Kuolema ja kuolinsyytutkimus Onko kuolema biologisesti väistämätön? Eero Saksela Elämän kaikissa muodoissaan voi sanoa olevan geneettisen ohjelman toteuttamaa antientropiaa. Vuosimiljoonien aikana seuloutuneet geneettiset ohjelmat kykenevät muuttamaan ainehiukkaset ja molekyylit järjestyneeksi kokonaisuudeksi, joka kykenee toteuttamaan erehtymättä vaikeat säätelykuvionsa ja tuottamaan itseään replikoivan elävän organismin. Evoluution kannalta on ollut ensiarvoista, että äärettömän monimutkainen geneettinen orkesteri toimii harmonisesti tähän saakka. Mekanismit, jotka ovat tehtävään valikoituneet, ovat tuhlaavaisia eivätkä välitä siitä, kuinka paljon soluja kuolee matkan varrella. Sukukypsän iän jälkeen samat mekanismit johtavat vaurioidensa vuoksi jakautumattomien tai apoptoottisesti eliminoituneiden solujen osuuden lisääntymiseen ja kudosten vanhenemiseen ilman, että evoluution valintapaineita olisi olemassa tämän estämiseen. Viimeinen raja ovat jonkin tai joidenkin kriittisten korvaavien solupopulaatioiden loppuun kuluneet telomeerit, jotka panevat pisteen toiveille ikuisesta elämästä. Kliininen kuolema on virstanpylväs tässä prosessissa, eikä se ole väistettävissä. Ituradan sukusolujen kautta olemme osa katkeamatonta solunjakautumisten ketjua, joka ulottuu kauas menneisyyteen ensimmäisiin yksisoluisiin organismeihin saakka ja jälkeläisten välityksellä tuleviin sukupolviin. Avaimet ikuiseen elämään näyttävät katoavan aina sukusolujen yhtyessä, ja syntyvä uusi yksilö on poikkeuksetta kuolevainen. Onko tuo vääjäämättömältä näyttävä kohtalomme biologisesti väistämätön? Ihmisen odotettavissa oleva elinikä on pidentynyt jatkuvasti. Metsästäjä-keräilijäihmisen elinkaari muistutti vapaana luonnossa elävien nisäkkäiden elinajan kuvaajaa, jota luonnehtivat jo varhain alkava yksilöiden lukumäärän nopea väheneminen, matala keski-ikä ja vanhojen yksilöiden hyvin pieni osuus. Suojatuissa eläintarhan olosuhteissa kuolleisuuskäyrän muoto muuttuu radikaalisti ja suurin osa yksilöistä elää täysimittaisen elämän (kuva 1). Samoin on vaikuttanut ihmiskunnan elinkaaren kuvaajiin sosiaalisten suojaverkkojen kehittyminen, yleisen hyvinvoinnin ja hygienian edistyminen sekä tautien ehkäisy ja hoito. Länsimaissa Elossa (%) 100 80 60 40 20 Syntymä Villieläin Tarhaeläin Ikä Maksimaalinen elinaika Kuva 1. Kun luonnonvarainen eläin siirretään suojattuihin tarhaolosuhteisiin, kannan elinkaaren kuvaaja muuttuu heti osoittaen maksimaalisen elinajan olleen»normi», vaikka vain ani harva yksilö saavutti sen luonnonolosuhteissa. Duodecim 2003;119:1245 53 1245
odotettavissa oleva keskimääräinen elinikä on jo yli 80 vuotta. Jos vielä jäljellä olevien suurten kuolinsyiden syövän, sydän- ja verisuonitautien sekä aivohalvauksen osuus saataisiin poistettua, keskimääräinen elinikä pitenisi enää noin 15 vuotta (kuva 2). Eliniän kuvaaja alkaa länsimaissa siten lähestyä perimmäisiä kysymyksiä siitä, miksi kuolema näyttää väistämättömältä, vaikka tappavat taudit voitaisiin suureksi osaksi eliminoida. Kaikkina aikoina vanhimpien tunnettujen poikkeusyksilöiden ikä on ollut 110 120 vuotta, eikä tämä yläraja ole historian aikana noussut. Keskimääräisen odotettavissa olevan eliniän käyrä näyttää siis muodostuvan tilanteesta, jossa yhä suurempi osa ihmisistä saavuttaa oman raja-arvonsa aikakellossa, jonka mittayksikön selvittämisessä arvoituksen ratkaisu ehkä piilee. On tärkeää todeta, että vanheneminen sinänsä ei ole sairaus. Kun etsimme mahdollista selitystä kaikkien lajien rajalliselle elinajalle, emme etsi kaikille yhteistä tautia vaan biologista selitystä sille, miksi elämä päättyy, vaikka sairaudet eliminoitaisiin. Pyrkimystä vanhenemisen ja kuoleman medikalisoimiseen kuvaa hyvin nykyinen kuolinsyynimistö, josta on poistettu vanhuuden kuihtumista kuvaava diagnoosi marasmus senilis. Jokaiselle kuolemalle on löydettävä tautimekanismi, vaikka on selvästi tapauksia, joissa ei löydy mitään yksittäistä elinkohtaista sairautta vaan pelkästään koko organismin pitkälle edenneitä vanhenemismuutoksia. Kuoleman pelko ja ikuisen elämän odotukset ovat ylläpitäneet suuria uskontoja ja kietoutuneet erottamattomaksi osaksi filosofista ja taiteellista kulttuuriperintöämme. Biolääketieteellisenä kysymyksenä asiaa on kautta aikojen pohdittu monelta kannalta perusteellisesti, ja ikääntymisen teorioita on leegio. Tämän katsauksen tarkoituksena on arvioida tilannetta modernin solu- ja molekyyligeneettisen tutkimuksen lähtökohdista ja lähestyä kuolevaisuuden ongelmaa yksittäisten somaattisten solujen kannalta. Normaalisolut vanhenevat Tutkimuslinjan avaus oli kuusikymmentäluvun alussa Philadelphian yliopiston Wistar-instituu- tin tutkijoiden Hayflickin ja Moorheadin (1961) havainnoissa, jotka koskivat ihmisen sikiön keuhkoista viljeltyjen fibroblastisolujen selviytymistä in vitro. Huolellisesti suunnitelluilla kokeilla he osoittivat, että näillä normaalin diploidisen kromosomistonsa säilyttävillä soluilla oli rajallinen elinaika, joka päättyi noin 50 jakautumiskerran jälkeen, tehtiinpä mitä tahansa (kuva 3). Jos solut otettiin viljelyyn vanhoilta henkilöiltä tai harvinaista ennenaikaisen vanhenemisen oireyhtymää, ns. Wernerin syndroomaa sairastavilta potilailta, jakautumiskertoja oli vähemmän ja solut kuolivat aikaisemmin. Havainnot on vuosien kuluessa toistettu yhä uudelleen ja ne on vahvistettu lukuisilla eri lajeilla. Tämä ns.»hayflickin raja» on ollut pakko hyväksyä malliksi solutasolla määräytyvästa rajallisesta elinajasta, joka saattaa sisältää ainakin osaselityksen organismien kuolevaisuudelle. Ainoa tapa, jolla ihmisen diploidiset normaalisolukannat on saatu irtautumaan kasvurajoituksestaan, on niiden keinotekoinen muuntaminen syöpäsoluiksi onkogeenisten virusten, karsinogeenien tai sädetyksen avulla (kuva 3). Tällöin ne käyvät lävitse kromosomistonsa uudelleenjärjestelyjä, joita esiintyy tyypillisesti myös pahanlaatuisissa kasvaimissa, ja saavat vastalahjaksi loputtoman elämän (Moorhead ja Saksela 1963). Syöpäsolu on siten tavalla tai toisella onnistunut murtamaan ituradan kantasolujen lailla ikuisen elämän salaisuuden. Esimerkiksi tunnettu kohdunkaulasyövän biopsiapalasta vuonna 1951 viljelty HeLa-solukanta on tuottanut karkeiden laskelmien mukaan useita kymmeniä tonneja jälkeläisiä ja jakautuu edelleen vähentymättömällä vauhdilla maailman eri laboratorioissa. Solunjakautumisia mittaava telomeerikello Syövän molekyyligeneettisessä tutkimuksessa on luonnollisesti kiinnitetty huomiota tähän perusluonteiseen kysymykseen. Hiivantutkijat olivat pohtineet tekniseltä tuntuvaa ongelmaa näiden jatkuvasti jakautuvien yksisoluisten eliöiden DNA:n kahdentumisessa. Joka kerran, kun DNA-rihman synteesin suorittava polymeraasientsyymi aloittaa työnsä kromosomin kärjestä 1246 E. Saksela
Elossa (%) 100 80 60 40 20 1900 1990 Trauma Ideaali 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ikä (v) Kuva 2. Suomalaisen väestön elossaololukuja kuvaavat käyrät ovat muuttuneet vuosisadan aikana yleisen hygienian, sosiaalisten turvaverkkojen ja lääketieteen edistymisen myötä analogisesti kuvan 1 ilmaisemalla tavalla. Jos vielä jäljellä olevat»suuret» kuolleisuutta aiheuttavat tautiryhmät, kuten syöpä, sydän- ja verisuonitaudit ja aivohalvaus, voitaisiin eliminoida, keskimääräinen elinikä lisääntyisi 10 15 vuotta ja luultavasti alkaisi olla lähellä maksimaalista mahdollista kuvaajaa (Ideaali). Vanhimpien luotettavasti dokumentoitujen poikkeusyksilöiden (vanhin 122 v) ikä ei ole historian aikana muuttunut. Solujen lukumäärä Karsinogeenit, onkogeeniset virukset jne. Transformoidut solut Kuva 3. Ihmisen sikiön fibroblastien kasvua in vitro kuvaava käyrä. Soluviljelmät kaksinkertaistuvat noin 50 60 kertaa, minkä jälkeen kasvupotentiaali on kulunut loppuun. Tämä ns. Hayflickin raja on edelleen keskeisin malli solutason vanhenemiselle. Pahanlaatuinen transfromaatio voi muuttaa kasvun loputtomaksi. Lähtöviljelmä Vanheneminen 10 20 30 40 50 60 Viljelmän kahdentuminen (lukumäärä) eli telomeerista, se tarvitsee usean DNA-emäksen pituisen kiinnittymiskohdan. Tämä ankkuripaikka jää piiloon ja kopioimatta, jolloin kromosomin pitäisi lyhentyä jokaisessa jakautumissyklissä vastaavan DNA-pätkän verran (kuva 4). Näin ei kuitenkaan hiivasoluissa tapahtunut. Pian näistä soluista löytyikin erityinen entsyymi, telomeraasi, joka kykeni korjaamaan puutoksen telomeerissa jokaisen DNA-kahdentumisen jälkeen käyttäen entsyymikompleksiin kuuluvaa vastaavaa RNA-sekvenssiä templaattina käänteisen transkriptaasin tapaan (Greider ja Blackburn 1985). Näin kromosomin DNA-ketjun pituus säilyy vakiona. Syöväntutkijat huomasivat tämän merkityksen heti, eikä kestänyt kauan, kun todettiin, että jatkuvaan kasvuun kykenevillä syöpäsoluilla on sama ominaisuus. Ne kykenevät telomeraasientsyymin avulla ylläpitämään kromosomiensa vakiopituuden. Sama koskee sukusoluja ja erilaistumattomia kantasoluja. Sen sijaan normaaleilta soluilta tämä kyky puuttuu. Kudosten erilaistumiseen näyttäisi siis liittyvän telomeraasientsyymin geeniluennan lakkaaminen, jolloin jokainen solusykli lyhentää kromosomien telomeerikärkiä toimien samalla solunjakautumisten määrää mittaavana biologisena kellona. Kysymys tietenkin kuuluu, liittyykö tämä samalla rajallisen elinajan määräytymiseen solutasolla. Telomeerit rakentuvat erikoisella tavalla usean tuhannen emäksen pituisista toistojaksoista (Zakian 1995). Näitä on somaattisilla soluilla eväinään rajallinen määrä, ja kun läpikäydyt solusyklit ovat syöneet ne kriittisen lyhyiksi, alkavat seuraavat syklit uhata jo toiminnallisesti välttämättömiä koodaavia geenialueita kromosomien päissä. Telomeerien toistojaksoihin sitoutuu myös eräitä muita säätelyproteiinikomplekseja, joiden tehtävänä on pitää kromosomien kärjet erillään toisistaan (de Lange 2001). Niidenkin toiminta häiriintyy, ja seurauksena ovat huonoista telomeereista johtuvat liimautumiset eri kromosomien päiden kesken. Nämä puolestaan repeilevät väkivaltaisesti seuraavissa solunjakautumisissa jolloin DNA-vaurioita tunnistavat hälytysmekanismit laukeavat (Karlseder ym. 1999). Yhteisenä seurauksena on ensin solunjakautumisen pysähtyminen ja lopulta ohjel- Onko kuolema biologisesti väistämätön? 1247
1. Sitoutuu telomeeriin dntp G G G T T G OH A A C C C C A A C 3 2. Polymerisoi puuttuvan osan G G G T T G G G G T T GOH A A C C C C A A C dntp 3. Translokaatio 3 G G G T T G G G G T T G OH dntp A A C C C C A A C 3 4. Vastakkaisen säikeen synteesi G G G T T G G G G T T G dntp OH C C C A A C C C C A A C C C C A A C 5. jne. 3 Kuva 4. Kromosomien erilaistuneiden kärkien eli telomeerien pituus mittaa somaattisten solujen jakautumiskertojen määrää. Jokainen solusykli lyhentää telomeereja muutaman sadantuhannen emäsparin verran paitsi loputtoman kasvupotentiaalin omaavissa ituradan soluissa ja useimmissa syöpäsoluissa, jotka kykenevät korjaamaan puutteen telomeraasientsyymin avulla. moituneen solukuoleman eli apoptoosin käynnistyminen. Nämä perushavainnot ovat johtaneet telomeerien toiminnan hyvin intensiiviseen tutkimukseen, ja kuva on osoittautunut jonkin verran monimutkaisemmaksi (Weinberg 1998). Vain noin 80 % tutkituista ihmisen syöpäkasvaimista on telomeraasipositiivisia, ja toisaalta on löytynyt somaattisia normaalisolutyyppejä, joilla on osoitettavissa olevaa telomeraasiaktiivisuutta. Kuitenkin pääosa havainnoista tukee käsitystä telomeerien kriittisestä osuudesta solujen ikää mittaavana biologisena mekanismina. Muun muassa edellä mainittujen Wernerin syndroomaa sairastavien potilaiden ihofibroblastien ennenaikainen vanheneminen in vitro saatiin korjattua, kun niihin siirrettiin toimiva telomeraasientsyymiä koodaava geeni (Wyllie ym. 2000). Myös normaalien solujen elinkaarta saa- 1248 E. Saksela
tiin pidennettyä viljelyolosuhteissa samalla keinolla (Bodnar ym. 1998). Naudan vanhenneiden ihofibroblastien tuman siirto munasolun sytoplasmaan kykeni»nuorentamaan» tumat niin, että tuotettujen kloonivasikoiden telomeeripituudet ja niistä viljeltyjen solujen elinaika oli palautunut normaaliksi (Lanza ym. 2000). Tuloksella tulee olemaan hyvin suuri merkitys kantasolujen tuman siirtojen terapeuttisen käytön kannalta, jos tulos osoittautuu yleispäteväksi. Solujen itsemurha Edellä mainittu solujen vanhenemiseen ja rajalliseen elinaikaan liittyvä geneettisesti ohjelmoitunut solukuolema, on monesta syystä ollut hyvin intensiivisen tutkimuksen kohteena viime vuosien aikana. On käynyt ilmi, että solujen kuolema on yhtä tarkan säätelyn alainen tapahtuma kuin kasvu ja erilaistuminen (esim. Reed 2000). Itse asiassa solulla on joka hetki edessään vain kolme valintaa: jakautua, erilaistua omaan spesifiseen toimintaansa tai kuolla. Siksi ei ole yllättävää, että nämä solun olemassolon peruskysymykset ovat monimutkaisessa vuorovaikutuksessa keskenään ja ratkaisuja säätelevät viestintäteiden molekyylit ovat pitkälti samoja tai samojen molekulaaristen suurperheiden jäseniä. Apoptoosi on kahdella tavalla tiukan geneettisen säätelyn ohjaamaa. Ensinnäkin se on sikiönkehityksessä ohjelmoitunut tarkkaan ajallisesti ja paikallisesti. Kudosten muotoutumiseen oleellisena osana kuuluvan solukuoleman täytyy tapahtua juuri oikeassa paikassa ja oikeaan aikaan. Esimerkiksi käden morfogeneesi tapahtuu apoptoosin ja soluproliferaation avulla siten, että raajasilmun kärjessä, tulevien sormenpäiden kohdalla, solut saavat käskyn jakautua, kun taas sormenvälien kohdalla käynnistyy solukuolema, ja näin käsi saa muotonsa. Sama teema toistuu lukemattomina muunnelmina sikiökehityksen aikaisessa morfogeneesissä, ja vielä aikuisiässä elinten koko ja muoto, ihon ja suolen epiteelien paksuus, veren eri solujen lukumäärät jne. ovat riippuvaisia tarkan säätelyn alaisesta tasapainosta solujen tuoton ja kuoleman välillä. Yksi mekanismi kasvainten syntymisessä onkin paikallinen apoptoosin häiriö. Tyyppiesimerkki on itukeskussoluista lähtöisin oleva B-solulymfooma, jonka patogeneesi perustuu apoptoosia ehkäisevän BCL-2-geenin yliekspressioon. B-solulinjan soluja syntyy entiseen tahtiin mutta säätelyn alaista poistumaa ei tapahdu. Tämä näkyy epänormaalina liikakasvuna ja johtaa lymfoomaan. Toinen apoptoosin säätelyn ulottuvuus on sen tapahtuminen tarkan geneettisen ohjelman mukaisesti (Horwitz 1999). Jokainen solu sisältää ohjelman, jonka käynnistyttyä solu kuolee varsin yksityiskohtaisesti tunnetun, kaskadinomaisen reaktioketjun lopputuloksena. Pyöveleinä ovat kaspaaseiksi nimetyt entsyymit, jotka pilkkovat solun eri komponentit DNA:ta myöten siten, että lopputuloksena on solun ehjän ulkokalvon paketoimia pieniä ns. apoptoottisia kappaleita. Näissä solun genomi on pilkkoutunut tasapitkiksi palasiksi, joiden informaatiosisältö on sotkeutunut kuin silppurin jäljiltä. Tämä vähentää mahdollisuutta, että haitallista informaatiota siirtyisi apoptoottisten kappaleiden välityksellä. Samalla kappaleiden pintaan ekspressoituu rakenteita, jotka saavat ympäröivät solut näkemään ne herkullisina haarukkapaloina, fagosytoimaan ne sisäänsä ja sulattamaan pois. Näin apoptoottisesti kuolevat solut eivät aiheuta tulehdusreaktioita tai muuta häiriötä ympäristössään päinvastoin kuin massivisempi kudosvaurio eli nekroosi. Siinä solut kuolevat ikään kuin murhaajan käden kautta ja hajoavan solun komponentit käynnistävät kudosreaktioita, jotka puolestaan ovat monen tautimekanisimin alkutahteja. Apoptoosi voi käynnistyä joko solun ulkopuolelta tulevien viestien määräämänä tai solun oman päätöksen perusteella (kuva 5) (Reed 2000). Solun ulkopinnan reseptorien välityksellä joko naapurisolut tai elimistössä partioivat tappaja-t-solut ja luonnolliset tappajasolut voivat antaa solulle käskyn poistua apoptoottisen kuoleman kautta. Useimmiten näin tapahtuu, jos soluun on päässyt virus- tai parasiitti-infektio tai sen kasvunsäätely on häiriytynyt siten, että solu saattaa olla vaaraksi ympäristölleen. Toisaalta apoptoosi voi käynnistyä solunsisäisistä syistä, esimerkiksi DNA-vaurioiden ker- Onko kuolema biologisesti väistämätön? 1249
Apoptoositiet Ulkosyntyinen Sisäsyntyinen Tappaja-T-solut NK-solut TNF FAS Valereseptori Mitokondrio Anoreksia ja soluvauriot TNF/Fas-posit. naapurisolut cflip Tappo reseptori FADD Kaspaasi-8 Kaspaasi-3/7 tbid Cytc APAF-1 Kaspaasi-9 (Apoptosomi) IAP SMAC/ Diablo Bcl-2 BH3/Bax Kasvutekijöiden puute Ristiriitaiset signaalit Kohderakenteiden hajoitus Apoptoosi Kuva 5. Solujen geneettisesti ohjelmoitunut itsemurha eli apoptoosi. Karkea yleiskuva ulko- ja sisäsyntyisistä apoptoositeistä. Ulkosyntyisen polun tärkeät välittäjät ovat tuumorinekroositekijää (TNF) ja Fas-ligandia sitovat solupinnan reseptorit, jotka käynnistävät apoptoosin sytoplasmisen osansa DD-rakenteidensa (»death domain») avulla. Sisäsyntyisen tien avainasemassa ovat mitokondriot. Tärkeimpiä käynnistäjiä ovat niistä vapautuvat sytokromi C (Cyc) ja apoptoosia aktivoiva tekijä (APAF-1), jotka yhdessä kaspaasi 9:n kanssa muodostavat apoptosomina tunnetun, tappokaskaadin käynnistävän kompleksin. Kuvaan on merkitty joitakin muitakin aktivoivia säätelytekijöitä värillisillä nuolilla ja estäviä tekijöitä T-poikkiviivalla. tyessä niin vakaviksi, että korjausmekanismit eivät saa niitä hallittua tai jos sen energiatalous jää liian vahvasti alijäämäiseksi. Samoin tilanteissa, joissa solu saa ristiriitaisia signaaleita ympäristöstään etenkin kasvun ja erilaistumisen suhteen, sen ratkaisu on poistua varmuuden vuoksi näyttämöltä apoptoosin kautta. Onko kuolema väistämätön? Edellä hahmotelluista osasista alkaa ehkä olla mahdollista rakentaa vastausta otsikon kysymykseen. Ajatelkaamme sikiön kehitystä ja yksilön kehitystä varhaislapsuudesta sukukypsään ikään. Aikataulu on hämmästyttävän samanlainen yksilöstä toiseen. Sikiöaikana kudosten erilaistuminen tapahtuu lähes päiväntarkan ohjelman mukaisestia, erilaisia neuvolan rekisteröimiä vauvaiän parametreja voidaan seurata viitearvotaulukoiden mukaan, sanojen tapailu alkaa melko samaan aikaan, ja kasvujaksot, menarke, äänenmurros ja vastaavat suuret muutokset tapahtuvat varsin pienin vaihteluvälein koko väestössä. Tämä säännönmukaisuus on suuri vastakohta yksilöiden myöhempien vaiheiden erilaisuudelle. Luonto on selvästi menettänyt kiinnostuksensa keskimääräisen sukukypsän iän jälkeiseen aikaan ihmisten kohtaloissa. Evoluutiogenetiikan kannalta tarkasteltuna tämä on läpikäyvä piirre koko luomakunnassa. Täsmällisen ohjauksen alaisten ja kilpailussa menestyneiden geneettisten ominaisuuksien harmoninen toteutuminen on merkityksellistä ainoastaan sikäli kuin niillä on vaikutusta suvun jatkumisen ja jälkeläisten hengissä pysymisen kannalta. Sen jälkeiset yksilön ominaisuudet ovat sattuman kauppaa, eikä niistä jää merkkejä biologisen evoluution DNA-rekisteriin. Näin ei myöskään geneettinen luonnonvalinta ole voinut vaikuttaa elämänkaaren pituuteen, vaan sen määräytymisen täytyy olla sivutuote yksilön kehityksen aikana tärkeiden geenien toiminnasta. 1250 E. Saksela
Evoluution seuloman yksilönkehityksen geneettisen ohjelman toteutuminen ihmisen 30 000 40 000:n geenin yhteispelinä on käsittämättömän monimutkainen tapahtuma. Läpikäyvä piirre tässä prosessissa on tuhlaavaisuus. Soluja syntyy paljon yli tarpeen. Niiden joukosta eliminoituu ohjelmoituneen solukuoleman kautta suuri osa, kunnes jäljellä on oikea muoto kuin kuvanveistäjän taltan jäljiltä ja lopulta oikein ympäristönsä kanssa vuorovaikutuksessa oleva ja toimivan elimen muodostava erilaistunut solukko. Viime aikoina on opittu mittaamaan DNA-mikrosirutekniikoilla samanaikaisesti tuhansien geenien toiminnan muutoksia. Näissä kokeissa on käynyt ilmeiseksi, että jo hyvin pelkistetyltä ja yksinkertaiselta tuntuva solufysiologian tapahtuma, kuten seerumin lisäämisen aikaansaama kasvustimulaatio suolaliuoksessa nälkiinnytetyissä kudosviljelysoluissa, muuttaa hetkessä lähes tuhannen geenin toimintatasoa (Iyer ym. 1999). On selvää, että yksilönkehityksen äärettömän monimutkaisten biologisten säätelyohjelmien toteutumisen kannalta on evoluutiossa ollut välttämätöntä aikaansaada tarkat laatujärjestelmät, jotka eliminoivat paitsi tarpeettomiksi tulleet myös virheellisesti toimivat soluyhteisön jäsenet. Luonnon tunnuslause on soluyhteisöjen osalta ilmiselvästi»mieluummin kuollut kuin väärässä». Tärkeä varmuusjärjestelmä yksilönkehityksen aikana lienee myös telomeerien rajallinen pituus ja uusiutumattomuus somaattisissa soluissa. Kullakin kantasolun jälkeläisellä on vain rajallinen määrä jakautumismahdollisuuksia, jotta se ei säätelykeinojen pettäessä saisi aikaan vahinkoa koko organismille, kuten neoplasiaa, kasvua väärässä paikassa jne. Jo ennen kuin tullaan telomeerien toistojaksojen mittaaman elämän viimeiselle rajalle, niiden lyheneminen saa aikaan vaurioita, jotka johtavat yhä useampien yhteisön solujen poistumiseen kasvusyklistä. Tämän näimme Moorheadin ja Hayflickin kanssa tutkiessamme in vitro vanhenneiden ihmisfibroblastien kromosomeja. Soluviljelmien vanhetessa niissä ilmeni yhä enemmän epänormaaleja etenkin disentrisiä kromosomeja, joita syntyy lyhentyneiden telomeerien fuusioituessa keskenään (Saksela ja Moorhead 1963). Seuraavissa solujakautumisissa ne katkeilevat ja saavat aikaan lisääntyviä DNA-vaurioita ja sitä tietä kasvun pysähtymisen tai apoptoosin (Ly ym. 2000). Sama ilmiö on vahvistettu myös in vivo esimerkiksi tutkimalla iäkkäiden henkilöiden jakautumaan stimuloituja lymfosyyttejä (Smith ja Pereira-Smith 1996). Vanhenevia kudoksia luonnehtii siten näillä mekanismeilla tapahtuva solukato, jonka aste luultavimmin on kytköksissä elämän aikana tarpeellisten solunjakautumisten määrään (kuva 6). Mitä enemmän tavallisen kudosten uusiutumisen lisäksi on tarvittu erilaisten ulkoisten hyökkääjien, säteilyn, infektioiden, traumojen jne. jättämiä vaurioita korjaavia solunjakautumisia, sitä aikaisemmin kriittinen raja tulee vastaan. Hypoteesiksi näyttäisi muodostuvan, että väistämätön kuolema on sittenkin geeneihin kirjoitettu mutta tarkoituksella palvella elämää. Viimeinen raja ovat jonkin tai joidenkin kriittisten vaurioita korvaavien solupopulaatioiden loppuun kuluneet telomeerit, jotka panevat pisteen toiveille ikuisesta elämästä. P53-geeni on yksi keskeisimpiä säätelijöitä genomiltaan vaurioituneiden solujen kasvun pysäyttäjänä ja apoptoosin käynnistäjänä, ellei vaurio ole korjattavaissa. Kun p53-geenistä saatiin aikaan muunnos, jonka tuloksena oli geenin yliekspressio hiiren kudoksissa, tällainen muuntogeeninen hiiri oli odotusten mukaisesti kasvainresistentti. Yliaktiivinen p53 eliminoi normaalia tehokkaammin genomiltaan muuntuneet potentiaalisesti spontaaneihin kasvaimiin johtavat solut (Tyner ym. 2002). Tämän hintana olivat kuitenkin huomattavasti ennenaikainen vanhuus ja lyhentynyt elinaika. Kun taas p53:n toimintaa heikennettiin toisen alleelin poistolla, kasvaintaajuus suureni kaksinkertaiseksi. Tulos oli hypoteesimme mukainen: genomisen laadunvalvonnan tiukentaminen aikaistaa vanhuutta ja lyhentää elämää. Päinvastaisen pyrkimyksen seurauksena oli genomiltaan vaurioituneiden solujen sykliin pääsystä seuraava suurentunut kasvaintaajuus. Jos p53:n toiminta eliminoitiin kokonaan, kasvaintaajuus oli lopulta lähes 100 %. Saman teeman muunnelmiksi voidaan hyvin tulkita tulokset ikääntymisen säätelemisestä erilaisin koejärjestelyin. Vaikuttavin (ja ainoa) tapa Onko kuolema biologisesti väistämätön? 1251
Ikä Telomeerien tila Jakautuvien solujen osuus Kasvunopeus Varhainen Nopea Elämän kaikissa muodoissaan voidaan sanoa olevan geneettisen ohjelman toteuttamaa antientropiaa. Vuosimiljoonien aikana seuloutuneet geneettiset ohjelmat kykenevät muuttamaan ai- Keski- Kohtalainen Myöhäinen Hidas = Hyvät = Huonot = Jakautuva = Pysähtynyt Kuva 6. Kudosten vanheneminen somaattisten solujen tasolla. Kasvusyklistä poistuneiden ja apoptoottisten kuolleiden solujen osuus lisääntyy telomeerien»kulumisen» funktiona. Kasvunopeus ja kudosten uusiutumiskyky heikkenevät. lisätä nisäkkäiden iän pituutta on tunnetusti ravinnon energiamäärän rajoittamisen (Weindruch ja Walford 1982, Lee ym. 1999). Mekanismina näyttäisi olevan insuliinin ja insuliinin kaltaisen kasvutekijän (IGF-1) pitoisuuksien pieneneminen. Äskettäin tämä on osoitettu myös suoraan poistamalla IGF-1-reseptorigeenin toinen alleeli tai eräs geenin alavirran kriittinen välittäjä (p66 Shc) (Holtzenberger ym. 2003). Caenorhabditis elegans -laakamadolla ja banaanikärpäsellä samojen kasvutekijöiden homologisten välittäjämolekyylien Daf-1 ja InR poisto lisää myös elämän pituutta (Kimura ym. 1997, Tatar ym. 2001). Evoluutiossa vahvasti konservoituneet perusperiaatteet ovat siten kyseessä. Yhteinen nimittäjä kaikissa näissä kokeellisissa tilanteissa näyttäisi olevan oksidatiivisten soluvaurioiden vähentyneisyys (Beckman ja Ames 1998) useimmiten seurauksena hidastuneesta metaboliasta ja vähentyneestä ROS:n tuotannosta ja siten säästöistä korjaukseen kuluvissa solusykleissä. Taustasäteilyn väheneminen, mikrobiton elinympäristö, antioksidanttien lisääminen ravintoon ja erilaiset elitapasuositukset kaikki eliniän pidentämiseen tähtäävät ohjeet ovat palautettavissa näihin perusilmiöihin, joissa vaakakupeissa ovat toisaalta vaurioituneiden solujen eliminaatio ja toisaalta käytettävissä olevat kasvusyklit niiden korvaamiseksi. M.O.T. 1252 E. Saksela
nehiukkaset ja molekyylit järjestyneeksi kokonaisuudeksi, joka kykenee toteuttamaan monimutkaiset säätelykuvionsa harmonisesti ja tuottamaan itseään replikoivan elävän organismin. Ohjelma joutuu taistelemaan suurin energiapanostuksin jatkuvaa termodynaamiseen tasapainoon pyrkivää entropiaa vastaan. Muun muassa edellä mainitut vauriotekijät ovat entropian myötävaikuttajia, ja tappiot kirjataan jakautumiseen kykenemättöminä tai apoptoottisesti menetettyinä soluina. Elämän voitoksi voidaan katsoa suvun jatkamiseen kykenevän yksilön kehittyminen. Kuolema on kuitenkin oleellisena ja välttämättömänä tekijänä kytkeytynyt tämän voiton aikaansaamiseen, ja se jatkaa entropian viikatemiehenä vääjäämättä, vaikka elämän ainoa tuki eli geneettisen evoluution kekseliäs runsauden lähde on jo peruuttamattomasti ehtynyt. Kliininen kuolema on virstanpylväs tässä prosessissa, eikä se ole väistettävissä. Kirjallisuutta Beckman KB, Ames BN. The free radical theory of aging matures. Physiol Rev 1998;78:547 81. Bodnar AG, Ouellette M, Frolkis M, ym. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells. Science 1998; 279:349 52. De Lange T. Telomere capping one strand fits all. Science 2001; 292:1075 6. Greider, CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. 1985;43:405 13. Hayflick L, Moorhead PS. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res 1961;25:585 621. Holzenberger M, Dupont J, Ducos B, ym. IGF-1 receptor regulates lifespan and resistance to oxidative stress in mice. Nature 2003; 421:182 7. Horwitz, HR. Genetic control of programmed cell death in the nematode Caenorhabditis elegans. Cancer Res 1999;59:1701 6. Iyer VR, Eisen MB, Ross DT, ym. The transcriptional program in the response of human fibroblasts to serum. Science 1999;283:83 7. Karlseder J, Broccoli D, Dai Y, Hardy S, de Lange T. p53- and ATMdependent apoptosis induced by telomeres lacking TRF2. Science 1999;283:1321 5. Kimura KD, Tissenbaum HA, Liu Y, Ruvkun G. Daf-2, an insulin receptorlike gene that regulates longevity and diapause in Caenorhabditis elegans. Science 1997;277:942 6. Lanza RP, Cibelli JB, Blackwell C, ym. Extension of cell life-span and telomere length in animals cloned from senescent somatic cells. Science 2000;288:665 9. Lee CK, Klopp RG, Weindruch R, Prolla TA. Gene expression profile of aging and its retardation by caloric restriction. Science 1999;285: 1390 3. Ly DH, Lockhart DJ, Lerner RA, Schultz PG. Mitotic misregulation and human aging. Science 2000;287:2486 92. Moorhead PS, Saksela E. Non-random chromosomal aberrations in SV40 transformed human cells. J. Cell Comp Physiol 1963;62:57 84. Reed J. Mechanisms of apoptosis. Am J Pathol 2000;1415 30. Saksela E, Moorhead PS. Aneuploidy in the degenerative phase of serial cultivation of human cell strains. Proc Natl Acad Sci 1963;50:390 5. Smith JR, Pereira-Smith OM. Replicative senescence: implications for in vivo aging and tumor suppression. Science 1996;273:63 7. Tatar M, Kopelman A, Epstein D, ym. A mutant Drosphila insulin receptor homolog that extends life-span and impairs neuroendocrine function. Science 2001;292: 107 10. Tyner SD, Venkatachalam S, Choi J, ym. p53 mutant mice that display early ageing-associated phenotypes. Nature 2002;415:45 53. Weinberg R. Bumps on the road to immortality. Nature 1998;396:23 4. Weindruch R, Walford RL. Dietary restriction in mice beginning at 1 year of age: effect on life-span and spontaneous cancer incidence. Science 1982;215:1415 8. Wyllie FS, Jones CJ, Skinner JW, ym. Telomerase prevents the accelerated cell ageing of Werner syndrome fibroblasts. Nat Genet 2000; 24(1):16 7. Zakian VA. Telomeres; beginning to understand the end. Science 1995; 270:1601 7. EERO SAKSELA, emeritusprofessori eero.saksela@helsinki.fi Haartman-instituutti, patologian osasto 00014 Helsingin yliopisto Onko kuolema biologisesti väistämätön? 1253