Solubiologia ja peruskudokset- jakso/ biolääketieteen laitos/ anatomia SOLUN TUKIRANKA HEIKKI HERVONEN Kuvassa punaiset ovat aktiinisäikeitä LT Minna Takkusen väitöskirjan kansikuva.
Luku 1 SOLUN TUKIRANKA Solun tukiranka pitää solun kasassa, tukee solun rakennetta, antaa solulle muodon, auttaa solua liikkumaan, ja liikuttelemaan soluelimiä ja tekee yhdessä solujen välisten liitosten välityksella kudoksista kestäviä. Osa tukirangasta on hitaasti muovautuvaa, osa taas jatkuvassa liikkeessä ja uudistumisen prosessissa. Kuva: Ismo Virtanen, välikokoisia säikeitä kudosviljelmässä. 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.
OSIO 1 Solu tukiranka Solut liikkuvat ja muuttavat muotoaan. Solujen liikkumisesta yleensä: Useimmat solut kykenevät tai ovat ainakin joskus kyenneet liikkumaan. Joidenkin solujen toiminnan ehtona on liikkumiskyky. Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 6 p 2010 LWW SOLUN TUKIRANKA Solujen liikkumista alkion kehitysessä Alkio tunkeutuu kohdun limakalvoon Aktiini(mikro)filamentit Välikokoiset säikeet Mikrotubulukset Solun kalvokuorikko -Sikiökehityksen aikana esim. itusolut, veren kantasolut, hermosolut vaeltavat paikasta toiseen. Implantaatio ja gastrulaatio Solujen liikkuminen on alkion ja sikiön kehityksen aikana yleinen ilmiö. Alkiokerrosten synty gastrulaatiossa Esimerkkejä solujen liikkumisesta: Larsen: Human Embryology Churchill Livingstone - Vapaat solut, kuten veren valkosolut, liikkuvat verisuonten ulkopuolella kudoksissa. - Uusiutuvien kudosten solujen liikkeet: esim. suolen epiteelin kantasoluista syntyvät solut liukuvat pitkin tyvikalvoa. 2
- Solut liikkuvat kudosvaurion paranemisessa haavan/vaurion reunalta keskelle päin paikkaamaan kudospuutosta. Entä kasvainsolut? Solujen osien liikkumisesta selkeitä esimerkkejä ovat: - Värekarvojen ja siimojen liike (mikrotubulukset) - Kromosomien erkaneminen mitoosissa (mikrotubulukset) - Aktiini-myosiini- järjestelmään perustuva supistumisliike, joka puhtaimmillaan tavataan lihaskudoksessa. Monet muutkin solut pystyvät supistumaan tällä aktiini-myosiinivuorovaikutuksella. Arven kutistuminen johtuu myofibroblastien ulokkeiden supistumisesta, siittiöiden irtoaminen kivestiehyeiden pinnasta johtuu tiehyen seinämän myoidisolukerroksen supistelemisesta. Myoepiteliaalisolujen supistuminen rauhasepiteeleissä taas avittaa eritteen kulkeutumista rauhasputkeen ja siitä edelleen. Vielä erikseen voidaan puhua solujen sisäisestä liikenteestä, jossa rakkulaa, jyvästä tai organellia liikutetaan paikasta toiseen solun sisällä (mikrotubulukset ja mikrofilamentit). Esimerkkinä aksonikuljetus, jossa hermovälittäjäaine-rakkuloita kuljetetaan aksonia pitkin hermopäätteeseen (mikrotubuluksia pitkin). Solun tukiranka ja solun muodon ylläpito eli miten solu, tuo inha limapallero ylipäätään pysyy kasassa? Solun tukirankasäikeet (cytoskeleton) ovat yleensä yhdestä tai kahdesta yksikköproteiinista (subunit) polymerisoitumalla syntyviä sytoplasman rakenteita. Hajoaminen perustuu vastaavasti depolymerisaatioon. Solussa on kolme eri säiekomponentista koostuvaa verkostoa, jotka yhdessä muodostavat solun tukirankasäie-kompleksin. Tämä näyttelee keskeistä osaa solujen muodon ylläpidossa ja sen muutoksissa, solujen ja solukkojen liikkeissä ja solujen sisäisissä sytoplasmisissa liiketapahtumissa. Tukirankasäikeillä on sekä rakennetta ylläpitävä että dynaaminen rooli solun toiminnoissa. Välikokoiset säikeet muodostavat solun tukirangan luonteeltaan stabiileimman osan. Mikrofilamentit muodostavat nopeasti uusiutuvan ja muovautuvan Mikrofilamentit, mikrotubulukset ja välikoiset säikeet solussa mikrovillus terminal web vyöliitos desmosomi mikrotubulukset välikokoiset säikeet hemidesmosomi tyvikalvo Alberts et al.: Molecular Biology of The Cell Garland Science mikrofilamenttiverkoston, joka yhdessä myosiinin kanssa osallistuu myös liiketapahtumiin. Mikrotubulukset kasvavat sentriolista periferiaan, organisoivat soluorganelleja ja polarisaatiota sekä 3
muodostavat rautatieverkoston solun sisäisiin kuljetuksiin. Solukalvon tukirangan (kuorikon) proteiineilla on oleellinen merkitys solun muodon ylläpidossa: esimerkkinä punasolujen kaksoiskovera muoto. Epiteelisolujen polaarinen järjestäytyminen (apikaalinen vapaa pinta ja tyvikalvoon liittyvä basolateraalinen pinta) on osin solukuorikon spektriinin kaltaisten molekyylien ylläpitämää (mikrotubulusten ja soluliitosten lisäksi). Lihasdystrofia Yksittäisen solun rakenteen lisäksi tukirankasäikeet tukevat myös laajemmin kudoksen rakennetta. Tämä välittyy soluväli- ja solu-soluväliaine-liitosten kautta. Mikrofilamentit ja välikokoiset säikeet liittyvät kukin omanlaiseensa soluväliliitokseen. Välikokoiset säikeet kiinnittyvät desmosomin ja hemidesmosomin rakentesiin. Aktiinifilamentit kiinnittyvät adherens-liitoksiin (vyöliitokset) ja tiiviisiin liitoksiin sekä tarttumispisteisiin. Mikrofilamentit = aktiinifilamentit Aktiinifilamentit (filamentti = rihma, vaikka säikeistä yleensä puhutaan) ovat haarautumattomia, ohuimpia sytoplasman säikeitä, jotka monien liitosproteiinien ansiosta voivat muodostaa säiekimppuja ja verkostoja. Aktiini esiintyy sekä liukoisessa, globulaarisessa (monomeerinen G-aktiini) muodossa että näistä perusyksiköistä polymerisoituneina filamentteina (F-aktiini). Polymerisaatiossa aktiinimonomeerit liittyvät kasvavan filamentin päihin. Toinen (+pää) kasvaa nopeammin ja toinen hitaammin (-pää). Purkautumisesta käytetään depolymerisaatio-nimitystä. Aktiinisäikeiden pituutta ja järjestäyty-mistä säädellään monilla aktiiniin Aktiinin polymerisaatio ja aktiinia sitovat sitoutuvilla proteiinit aktiinifilamenttien syklissä. proteiineilla (actin binding proteins). kalvoon kiinnittyminen kimppuuntuminen moottoriproteiinit Gelsoliini ja kofiliini verkoston muodostaminen katkovat ja purkavat gelsoliini filamenttia, nukleaatio katkaisu ja päättäminen hattuproteiini (CP, kofiliini profiliini capping) stabiloi tymosiini β4 tymosiini β4 polymerisaation aloitus filamentin pään, faskiini ja fimbriini liittävät säikeitä toisiinsa. Liitos/linkkiproteiinit, kuten spektriini, adduktiini, alfa-aktiniini, taas kytkevät ja liittävät aktiinifilamentteja muihin rakenteisiin. (Älä rupea näitä yksittäisiä nimiä opettelemaan periaate kylläkin on tärkeä!) Myosiini I ja II ovat tärkeä aktiiniin sitoutuva proteiineja. Ne osallistuvat liikkeeseen ja solun sisäiseen liikenteeseen nk. moottoriproteiineina. Lihassolun supistuminen perustuu aktiini- ja myosiinifilamenttien liukumiseen toistensa suhteen energiaa 4
vaativassa prosessissa. Samaan perustuu myös muiden kuin lihassolujen liikkuminen ja suuri osa solun sisäisestä liikenteestä. Aktiinisäikeet näkyvät erityisen hyvin soluviljelmien soluissa stressisäikeinä, mikrofilamenttikimppuina, jotka pitävät yllä solun muotoa ja kiinnittyvät kynsimäisiin tarttumispisteisiin (focal adhesion) solun alustaa vasten olevalla pinnalla. Mikrovillukset ja stereosiliat ovat epiteelisolujen ulokkeita, joiden tukirakenteena on tarkasti järjestyneet aktiinimikrofilamenttikimput. Mikrovillusten alle muodostuu mikrofilamenteista lisäksi nk. terminal web-punos, joka erottuu valomikroskopiassakin. Mikrofilamenttiverkko on erityisen runsas solukalvon alla, jossa se osallistuu kalvoproteiinien tukemiseen ja liikkeisiin. Mikrofilamenttiverkko kiinnittyy vyöliitoksiin ja tiiviisiin liitoksiin ja siten osallistuu koko solukon tukemiseen solusta toiseen. Aktiinisäikeet ja solu-solu- sekä solu-väliaineliitokset Aktiinisäikeet kiinnittyvät vyöliitokseen (zonula adherens), joka liittää solun naapurisoluun. Ne kiinnittyvät myös tarttumispisteisiin (focal adhesion), joiden avulla solu tarttuu soluväliaineeseen (katso myös solun liikkuminen alla). Vyöliitokset kuuluvat yhtenä osana epiteelisoluja toisiinsa kiinnittävään junktionaaliseen kompleksiin. Vyöliitos sijaitsee epiteelisoluissa välittömästi mekaanisesti heikon tiiviin Vyöliitoksen rakenne vierekkäisten solujen kalvot vinkuliini kateniini aktiinisäie Mikrovillus Tiivis liitos Vyöliitos Desmosomi Aukkoliitos Hemidesmosomi liitoksen ala(basaali)puolella ja tarjoaaa sille riittävän mekaanisen tuen. Tämäkin liitos kiertää nimensä mukaisesti vyömäisesti solun kärjen ympäri. Soluvälitilassa vierekkäisten solujen solukalvon läpi ulottuvat E(epiteeli)-kadheriinit liittyvät naapurisolun vastaaviin molekyyleihin kalsium-ionin välityksellä. Solun puolella liitosproteiinit (kateniini, vinkuliini ja alfa-aktiniini) rakentavat sillan kadheriinien ja (aktiini)mikrofilamenttien välille. Kaavakuva proteiineista viljeltyjen solujen tarttumapisteissä (focal adhesion). Tyvikalvo E-kadheriini α-aktiniini apikaalinen pinta basolateraalinen pinta Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 5 p 2006 LWW Tarttumispisteet (focal adhesions) on parhaiten kuvattu kudosviljelyssä alustaansa tarttuneilla soluilla, mutta niiden vastineet esiintyvät luonnossakin esim. epiteelisolujen kiinnittyessä tyvikalvoon. Kierteiset 5
F-aktiinisäikeet kiinnittyvät integriineihin mm. taliinin ja alfa-aktiniinin välityksellä. Kynsimäisillä alueilla on monia liitosproteiineja, joiden suhteet toisiinsa tunnetaan vasta osittain. Tällä hetkellä näitä proteiineja tunnetaan jo yli 60. Eräät virukset ovat oppineet käyttämään integriinejä hyväkseen tunkeutuessaan soluun. Välikokoiset säikeet Välikokoiset säikeet ovat iso proteiiniperhe. Perheenjäsenten rakenteet muistuttavat rakenteeltaan toisiaan. Nimi johtuu läpimitasta, n. 10 nm, joka sijoittuu mikrofilamenttien (n. 5 nm) ja mikrotubulusten (n. 24 nm) väliiin. Välikokoisten säikeiden verkostot eivät ole samanlaisessa dynaamisessa kasvu- ja purkautumisprosessissa kuin mikrofilamentit ja mikrotubulukset (ks. alla). Niinpä välikokoisten säikeiden päätehtävänä on solujen rakenteiden ja muodon stabilisointi, vakauttaminen. Välikokoisen säikeen yksikköproteiini, monomeeri on sauvamainen. Kaksi monomeeria kietoutuu toistensa ympäri dimeeriksi. Kaksi tällaista kietoutuu toistensa ympäri tetrameeriksi ja nämä yksiköt asettuvat pitkittäissuuntaan säikeeksi. Kahdeksan tällaista säiettä asettuu vierekkäin ja punoutuu köydeksi (1 keskellä, 7 ympärillä). Vaikka monomeeri ja dimeeri ovat polaarisia, tetrameerissä dimeerit asettuvat vastakkaiseen suuntaan, joten tetrameeri ja sitä kautta koko välikokoinen säie ei ole polaarinen (vertaa mikrofilamentti ja mikrotubulus). Pääkudoksilla on kullakin oma välikokoisen säikeen tyyppinsä. Epiteelissä ja epiteeliperäisisssä syövissä (karsinoomat) välikokoisena säikeenä ovat (syto)keratiinit. Mesenkymaalisissa soluissa, kuten fibroblastit ja muut tukikudossolut (samoin näistä lähtevissä syövissä, sarkoomissa) sekä veren soluissa ja myös verisuonten endoteelisoluissa (sic!), säikeenä on vimentiini. Desmiini on lihassolujen molekyyli, gliafilamenttiproteiini (GFAP) astrosyyttien ja neurofilamentit hermosolujen välikokoisia säikeitä. Välikokoisiin säieproteiineihin katsotaan kuuluviksi myös lamiinit (A-C), jotka ovat tuman kuorikkorakenteen säieproteiineja. Välikokoiset säikeet, solu-solu-liitokset ja solu-väliaineliitokset Välikokoiset säikeet kiinnittyvät solu-solu-liitoksista desmosomeihin ja solu-väliaineliitoksista hemidesmosomiin (tyvikalvoon kiinnittyminen). Desmosomit ovat yksittäisiä läiskämäisiä soluliitoksia. Ne tarjoavat erityisen vahvaa mekaanista kestävyyttä. Desmosomeja onkin paljon kudoksissa, joissa tätä tarvitaan, esim. ihon epidermik-sessä. Soluvälitilassa kadheriinien sukuun kuuluvat molekyylit liittyvät toisiinsa. 6
Desmosomit epiteelisolujen välillä Nämä solukalvon läpäisevät desmokolliini ja desmogleiini liittyvät naapurisolun vastaaviin molekyyleihin kalsium ionin välityksellä. Desmosomin rakenteeseen kuuluu solukalvon sytoplasman puolella näkyvä paksunnos, liitoslevy/plakki (attachment plaque) koostuu sille tyypillisistä proteiineista, jotka liittävät kadheriinit välikokoisiin säikeisiin, epiteeleissä sytokeratiini-säikeisiin. Hemidesmosomi liittää epiteelisolu tyvikalvoon Hemidesmosomien rakenne ja koostumus plakki levy tyvikalvo hemidesmosomi tyyppi VII kollageeni ankkurisäikeet liittävät tyvikalvon alla olevaan sidekudokseen keratiinisäikeet (tonofilamentit) keratiinisäikeet solun sisäinen kiinnittymisplakki keratiinisäikeet (tonofilamentit) tyvikalvo BP-antigeeni 2 (180 kd) = tyyppi XVII kollageeni vierekkäisten solujen solukalvo desmokolliini ja desmogleiini BP-antigeeni 1 (230 kd) levy plakki Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 5 p 2006 LWW solukalvo ankkurifilamentit (laminiini-5) Kierszenbaum: Histology and Cell Biology. Mosby Solun välikokoiset säikeet kiinnittyvät hemidesmosomin solun puoleiseen levyyn liitosproteiinien avulla. Solukalvon läpäisevät ja solua väliaineeseen kiinnittävät protiinit ovat integriinit ja kollageeni tyyppi XVII. Heti solukalvon alla ovat laminiini 5:n muodostamat hennot ankkuririhmat (filamentit), jotka liittyvät toisella puolella tyvikalvoon. Samaa aluetta kutsutaan tyvikalvon lamina lucidaksi. Tyvikalvoa on liittämässä alla olevaan sidekudoksen fibrilliini- ja kollageeni tyyppi VII -säikeet (ankkurisäikeet, fibrils). Mikrotubulukset Mikrotubulukset rakentuvat tubuliiniproteiineista (alfa-ja beetta-monomeerit). Nämä muodostavat dimeerejä, jotka polymerisoituvat muodostamaan mikrotubuluksia. Kasvun lähtökohdaksi mikrotubulukset tarvitsevat gamma-tubuliinirenkaan, joita esiintyy sentrosomeissa runsaasti. Niinpä mikrotubulukset, joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta, kasvavat sentrosomista poispäin. Mikrotubulusten kasvu on dynaamisesti epästabiilia. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kasvaminen hidastuu, niin purkautuminen alkaa. Mikrotubulukset voivat liittyä toisiinsa, välikokoisiin säikeisiin, mikrofilamentteihin ja soluorganelleihin liitosproteiinien välityksellä. Mikrotubulusten toimintoja: Mikrotubulukset organisoivat soluorganellit oikeaan järjestykseen. Tämä näkyy erityisen selvästi polarisoiduissa 7
soluissa, jossa solun toiminnalla on tietty suunta (esim. suolen epiteelisolu tai hermosolu). Sentriolia ja sen ympärillä olevaa aluetta kutsutaan sentrosomiksi tai MTOC-nimellä. Tältä sytoplasman alueelta kasvaa mikrotubuluksia joka suuntaan. Kasvun lähtökohtina ovat alueella sijaitsevat gamma-tubuliini renkaat. Mikrotubulusten kasvu ja MTOC Kun mirotubulus MTOC γ-tubuliinirengas Tuma kasvaessaan osuu organellin kalvossa sopivaan (reseptori)kohtaan se kiinnittyy siihen, saa hupun/lakin ja stabiloituu (ei enää purkaudu). Jos tubulus ei osu sopivaan kohtaan sen kasvu hidastuu ja tubulus alkaa purkautua ja purkautuu loppuun asti (vrt. oppikirjan viite kameleontin ohilaukaukseen). Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 5 p 2006 LWW Mikrotubulukset muodostavat mitoosisukkulan solun jakautumisessa. (ks. tuma-luento) Värekarvojen (cilia) ja siimojen (flagella) tukirangan muodostavat geometrisen tarkasti järjestäytyneet mikrotubulukset. (ks. tark. Epiteelit) Solun sisäinen kalvorakkuloiden kuljetus tapahtuu mikrotubuluksia pitkin. Tässä liitos/moottoriproteiininä ovat kinesiini ja dyneiini (muistisääntö eräältä opiskelijalta: k=kauas; d=down town). Solukalvon tukiranka (kuorikko) Kalvotukiranka nisäkkään punasolulla adduktiini aktiini spektriinidimeeri proteiini 4.1 aktiini ankyriini proteiini 3 liitoskompleksi proteiini 4.1 glykoforiini Alberts et al.: Molecular Biology of The Cell Garland Science Solukalvoa tukee sisäpuolella kalvon oma tukirankaverkosto. Se on kuvattu ensimmäiseksi ja parhaiten punasoluissa, mutta näyttää esiintyvän kaikissa soluissa. Punasoluissa verkostoa on muodostamassa spektriinit. Ne kiinnittyvät solukalvon integraalisiin ja periferisiin proteiineihin ja toisaalta solukalvon alaiseen aktiini verkostoon lukuisten liitosproteiinien kautta. Spektriiniä vastaavana molekyylinä lihassoluissa on dystrofiini. Muistakin soluista on löydetty vastaavat molekyylit. Solunsisäisen kuljetuksen mekanismeja Solunsisäisistä kuljetuksesta paljon tutkittu malliesimerkki on hermosolujen aksonin sisällä tapahtuva solurakenteiden kuljetus. Aksonissa nk. nopea aksonikuljetus perustuu mikrotubuluksiin ja niihin liittyviin moottoriproteiineihen (kinesiini ja dyneiini). Samanlainen mekanismi toimii kalvoliiken-teessä myös hermosolun soluruumiissa (sooma, perikaryon) ja laajemmin kaikissa muissakin soluissa. 8
-Mikrotubuluksia pitkin tapahtuvaa rautatie kuljetusta täydentää mikrofilament-teja pitkin tapahtuva siirtoja liittymäkuljetus, missä moottoriproteiinina on myosiini. Kuva esittää mikrotubulusten organisoitumista fibroblastissa ja hermosolussa. Mikrotubulusten alku (-pää) on sentrosomin alueella ja kasvavat päät (+päät) solun periferiassa. Aktiinisäikeet ovat vuorovaikutuksessa mikrotubulusten kanssa. "Moottoreina" mikrotubuluksilla toimivat kinesiini, dyneiini. Myosiini-1 on aktiinisäikeiden "moottori". Solujen liikkuminen soluviljelyolosuhteissa Solujen liikkumisen tutkiminen kudoksissa on äärimmäisen hankalaa. Sen sijaan soluviljelyolosuhteissa elävien solujen tarkkailu käy päinsä kätevästi. Liikkumisen mekanismeista saatu tieto onkin peräisin viljelmistä. Kuva Alberts: Molecular biology of the Cell Vaikka solu näyttäisi jököttävän liikkumatta paikallaan viljelmässä, sen reunat kuitenkin tunnustelevat jatkuvasti välitöntä ympäristöään työntämällä pieniä piikkimäisiä ulokkeita (filopodia) ja vetämällä niitä takaisin. Jos solu saa yllykkeen liikkumiseen (kemotaktinen aine tms.) se työntää rintaman pikku-ulokkeita liikesuuntaan ja niiden perässä leviää osa solulimasta ohueksi levyjalaksi, = lamellipodium. Liiketapahtumissa toimivat aktiini-mikrofilamentit. Filamentit polymerisoituvat filopodioissa työntäen solukalvoa piikiksi polymerisaation suuntaan. Levyjalan puolella liike perustuu aktiiniverkos-ton kasvamiseen. Levyjalka ja verkosto seuraa filopodioiden perässä. Samalla kun filamentit ja verkosto kasvavat etenemissuuntaan ne purkautuvat miinuspäästä; G-aktiinia kierrätetään (= tredmilling). Solun yksi reuna siis etenee ensin ulokkeina, sitten levynä. Ei solu tällä vielä kykene liikkumaan - se tarvitsee otteen alustasta (muuten se on like a penguin's butt on slick ice ). 9
Solu tarttuu filopodioiden kohdalla alustaansa (kudoksessa soluväliaineeseen) tarttumispisteillä (focal adhesion). Niissä solukalvon integriinit tunnistavat spesifiset soluväliainerakenteet ja kiinnittyvät niihin. Sytoplasman puolelta näihin integriineihin kiinnittyy mikro- filamenttiverkosto, joka jatkuu nk. stressisäikeinä muualle solu-ruumiiseen. Nämä säikeet käyttävät myosiinia mootorinaan ja pystyvät vetämään soluruumista etenevän levyjalan perässä. Kun solu etenee ja muodostaa uusia rakenteita etenemissunnassa, samanaikaisesti solun peräpäässä vanhat kiinnittymispisteet irtautuvat ja soluruumista vedetään etenemissuuntaan. Monesti kiinnittymiskohta on niin vahvasti kiinni soluväliaineessa, että solukalvon ympäröimä pala solua kuroutuu irti ja jää jälkeen. Eteneminen perustuu siis pääosin mikrofilamenttien toimintaan. Etenemistapahtuma myös elimistössä in vivo on todennäköisesti hyvin samankaltainen. haava 10