SOLUN JAKAUTUMINEN, SOLUSYKLI JA APOPTOOSI Veli-Pekka Lehto Patologian osasto/haartmaninstituutti/hy 24.01.2013
Omnis cellula e cellula (every cell from a cell) Remak-Virchow law R. Remak, 1852 R. Virchow, 1858
SOLUSYKLI Solun materiaalin kahdentuminen ja solun jakautuminen kahtia Solun reproduktion perusmekanismi DNA:n/kromosomien kopiointi ja siirtäminen tytärsoluille
Solun jakautuminen Yksisoluinen yksi jakautuminen tuottaa täydellisen yksilön Monisoluinen suuri määrä jakautumisia tarvitaan täydellisen yksilön tuottamiseen todettavissa koko eliniän (kasvu, kudosvaurioiden korjaus)
Solusykli/bakteeri 20 min. (E.coli) Yksi kromosomi, joka kahdentuu Kromosomit eroavat solun kasvaessa Solu jakautuu (fissio)
Solusykli/eukaryootti Monimutkainen tapahtuma, koska useita kromosomeja useita organelleja tukiranka Kesto vaihtelee hh-yy Tuman jakautuminen l. mitoosi Sytoplasman jakautuminen l. sytokineesi
Solusykli/hiiva
Solusyklin vaiheet M-vaihe Mitoosi-sytokineesi solu jakautuu Interfaasi solun koko kasvaa kahden M-vaiheen välinen aika
G1-vaihe gap koon kasvu ja organellien kahdentuminen S-vaihe DNA:n kahdentuminen ( synthesis ) G2-vaihe koon kasvu ja organellien kahdentuminen kromosomien kondensaatio Interfaasi
Mitoosin vaiheet
INTERFAASI PROFAASI METAFAASI METAFAASI ANAFAASI TELOFAASI
Solun tukiranka ja solusykli MITOOSISUKKULA (MITOTIC SPINDLE) - mikrotubulukset/tubuliini SUPISTUSRENGAS (CONTRACTILE RING) - mikrofilamentit (aktiini)
Sentrosomisykli Sentrosomi kahdentuu S-faasin lopussa Profaasissa sentrosomit liikkuvat solun napoihin Sentrosomit organisoivat mitoosisukkulan
Sentrosomi on MTOC MTOC= microtubule organizing center
Kinetokorit Kinetokorit mikrotubulusten kiinnittymiskohdat kromatidissa
Mikrotubulukset ja moottoriproteiinit kromatidien liikuttajina
Mikrotubulukset ja moottoriproteiinit kromatidien liikuttajina
Soluorganellien fragmentoituminen mitoosin aikana Organellit, jotka eivät jakaudu (golgi, ER, tumakalvo), pirstoutuvat, jakautuvat sattumanvaraisesti tytärsoluihin ja kasvavat entiseen tilavuuteen Mitokondriot jakautuvat TUMAKALVON FRAGMENTOITUMINEN
Sytokineesi Soluorganellit ja solulimaa jakautuu kahteen tytärsoluun Alkaa anafaasissa ja päättyy tumien muodostuttua Perustuu supistusrenkaan (contractile ring) toimintaan Supistusrenkaan aseman määrää mitoosisukkula Renkaan syntyä edeltää jakautumisvaon (cleavage furrow) muodostuminen Renkaan rakenneosat ovat aktiini ja myosiini
Sytokineesi
Miten solusykliä voidaan tutkia Tarkkailemalla viljeltyjen solujen morfologiaa tai tutkimalla niiden kiinnittymistä alustaan
Miten solusykliä voidaan tutkia Leimataan solut radioaktiivisella nukleotidianalogilla (esim. 3H-tymidiini) tunnistetaan S-vaiheen solutautoradiografiatekniikalla Leimataan solut modifioidulla nukleotidilla (esim. BrdU) tunnistetaan S-vaiheen leimautuneet solut käyttäen vasta-aineita
Miten solusykliä voidaan tutkia Virtaussytometri Flow cytometer Fluorescence activated cell sorter
TELOMEERIT JA TELOMERAASI
Frej Fyhrquist ja Outi Saijonmaa Telomeerit ja vanheneminen Duodecim 2007;123:1963-1971
Telomeerien lyheneminen johtaa replikatiiviseen senesenssiin; solut eivät enää jakaudu. Sisäinen kello Suoja kontrolloimatonta kasvua vastaan Vanhenemisen syy? SENESCENCE JA TELOMEERIT
SOLUSYKLI Jakauttuu neljään vaiheeseen G1, S, G2 ja M Tukirankarakenteilla keskeinen rooli mitoosissa ja sytokineesissä Jotkut organellit fragmentoituvat jakautumisen aikana Mitoosisukkula alkaa muodostua profaasissa Kromosomit kiinnittyvät mitoosisukkulaan prometafaasissa Kromosomit järjestyvät metafaasissa Sisarkromosomit vetäytyvät erilleen anafaasissa Tumakalvo muodostuu telofaasissa Mitoosisukkula määrää kuroutumisuran paikan Kuroutumisrengas koostuu aktiinista ja myosiinista
SOLUSYKLIN SÄÄTELY Säätelymekanismi ( Controller ), joka koordinoi jakautumiskoneiston toimintaa ajallisesti ja paikallisesti Valvoo siirtymistä vaiheesta toiseen Herkkä solun ulkopuolisille ja soluvälitteisille signaaleille
Checkpoints Tarkistuspisteet ( checkpoints ) Solusyklin vaiheita, joissa siirtyminen seuraavaan vaiheeseen keskeytyy, jos edellinen vaihe ei ole toteutunut tai jos sisäiset/ulkoiset olosuhteet eivät ole suotuisat
Cyclin-Cdk kompleksit Cdk proteiinikinaasientsyy mejä ilmentyvät koko solusyklin ajan kinaasiaktiivisuus vaihtelee syklisesti MPF (M-phase promoting factor) oli ensimmäinen tunnistettu Cdk Sykliinit ei entsymaattista aktivitettia määrä vaihtelee solusyklin eri vaiheissa määrää säädellään hajottamalla ja syntetisoimalla sitoutuvat Cdk:eihin ja säätelevät niiden aktiviteettia
Cyclin-Cdk kompleksit Eri sykliini-cdk kompleksit säätelevät solusyklin eri vaiheita G1-Cdk G1/S-Cdk S-Cdk M-Cdk
Fosforylaatio säätelee Cdkaktiviteettia
Cdk:n vaimentaminen Sykliinin hajottaminen (degradaatio/ubiquitin) Cdk:n aktiviteettia inhiboiva fosforylaatio Inhibiittorin sitoutuminen sykliini- Cdk-kompleksiin
Solusyklin pysäyttäminen G1- Estetään vioittuneen DNA:n kahdentuminen Perustuu sykliini-cdk kompleksin muodostumisen estävän inhibiittorin toimintaan vaiheessa
G0-tila Solun lepotila Sykliinine ja Cdkentsyymien synteesi estynyt Kasvusignaalin puute saa aikaan vetäytymisen syklistä
Solusyklin säätely - monimutkainen järjestelmä
Solusyklin säätelymekanismi Säätelee jakautumiskoneiston vaiheita ja ajoituista Perustuu syklisesti aktivoituvien proteiinikinaasientsyymien (Cyclin Dependent Kinase; Cdk) toimintaan Syklisesti ilmentyvät sykliinit säätelevät Cdk-entsyymien toimintaa Fosforylaatio/defosforylaatio säätelee Cdk-entsyymien toimintaa Eri sykliini/cdk-kompleksit käynnistävät solusyklin eri vaiheet Cdk-entsyymin inhibiittoriproteiinit voivat estää siirtymisen G1- vaiheesta Säätelyjärjestelmä voi sulkeutua ja solu vetäytyä G0-vaiheeseen ( lepotila )
Kasvu signaalit ja signaalinsiirto
APOPTOSIS Cell suicide, Programmed Cell Death Tapa kontrolloida kudoksen/elimistön solumäärää (solujakautumisen ohella; homeostasis) Solun elossa pysyminen riippuu survival tekijöistä (erityisesti kasvutekijöistä). Niiden puute yleensä käynnistää apoptoosin
Apoptosis - default state?
Apoptoosi normaalissa fysiologiassa Sikiökehityksen aikana vilkasta muovaa kudosta määrää hermo-pääteelinliitosten määrän Aikuiskudos erityisen vilkasta nopeasti uusiutuvissa kudoksissa kuten luuydin ja suolen limakalvo
Apoptoosin morfologia Yksittäisten solujen tuho; no collateral damage Solupinnan muutokset johtavat nopeaan fagosytoosiin
Apoptosis vs. necrosis
Apoptosis vs. necrosis NECROSIS Cell swells Organelles rendered non-functional Random DNA degradation General chromatin precipitation PM damaged, permeable Cell ruptures Induction of inflammatory response Occurs in large groups of cells APOPTOSIS Cell shrinks Organelles remain intact Controlled DNA degradation Chromatin condensation, margination PM remains intact Apoptotic body formation Phagocytosis Occurs in individual cells
Apoptoosin biokemia Perustuu kaspaaseihin (caspase) kysteiinin aktiivisessa kohdassaan sisätäviä proteaaseja, jotka leikkaavat kohdeproteiinin Asp-tähteen kohdalta procaspase > caspase kaspaasit työstävät prokaspaaseja ja kohdemolekyylejä itseään voimistava prosessi
Kaspaasien aktivoituminen
Apoptoosin käynnistyminen Extrinsic pathway Intrinsic pathway
Apoptoosin merkitys Elimistön homeostaasin ylläpito Vaurioituneiden solujen eliminointi Liittyy sairaustiloihin liiallinen apoptoosi > esim Alzheimerin tauti puutteellinen apoptoosi > syöpä
Syöpä - solukasvun häiriö
Proto-onkogeenit - onkogeenit
Kasvunrajoitegeenit
Signaalinsiirtoketju syövässä/onkogeenit
Kasvunrajoitegeenit syövässä
Apoptoosi ja syöpä Apoptoosin estyminen (esim. apoptoosia säätelevien geenien mutaatioiden seurauksena) voi myötävaikuttaa syövän syntyyn
Apoptosis vs. Survival