Solun tukiranka SOLUT LIIKKUVAT JA MUUTTAVAT MUOTOAAN MA 2013 BLL/anatomia Kuva: Ismo Virtanen Banaanikärpäsen varhaiskehitys light-sheet microscopy Tomer et al. (2012) Nature Methods Nopeutettu ~1000x 1
Implantaatio ja gastrulaatio Larsen: Human Embryology Churchill Livingstone Solujen liikkuminen yleinen ilmiö on alkio- ja sikiökehityksen aikana Solujen liikkumisesta: Useat eri solut pystyvät liikkumaan Uusiutuvassa epiteelissä vanhat solut liikkuvat pois alta Kudosvaurion paranemisessa uutta solukkoa vaeltaa paikalle Solut saavat liikkua vain omassa kudoslokerossaan. Syöpäsolu on pahanlaatuinen, koska se poistuu reviiriltään ja tunkeutuu muihin kudoksiin Osan soluista täytyy liikkua toimiakseen. Esim. Neutrofiilin siirtyminen kudokseen: 2
Solun osien liikkeitä: Värekarvojen liike (esim. hengitystiet) Supistumisliike (aktiini-myosiini) Solu-ulokkeiden kasvattaminen Kalvo-organellien liikkeet sytoplasmassa Solun tukiranka: aktiini- eli mikrofilamentit välikokoiset säikeet koostumus vaihtelee eri pääkudoksissa mikrotubulukset solun kalvotukiranka 3
Solun tukirangan tehtävät Solun muodon ja pinnan erilaistuneiden rakenteiden ylläpito Solun ja sen osien liikkuminen ja solunsisäiset kuljetustapahtumat Solujen kiinnittyminen toisiinsa ja ympäristöönsä Tukirangan luokittelu koon mukaan aktiinifilamentti mikrotubulus välikokoinen säie 4
Epiteelisolun aktiinifilamentit sijaitsevat erityisesti solukalvon alla ja mikrovilluksissa mikrovillus Pääteverkko (terminal web) vyöliitos desmosomi hemidesmosomi tyvikalvo Alberts et al.: Molecular Biology of The Cell Garland Science Aktiini stressisäikeitä viljellyissä soluissa CCCCCCC Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 2010 LWW Fluoresoivat värit: phallodin (F-aktiini), MitoTracker Red (mitokondriot) ja DAPI (DNA) 5
Aktiinifilamentin synty ja rakenne K +, Mg 2+ ATP Polymerisoituminen Aktiinimolekyylit asettuvat peräkkäin (ja rinnakkain) muodostaen kaksoiskierteisen aktiinifilamentin Aktiinifilamentit voivat muodostaa kimppuja ja verkostoja Aktiiniin sitoutuvat proteiinit (ABP) määräävät kulloinkin muodostuvan suprarakenteen aktiinifilamentti aktiinifilamentti Monomeriset G-aktiinimolekyylit faskiini sitojana (crosslinker) filamiini sitojana 6
Aktiinin polymerisaatio ja aktiinia-sitovat proteiinit aktiinifilamenttien syklissä verkoston muodostaminen kimppuuntuminen kalvoon kiinnittyminen moottoriproteiinit gelsoliini nukleaatio katkaisu ja päättäminen profiliini kofiliini tymosiini b4 polymerisaation aloitus tymosiini b4 Lihaksen aktiinisäikeeseen liittyvät myös tropomyosiini- ja troponiini-molekyylit aktiinifilamentti troponiinikompleksi tropomyosiini myosiinifilamentti Sarkomeerissa myosiini II muodostaa paksut säikeet sauva pää myosiinimolekyyli 7
Luurankolihassolun aktiini- ja myosiini (tyyppi II) -filamentit A-juova M-juova myosiini aktiini Aktiini muodostaa supistuvia elementtejä myös muissa soluissa kuin lihassoluissa JAKAUTUVA SOLU supistuva rengas EPITEELISOLU kiinnittymisvyö Näissäkin moottoriproteiinina on myosiini II VILJELTY FIBROBLASTI stressisäie 8
Solu liikkuu viljelmässä työntämällä litteää reunaa eteenpäin CCCCCCC Kuvat otettu 15 sekunnin välein pyyhkäisy-em Solun tukirankasäikeet liikkuvassa solussa Alberts et al. Molecular Biology of the Cell. 2008, Garland Aktiinifilamenttiverkko kasvaa ulokkeen etureunassa ja purkautuu samanaikaisesti jäljempänä Huppuproteiini (capping) Etureunan nettokasvua Kofiliini ATP-aktiini monomeeri jälkipuolen purkautumista ARP-kompleksi rakentaa haaroja Alberts et al. Molecular Biology of The Cell Garland Science 9
Filopodiat ja lamellipodiat Minna Takkunen: Epithelial-mesenchymal transition in oral squamous carcinoma cells. Väitöskirja 2010 Movement of MDBK cells in culture http://www.youtube.com/watch?v=2r7lyiuul-e 10
Solun liikkuminen aktiinikuori lamellipodium viljelyalusta 1. Levyjalka työntyy eteenpäin aktiinikuori venyttyy aktiinin polymerisaatio työntää levyjalkaa 2. Tarttuminen alustaan ja peräpään supistuminen myosiini II supistuminen aktiinimonomeerien liike 3. Koko solu siirtyy eteenpäin Tarttumispisteet (focal adhesion) Alberts et al. Molecular Biology of The Cell Garland Science Tarttumispisteet (focal adhesions) Solujen tarttuessa väliaineen proteiineihin (mm. fibronektiini) solukalvon integriinit aktivoituvat ja siirtyvät kynsimäisiin rakenteisiin (=focal adhesion) Samalla myös aktiinitukiranka organisoituu yhdensuuntaisiksi kimpuiksi (=stressisäikeet) Linkkiproteineja mm. vinkuliini, -aktiniini, taliini 11
Tarttumispisteet (focal adhesion) Aktiinifilamenttikimput (stressisäikeet) päättyvät tarttumispisteen vinkuliiniin viljellyssä solussa Aktiini Vinkuliini Aktiinisäikeiden verkostoa solun levyjalassa Xu et al. Nature Methods 2012 12
Tarttumispisteen molekyylejä Aktiinifilamentit kiinnittyvät solukalvon integriineihin linkkiproteiinien välityksellä Solun tukiranka osallistuu liitoksiin Aktiinisäikeet: Tiivis liitos (z. occludens, tight j.) Vyöliitos (adherens j.) kadheriini Välikokoiset säikeet: Desmosomi kadheriini Hemidesmosomi kiinnitys tyvikalvoon integriini 13
Tiiviin liitoksen rakenne Tiivisliitos on löyhästi kiinni aktiinitukirangassa vastakkaiset solukalvot JAM occludin soluvälitila tiivisliitosproteiinien nauhoja ZO1 claudin solu 1 solu 2 Vyöliitoksen rakenne kadheriini vierekkäisten solujen kalvot Mikrovillus Tiivis liitos Vyöliitos Aukkoliitos Desmosomi Hemidesmosomi Tyvikalvo vinkuliini kateniini -aktiniini Aktiinifilamentti Ross et Pawlina Histology. A Text and Atlas. 2006 LWW 14
Välikokoiset säikeet eri kudoksissa Mesenkymaaliset solut vimentiini Epiteelisolut sytokeratiinit Lihassolut desmiini Astrosyytit GFAP Hermosolut mm. neurofilamentit Tuma - lamiinit Välikokoisen säikeen rakentuminen 1. Monomeerit 2. Kietoutunut dimeeri 4. Peräkkäiset tetrameerit 3. Vastakkaissuuntaiset tetrameerit Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas 5. Kahdeksan protofilamentin levy kiertyy köydeksi 15
Välikokoisia säikeitä hermostossa hermosolu (neurofilamentti) gliasolu (GFAP) Alberts et al. Molecular Biology of The Cell Garland Science keratiinifilamentit desmosomi Desmosomit ja hemidesmosomit suolen epiteelisolussa tyvikalvo hemidesmosomi 16
Desmosomin rakenne vierekkäisten solujen solukalvot välikokoiset säikeet kiinnittymislevy kadherinit (desmokolliini ja desmogleiini) Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. LWW Tyvikalvon (basal lamina) rakenne Integriini Laminiini molekyyli Basal lamina Sitojaproteini (nidogen) proteoglykaani (esim. perlecan) Laminiini polymeeri Kollageeni IV verkko Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. LWW 17
Hemidesmosomin rakenne ja koostumus keratiinisäikeet (tonofilamentit) keratiinisäikeet (tonofilamentit) levy plakki solukalvo ankkurifilamentit (laminiini-5) plakki levy tyvikalvo hemidesmosomi tyyppi XVII kollageeni Bullous pephigoid antigeeni 1 Hemidesmosomi on ankkuroiva liitos Välikokoiset säikeet Ankkurifilamentit (integriini-laminiini5) Ankkurisäikeet (kollageeni VII) Tarttumispiste on löyhempi liitos Lamina basalis Lamina reticularis Levyproteinit Tyvikalvo Retikuliinisäikeet (kollageeni III) Fibrilliini mikrorihma Elastinen säie Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. 18
Mikrotubulukset sentrioli Kasvavat sentriolista ulospäin tumasukkula värekarvojen ydin solunsisäisen liikenteen pääradat (dyneiini ja kinesiini) tumasukkula kromosomit aksoni Mikrotubulusten rakenne Solunsisäisiä (~25 nm paksuja) dynaamisia putkirakenteita Koostuvat peräkkäin asettuneista - ja tubuliini dimerestä Renkaassa on 13 tubuliinimolekyyliä 19
Mikrotubuluksen kasvu - ja -tubuliinit muodostavat dimeerin, johon GTP sitoutuu GTP-tubulin sitoutuu putkeen +päähän -> kasvaa hitaasti) -pää ei purkaudu kasvun aikana koska siellä on huppuproteiineja Jos putki ei stabiloidu/huppu irtoaa, putki purkautuu nopeasti -päästä Kolkisiini (vinkristiini) estää Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas Sentriolit Ross et Pawlina: Histology. A Text and Atlas. LWW 20
MTOC = mikrotubulusten kasvukeskus eli sentrosomi mikrotubulus Kasvava (+) pää -tubuliinirengas tuma Mikrotubulukset soluissa interfaasisolu jakautuva solu sukkulan napa sentrosomi värekarvallinen solu hermosolu sentrosomi tyvikappale Alberts et al. Molecular Biology of The Cell Garland Science 21
Kartagenerin oireyhtymä (=primary ciliary dyskinesia+situs inversus) Normaali Dyneini-varret puuttuvat Värekarvat liikkumattomia -> toistuvat hengitystieinfektiot, siittiöiden huono liikkuvuus, ym. sisäelinten peilikuvasijainti MAP proteiinit stabiloivat mikrotubuluksia ja säätelevät niiden välistä etäisyyttä MAP2 tau normaali solu tau-yliekspressio Alberts et al. Molecular Biology of The Cell 22
Solunsisäinen kuljetus - moottoriproteiinit ja solun tukiranka Mikrotubuluksia pitkin dyneiini ja kinesiini moottoriproteiinien avulla Aktiinisäikeitä pitkin myosiini-i avulla (esim. solurakkuloiden kuljetus) Solunsisäinen kuljetus mikrotubuluksia pitkin värekarvassa ja aksonissa Kinesiini + (anterograde) ulospäin Dyneiini (retrograde) takaisinpäin 23
Solukalvon tukiranka ( kalvokuorikko ) = solukalvon sisäpinnalla oleva spektriini-ketjun, kalvoproteiinin ja linkkeri-proteiinien muodostama verkosto tärkeä esim. punasolun muodolle ( 1-spektriini mutaatio -> spherosytoosi) Alberts et al. Molecular Biology of The Cell Aktiinin ja spektriinin säännöllinen järjestyminen hermosäikeessä Toiminnallinen merkitys? Xu et al. (2013) Science 24
cytoskeleton Key points actin-filaments and microtubules dynamic, polar regulated by variety of accessory proteins intermediate filaments (IFs) more stable cell-type specific links to anchoring junctions: actin -> (focal/fascia) adhesion IFs -> (hemi)desmosome cell-cell: cadherins cell-matrix: integrins Koleske, Nature Rev Neurosci 2013 25