microtubules separated, and the has started: The cell identical sister at their kinetochores, daughter chromosomes plate, which will chromatids. Later are all at the metaphase are moving to the ends divided the cytoplasm in prometaphase, the plate. of cell as their in two, is growing nuclear envelop will fragment. kinetochore microtubles shorten. toward the perimeter of the parent cell.
Sytogeneesi kasvisolussa: soluseinä - ero eläinsoluun telofaasin aikana Golgista peräisin olevat vesikkelit mikrotubuluksia pitkin solun keskelle, yhtyvät => solulevy sammalilla, johtosolukkokasveilla, muutamat levät muodostuminen alkaa solun keskeltälaajenee- yhtyy solukalvoon soluseinä muodostuu solulevyn materiaaleista Vesicles forming cell plate Wall of 1 µm patent cell Cell plate New cell wall Daughter cells Figure 12.9 B (b) Cell plate formation in a plant cell (SEM)
Sytogeneesi kasvisolussa: Mikrotubulusten järjestäytyminen solun jakautuessa
Sytogeneesi kasvisolussa: Isovakuolisen kasvisolun jakautuminen
Mitoosi sipulin juuressa