199

C SOLUJEN TOIMINNAN SÄÄTELY

200

C1 Mitoosi – solun jakautumisen vaiheetPitkänen Juho & Lohi ArttuSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto15.9.2009Tarkastaja: Elina Kylmäoja

MitoosiEliöiden kasvu ja elämä perustuu jatkuvaan so-lunjakautumiseen. Eliön varhaisessa kehitysvai-heessa jakautuminen on erittäin kiivasta, mutta myös kehittyneet solut jakautuvat jatkuvasti korvaten elimistön kuolleet solut uusilla. Eräät pitkälle erikoistuneet solut, kuten hermo- ja sy-dänlihassolut eivät jakaudu laisinkaan. Solun-jakautuminen on tarkoin säädelty prosessi, jon-ka häiriöt saattavat johtaa esimerkiksi solujen hillittömään jakautumiseen ja kasvaimen syn-tyyn. Somaattisten solujen jakautumisvaihetta kutsutaan mitoosiksi. Toisin kuin sukusolujen jakautumisessa, meioosissa, mitoosin tuloksena on kaksi geneettisesti samanlaista solua. Mi-toosia kutsutaankin tästä johtuen suvuttomak-si jakautumiseksi. Mitoosi on osa somaattisen solun elämän kiertoa. Toinen osa kierrosta on mitoosiin valmistava interfaasi, jonka vaihei-den aikana solussa tapahtuu aktiivista DNA-, RNA- ja proteiinisynteesiä (Aula ym. 2006). Interfaasin aikana solu käy läpi erilaisia tarkas-tuspisteitä, joissa se varmistaa olevansa valmis mitoosiin. Mitoosi vaatii käynnistyäkseen riit-tävän solukoon sekä perintöaineen onnistuneen jakautumisen (Kierszenbaum 2002). Mitoosi on monimutkainen prosessi, jossa kromosomit jaetaan tasaisesti tytärsoluihin (Darnell ym. 1990). Mitoosi tapahtuu liukuvasti, mutta se voidaan kuitenkin jakaa useaan eri vaiheeseen. Proliferaatiovaiheet ovat nimeltään profaasi, prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi. Jakautumisvaiheiden aikana solu muodostaa niin kutsutun solusukkulan, jakaa kahdentu-neet kromosomit solun eri päihin sekä muodos-taa supistusrenkaan joka kuroo solun keskeltä poikki kahdeksi itsenäiseksi soluksi (Aula ym. 2006). Mitoosissa solu säilyy diploidisena, jo-ten molempien syntyneiden tytärsolujen kro-mosomiluku on 2N eli ihmisellä 46 (Harley ym. 1996). Mitoosin säätely perustuu kahdenlaisten proteiinien, sykliinien ja proteiinikinaasien, toi-mintaan ja niiden aikaansaamaan proteiinien fosforylaatioon. Soluorganelleista proteasomit osallistuvat säätelyyn hajoittamalla sääteleviä

proteiineja (Harlt ym. 2005). Sana mitoosi tu-lee kreikan kielen sanasta mitos, joka tarkoittaa rihmaa (Langley 1968).

Mitoosin vaiheet

Mitoosi voidaan jakaa viiteen eri vaiheeseen. Ne ovat profaasi, prometafaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi. Tärkeä osa solusykliä on myös inter-faasi-niminen vaihe, jonka aikana solujen tuma ja perintöaines kahdentuvat ja solu valmistautuu proliferaatioon (Aula ym. 2006).

2

Mitoosin vaiheet

Mitoosi voidaan jakaa viiteen eri vaiheeseen. Ne ovat profaasi, prometafaasi, metafaasi,

anafaasi ja telofaasi. Tärkeä osa solusykliä on myös interfaasi-niminen vaihe, jonka aikana

solujen tuma ja perintöaines kahdentuvat ja solu valmistautuu proliferaatioon (Aula ym.

2006).

Kuva 1: Interfaasi. Solu valmistautuu jakautumaan. Nimetyt rakenteet: A= solukalvo, B=

tumakalvo, C= tumajyvänen, D= kromatiini, H= sentrosomi. Kuvassa mukailtu kirjan The

anatomy coloring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

Profaasi Tuman lähettyvillä on kaksi sentrosomia, jotka koostuvat kahdesta sentriolista eli

keskusjyväsestä. Profaasin eli esivaiheen aikana ne kulkeutuvat solun vastakkaisiin napoihin

eli pooleihin. Välivaiheen eli interfaasin aikana tuplaantuneelle solun perintöainekselle

tapahtuu niin kutsuttu kondensaatio; kromosomit tiivistyvät ja pakkautuvat 50-100-

kertaisiksi, jolloin ne lyhenevät ja paksuuntuvat valomikroskoopilla havaittaviksi

sisarkromatideiksi (Aula ym. 2006). Kromatidit kondensoi niiden pinnalla sijaitseva

kondensiini, ja sisarkromatidit sitoutuvat toisiinsa kohesiini-nimisen proteiinin avulla

(Kierszenbaum 2003).

Prometafaasi on lyhyt ja nopea vaihe profaasin ja metafaasin välissä. Tumakalvo hajoaa

Kuva 1: Interfaasi. Solu valmistautuu jakautu-maan. Nimetyt rakenteet: A= solukalvo, B= tuma-kalvo, C= tumajyvänen, D= kromatiini, H= sentro-somi. Kuvassa mukailtu kirjan The anatomy colo-ring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

ProfaasiTuman lähettyvillä on kaksi sentrosomia, jotka koostuvat kahdesta sentriolista eli keskusjyvä-sestä. Profaasin eli esivaiheen aikana ne kulkeu-tuvat solun vastakkaisiin napoihin eli pooleihin. Välivaiheen eli interfaasin aikana tuplaantuneel-le solun perintöainekselle tapahtuu niin kutsuttu kondensaatio; kromosomit tiivistyvät ja pakkau-tuvat 50–100- kertaisiksi, jolloin ne lyhenevät ja paksuuntuvat valomikroskoopilla havaittaviksi sisarkromatideiksi (Aula ym. 2006). Kromatidit kondensoi niiden pinnalla sijaitseva kondensiini, ja sisarkromatidit sitoutuvat toisiinsa kohesiini-nimisen proteiinin avulla (Kierszenbaum 2003).

201

Prometafaasi on lyhyt ja nopea vaihe profaasin ja metafaasin välissä. Tumakalvo hajoaa lamiinien fosforyloituessa, ja tumajyvänen katoaa näkyvis-tä (Kierszenbaum 2003.) Sukkularihmat kiinnit-tyvät kromatideja yhdistäviin sentromeereihin, joiden pinnalla on kinetokoriksi kutsuttava kiin-nittymisalusta (Lodish ym. 2004).

Kuva 2: Profaasi ja prometafaasi. Nimetyt raken-teet: B= hajonnut tumakalvo, D’= kromosomi, E ja F= kromatidi, G= sentromeeri, I= asteri, J= suk-kularihma. Kuvassa mukailtu kirjan The anatomy coloring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

MetafaasiMetafaasi on proliferaation välivaihe. Siinä kro-mosomit näkyvät valomikroskoopilla rakenteina, joille on tyypillistä asettua x-kirjaimen muotoon. Kromatidit toisiinsa sitovasta rakenteesta käyte-tään nimitystä sentromeeri. Sukkularihmat ovat ratkaiseva tekijä siinä, että kromosomit asettuvat oikealla tavalla jakotasoon. Ne asettuvat siten, että sisarkromatidit ovat vastakkaisilla puolilla toisiinsa nähden (Lodish ym. 2004).

Kuva 3: Metafaasi. Kromosomit järjestäytyvät sukkularihmaston avulla jakotasoon. Nimetyt rakenteet: E ja F= kromatidi, G= sentromeeri, J= sukkularihma. Kuvassa mukailtu kirjan The anato-my coloring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

AnafaasiAnafaasissa eli jälkivaiheessa sukkularihmoilla on myös suuri merkitys. Sukkularihmat lyhene-vät ja irrottavat sisarkromatidit toisistaan. Tämän jälkeen ne auttavat yksinkertaisia kromatideja

ohjautumaan solun vastakkaisiin pooleihin. Ana-faasin lopussa solu on kyennyt kopioimaan kaksi identtistä perintöainesta ja on muodostanut niistä kaksi omaa ryhmää (Lodish ym. 2004).

Kuva 4: Anafaasi. Sisarkromatidit vaeltavat eri na-voille. Nimetyt rakenteet: E’ ja F’= kromosomi, G= sentromeeri. Kuvassa mukailtu kirjan The anato-my coloring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

TelofaasiLoppuvaihe eli telofaasi on käänteinen tapah-tuma profaasille ja prometafaasille. Telofaasi puhdistaa solusta mitoosin jäljet. Sisarkromatidit ovat tällöin jo siirtyneet omiin pooleihinsa. Mo-lemmille tytärkromosomiryhmille muodostuu oma tumakotelo sekä omat tumajyväset, tuma-sukkula katoaa ja kromosomeille tapahtuu defos-forylaation seurauksena dekondensaatio. Siinä profaasin aikana kromosomeihin muodostuneet kierteet alkavat purkautua ja niistä tulee löysiä vyyhtejä (Kierszenbaum 2003).

Kuva 5: Telofaasi. Telofaasi on käänteinen tapah-tuma profaasille ja prometafaasille. Nimetyt ra-kenteet: B= tumakalvo, C= tumajyvänen, E’ ja F’= kromosomi. Kuvassa mukailtu kirjan The anato-my coloring book kuvaa (Kapit ym. 2002).

Telofaasin jälkeen tarvitaan vielä sytokineesi-vaihe, jossa soluaines tasataan kahden tytärsolun välille. Aktiini muodostaa renkaan solun puoli-väliin ja rengas supistuu halkaisten solun kah-tia. Täten muodostuu kaksi identtistä tytärsolua (Kierszenbaum 2003).

202

Kuva 6: Kaksi tytärsolua. Mitosin seurauksena syntyy kaksi geneettisesti samanlaista tytärsolua. Nimetyt rakenteet: B= tumakalvo, E² ja F²= kroma-tiini. Kuvassa mukailtu kirjan The anatomy colo-ring book kuvaa (Kapit 2002).

Taulukko 1: Mitoosin vaiheet

Vaiheen nimi Vaiheen aikaiset tapahtumatInterfaasi* Solu valmistautuu

jakautumaan, perintöaines kahdentuu

Profaasi Kondensaatio, sentrosomit tuman vastakkaisiin napoihin

Prometafaasi Tumakotelo hajoaa, tumajyvänen katoaa, sentrosomit kiinnittyvät kromatideihin

Metafaasi Sukkularihmat vetävät kromatidit jakotasoon

Anafaasi Sisarkromatidit erkanevat ja vaeltavat eri navoille

Telofaasi Käänteinen profaasi, kromosomien dekondensaatio, tumakalvot muodostuvat

*Interfaasi ei ole varsinaisesti mitoosin vaihe, vaan se on osa solusykliä.

Mitoosia säätelevät tekijät

Solusykliä säätelevät kahdenlaiset proteiinit: sykliinit ja sykliini-riippuvaiset proteiinikinaasit. Sykliinit sitoutuvat proteiinikinaaseihin, jotka sitten fosforyloivat valitut proteiinit. Mitoottinen B-Cdk2- sykliinikompleksi, MPF (M-phase pro-moting factor), muotoutuu interfaasivaiheen G2 aikana (Kierszenbaum 2003). MPF on dimeeri, joka koostuu sykliinistä ja sykliini-riippuvaises-ta proteiinikinaasista. MPF- sykliinikompleksin läsnäolo aikaansaa mitoosin varhaiset vaiheet. Myös mitoosin eri vaiheilla on oma säätelyte-kijänsä, APC- kompleksi (Anaphase Promoting Complex). Metafaasista anafaasiin siirtymistä säätelee APC-Cdc20-kompleksi, joka vähentää

sekuriinin määrää solussa. Sekuriini on proteii-ni, joka osallistuu anafaasi-vaiheen laukaisuun. Anafaasista telofaasiin siirtymisen aikaansaa APC-Cdh1, joka vähentää solun mitoottisten sykliinien määrää. Mitoosin lopettaminen on myös APC:n säätelemää (Lodish ym. 2004). Vaiheesta toiseen siirtymiseen osallistuvat myös proteasomit, jotka hajoittavat proteiineja, muun muassa sekuriinia. Proteiinien väheneminen ai-kaansaa erilaisia tapahtumia, kuten sisarkromo-somien erkanemisen solun eri päihin (Hartl ym. 2005).

Mitoosiin osallistuvat rakenteet

Mitoosissa solu muodostaa rakenteen, jota kut-sutaan tumasukkulaksi. Metafaasin aikana tu-masukkula jakautuu kahteen osaan: keskellä sijaitsevaan mitoosikuvioon ja vastakkaisilla reunoilla sijaitsevien astereihin. Mitoosikuvio eli sukkularihmasto on pallon muodon ottanut kasa mikrotubuluksia ja proteiineja, jonka metafaa-sivaiheen kromosomit jakavat keskeltä kahteen osaan. Asterit muodostuvat sentrosomeihin kiin-nittyvistä “astraaleista mikrotubuluksista”. As-terit suuntautuvat poispäin sentrosomeista kohti solukalvoa auttaen tumasukkulan oikealle pai-kalleen. Sytokineesissä asterit osallistuvat solun jakautuminen ohjailuun. Mitoosissa solun vas-takkaisiin päihin kulkeutuvat sentrosomit kuljet-tavat mukanaan tytär-sentriolia, jotta proliferaa-tio olisi tytärsoluissakin mahdollista. Keskeisiä rakenteita mitoosissa ovat kinetokorit, jotka ovat sentromeerien pinnalla sijaitsevia proteiinikom-plekseja. Kinetokoreilla on useita tehtäviä so-lunjakautumisessa: ne tarrautuvat mikrotubuluk-siin ja liittävät ne kromosomeihin, aikaansaavat voiman, jota tarvitaan kromosomien liikutteluun mikrotubuluksia pitkin sekä säätelevät kromo-somien jakautumista ja kulkeutumista solun eri päihin (Lodish ym. 2004).

203

Lähteet

Aula P., Kääriäinen H., Palotie A. Perinnöllisyyslääketiede. Helsinki: Duodecim, 2006.

Darnell J., Lodish H., Baltimore D. Molecular cell biology. 2.ed. New York: Scientific American Books ,1990.

Harley J., Prescott L. M., Klein D. Microbiology. 3.ed. Lontoo: WCB, 1996.

Hartl D., Jones E. Genetics- Analysis of genes and genomes. 6.ed. Sudburya: Jones and Bartlett Publishers, 2005.

Kapit W., Elson L. The anatomy coloring book. 3.ed. Pearson Education, 2002.

Kierszenbaum A.L. Histology and cell biology; An introduction to pathology. New York: Mosby, Inc., 2003.

Langley L.L. Cell function. 2.ed. New York: Reinhold Publishing Corporation, 1968.

Lodish H., Berk A., Darnell J., Kaiser C., Krieger M., Matsudaira P. Molecular cell biology. 5.ed. New York: W. H. Freeman and Company, 2004.

204

C2 Solusyklin säätely – solujen jakautumisen tarkistuspisteet ja kontrolliMella, Mikko & Mäkelä, Harri Solu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto13.9.2010Tarkastaja: Olli-Matti Aho

TiivistelmäKudosten kasvu ja elimien kehittyminen on mahdollista niitä muodostavien solujen jakautumisen kautta. Edel-leen, jakautuminen pohjautuu solusykliksi kutsuttuun kiertoon aitotumallisten solujen elämässä. Kierrossa vuorottelevat vaiheet nimeltä interfaasi ja mitoosi. Interfaasi on vaihe, jossa solu valmistautuu jakautumiseen kahdentamalla DNA:nsa. Mitoosissa itse solu jakautuu. Syövän synnyn estämisen kannalta on tärkeää, että solujenjakautu- mista kontrolloidaan tarkasti monisoluisilla eliöillä. Solusyklin säätelymekanismi pohjautuu tiettyjen proteiinien, sykliinien, ja niistä riippuvaisten kinaasien toimintaan, jotka ajavat sykliä eteenpäin. Kier-ron interfaasivaiheessa esiintyy kaksi tarkastuspistettä, joissa monimutkainen säätelykoneisto tarkistaa, esiin-tyykö kahdentuneessa DNA:ssa virheitä ja onko solu valmis jakaantumaan. Tarkastuspisteissä sykli keskeytyy, mikäli se ei ole sujunut täydellisesti. Sisäisen säätelyn lisäksi solu myös vastaanottaa jakautumista hillitseviä tai stimuloivia signaaleja ympäristöstä.

JohdantoEliön kehitykseen kuuluu luonnollisena osana kasvu ja kehitys. Näkyvintä ja nopeinta kasva-minen on kehittyvässä yksilössä, joskin solujen proliferaatiota tapahtuu myös aikuisessa. Harvo-ja poikkeuksia lukuun ottamatta yksilön solujen tietyt elämänvaiheet vuorottelevat syklisessä järjestelmässä, jota kutsutaan solusykliksi. Näi-hin vaiheisiin lukeutuvat niin RNA-, DNA- kuin proteiinisynteesikin (Aula ym. 2006). Vaikka solusyklin läpikäynti kuuluu monen eukaryoot-tisolun normaaleihin proseduureihin, säädellään sitä kuitenkin erinäisin kontrollimekanismein hyvinkin tarkasti (Niemi ym. 1995). Solusyklin rajavalvonta, tarkistuspistekontrolli, on vastuus-sa soluprolife- raation onnistumisesta, ja näin ollen myös perimältään vaurioituneiden solujen korjaamisesta tai jopa kuolintielle ohjaamisesta. Tämä takaa yksilön terveen kasvun ja kehityksen sekä toisaalta estää pahanlaatuisten kasvainten kehittymisen.

SolusykliAjanjaksoa, jonka aikana kaksi mitoottista solua jakautuu tuottaen kaksi tytärsolua, kutsutaan so-lusykliksi (kuva 1). Edelleen, solusykli jaetaan perinteisesti kahteen päävaiheeseen, interfaasiin (G ja S-vaiheet) ja mitoosiin (M-vaihe) (Kiers-zenbaum 2007). Lähes kaikkien solujen elä-

mässä vuorottelevat solusyklin synteesivaihe eli interfaasi sekä aktiivinen jakautumisvaihe, mi-toosi. Interfaasi-välivaiheeseen – jota ei nimensä perusteella pidä mieltää inaktiiviseksi siirtymä-vaiheeksi – kutsuttuun faasiin lukeutuvat niin proteiinien kuin DNA:n sekä RNA:n synteesit. Mitoosi puolestaan käsittää varsinaisen solun ja-kautumistapahtuman (Aula 2006).

Vaiheiden kiertofrekvenssi riippuu solun erilaistu-misasteesta – vähemmän erilaistuneet solut jakau-tuvat pitkälle erilaistuneita soluja huomattavasti useammin. Interfaasia edeltävät G1- ja G2- vä-livaiheet, joista solut siirtyvät synteesin kautta mitoosiin molekulaarisen laukaisumekanismin avulla. On huomattava, että jotkut solut poistuvat syklistä G0-lepovaiheeseen, joka voi tapauskoh- taisesti kestää jopa vuosia (Aula ym. 2006).

Solusykli koostuu siis interfaasista ja mitoosista. Interfaasiin luetaan kuuluvaksi synteesi- eli S- vaihe sekä Gap- eli G-vaiheet. Mitoosia puoles-taan kutsutaan M-vaiheeksi. Solusyklitoiminnan kannalta tarkasteltuna interfaasin relevantein peri-odi on S-vaihe, DNA-nukleotidin kahdentaminen eli replikaatio. S-vaihetta edeltävät ja jälestävät G-välivaiheet. G1-vaihe on solusyklin työvaiheis-ta yleensä pisin, käsittäen syklin generaatioajasta kahdeksasta kuuteenkymmeneen tuntia (Aula ym.

2006). G1-vaiheessa solu tekee päätöksen DNA-replikaatioon siirtymisestä. Vaihtoehtona on siir-

205

tyminen G0-tilaan. Muussa tapauksessa solu ete-nee S-vaiheen jälkeen G2-vaiheeseen, jossa solu varmistaa DNA-replikaation onnistuneisuuden ennen siirtymistä mitoosiin (Kierszenbaum 2007).

Suurin osa ihmisen soluista on G1-vaiheessa ir-tautunut solusyklistä ja siirtynyt niin sanottuun lepotilaan, jota kutsutaan G0-vaiheeksi. Syklin pysähtymisen syynä on esimerkiksi sitä edistävi-en kasvutekijöiden puute tai loppuminen. Syynä voi myös olla antimitogeenisten signaalien läs-näolo (Ivanchuk ym. 2004). Solukiertoa eteen-päin ajavien sykliinien ja niistä riippuvaisten kinaasien (CDK) puute on luonnollisesti omi-naista G0-tilalle. Esimerkiksi hermo- ja sydänli-hassolut tulevat kypsyessään postmitoottiksiksi, ja siirtyvät G0-tilaan. Esimerkiksi lymfosyytit puolestaan saattavat viipyä pitkäaikaisessa G0-tilassa jopa vuosia, ja alkaa jakautua vasta tietty-jen sytokiinien vaikuttaessa niiden reseptoreihin (Golias ym. 2004). Ne siis palaavat sykliin vain spesifisen ärsykkeen saatuaan (Aula 2006). So-lujen jakaantuminen voi käynnistyä uudelleen G0-vaiheessa olevissa soluissa, kun tarvittavia kasvutekijöitä on jälleen saatavilla. Todennäköi-syys siirtyä G0-tilaan lepäämään kasvaa soluissa jokaisen niiden suorittaman solusyklin myötä (Solunetti 2006).

M-vaiheessa interfaasin aikana replikoitunut DNA-kaksoiskierre jakautuu kahtia. Syntyvät tytärsolut ovat geneettisesti toistensa kopioita. Vaikka mitoosi on prosessina liukuva, jaetaan se silti neljään erilliseen vaiheeseen. Nämä vaiheet ovat profaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi (Aula ym. 2006).

Kuva 1. Solusyklin ja sen tarkistuspisteet. So-lusykli jaetaan interfaasiin (G- ja S-vaiheet) ja mi-toosiin (M-vaihe). Tarkistuspisteet ovat solusyklin tarkasti vartioituja osia. Checkpoint 1 sijaitsee G1-vaiheen loppupuolella ja Checkpoint 2 G2-vai-heen lopussa, juuri ennen mitoosin käynnistymis-tä. (Lähde: Ivanchuk ym. 2004, s. 693 mukaillen).

Solusyklin säätely

Solusykli on lukuisten regulaattorimolekyylien tarkasti säätelemä tapahtuma. Syklin kannalta merkittävimpiin säätelymolekyyliperheisiin lu-keutuvat sykliinit, sykliinistä riippuvaiset kinaa-sit (CDK), niiden substraattiproteiinit, CDK-in-hibiittorit (CKI) sekä tuumorisupressorit p53 ja pRb (kuva 2). Näiden molekyylien muodostama mekanismi vastaa solysyklin katalysoinnista ja syklin eri vaiheiden välisten tarkistuspisteiden läpikulusta (Golias ym. 2004).

Solusyklin säätelyyn osallistuvat kahdenlaiset proteiinit, sykliinit sekä sykliinistä riippuvaiset kinaasit (CDK, engl. Cyclin-Dependent-Kinase). Sykliinien ja sykliinistä riippuvaisten kinaasien sekä solun muiden proteiinien aktiivisuutta sää-dellään monin tavoin. Solunsisäisen regulaation ohella säätelyyn osallistuvat myös lukuisat ym-päristösignaalit (Solunetti 2006).

Sykliini-proteiinien pitoisuudet varioivat run-saasti syklin eri vaiheissa niiden nopean syntee-sin ja toisaalta tehokkaan hajotuksen ansiosta. Sykliinit toimivat CD-kinaasien toimintaa sää-televiä alayksikköinä, säädelleen syklin kulkua checkpoint-pisteiden lävitse. Regulaation kemi-allinen perusta on kohdesubstraattien fosfory-lointi ja inaktivaatio. (Golias ym. 2004). Syk-liinit voidaan jakaa kahteen luokkaan perustuen niiden esiintyvyyteen solusyklin eri vaiheissa. G1-sykliinit (D- ja E- sekä A-sykliini) esiintyvät synteesiä edeltävässä vaiheessa, edistäen solun siirtymistä S- vaiheeseen. Mitoottiset G2-syklii-nit (mm. B-sykliini) taas edistävät solun siirty-mistä M-vaiheeseen (Solunetti 2006).

Solusyklin ensimmäisessä vaiheessa, G1-faasin lopussa, postmitoottinen solu pysähtyy niin kut-suttuun presynteettiseen R-restriction-pisteeseen (Niemi ym. 1995). Restriktiopisteen presynteet- tinen solu tarvitsee kemiallista taustatukea syntee-sipäätöksen tekemiseen. Tässä vaiheessa, syklii-nien toiminnan kannalta tarkasteltuna mielenkiin-toisin ja toimeliain sykliiniproteiini on sykliini-A, joka toimii aktiivisesti sekä syklin S- että M-vai-heessa aktivoiden kahta erilaista CDK- proteiinia. Synteesivaiheessa sykliini-A-CDK-kompleksin suorittaman DNA-replikaatiokoneiston CDC6-komponentin fosforylaation uskotaan toimivan tärkeänä aloitteena DNA-replikaation käynnisty-miselle. Samalla sen uskotaan rajoittavan DNA-replikaation tapahtuvaksi vain kerran yhden syk-likierron aikana (Golias ym. 2004).

206

Kriittisin päätös lienee kuitenkin postsynteetti-nen mitoosipäätös. B-sykliinin ilmaantuessa G2- syklivaiheen soluun, kinaasiproteiini aktivoituu ja solu siirtyy M-vaiheeseen (Niemi ym. 1995). Kuten edellä mainittiin, myös A-sykliinillä on tärkeä, joskin spekulatiivinen, postsynteettinen rooli. A-sykliinin postsynteettinen tehtävä voisi liittyä B-sykliinin tasapainon säätelyyn (Goli-as ym. 2004). A-sykliinin konsentraatio nousee solussa S-vaiheen aikana ja laskee äkkinäisesti ennen syklin siirtymistä metafaasiin. B-sykliini puolestaan pysyy solussa metafaasiin asti. Toi-minnan jälkeen sykliinit merkataan ubikitiinilla. Ubikitiinimerkkauksen jälkeen sykliinit tuho-taan pro- teasomeissa (Ivanchuk ym. 2004).

B-sykliinin aktivoimista kinaasiproteiineis-ta merkittävin on laukaisijaproteiinikinaasi p34cdc2. Tämän proteiinikinaasin aktivoitu-misen myötä solu siirtyy mitoosiin (kuva 2). Laukaisijaentsyymin aktivoi sykliini-proteiini. Tapahtuman seurauksena syntyy mitoosia kiih-dyttävä MPF-partikkeli (engl. Mitosis-Promo-ting-Factor) (Aula ym. 2006). Monet hormonit ja kasvutekijät vaikuttavat kinaasien aktiivisuu-teen (Golias ym. 2004). Mitoosin luonnollisia promoottoreita, mitogeenejä, ovat monet kasvu-tekijät, kuten fibroblastikasvutekijä (FGF) sekä trombosyyttikasvutekijä (PDGF) (Kierzenbaum 2007). Presynteettisessä solussa lisääntyvät li-säksi interleukiini 2- ja transfer- riinireseptorit (Aula ym. 2006).

Solusykliä säätelevien geenien päätoimenku-vaan kuuluvat syklimekanismin jarrutuksen ja kiihdytyksen kontrollointi – syklin moottorina toimiminen (Golias ym. 2004). Syklin säätely-geeni- en toiminnan kannalta on tässä relevanttia keskittyä nimenomaan jarrutusmekanismeihin. Niin kutsuttujen tuumorisupressorien pääfunk-tio kiteytyy perimältään vaurioituneiden tai ym-päristöolo- suhteiltaan kyseenalaisten solujen proliferaation, DNA-synteesin ja mitoosin estä-miseen (Golias ym. 2004). Näistä tuumorisup-ressoreista merkittävimmät ovat siis p53 ja pRb, joista ensimmäisessä tapahtuneet mutaatiot ovat yleisin syy pahanlaatuisten kasvainten syntymi-seen (Kierszenbaum 2007). Tämä indikoi kysei-sen geenin suurta roolia solusyklin etenemisen säätelijänä.

Kuva 2. Solusyklin säätelytekijät. Sykliinit ja ki-naasit ajavat kiertoa eteenpäin. p53, p21 ja p27 toimivat omalta osaltaan solusyklin regulaattorei-na. (Lähde: Golias ym. 2004, s. 1135 mukaillen).

Tarkistuspisteet

Solusyklin etenemisen hidastaminen tai pysäyt-täminen on tärkeää, mikäli DNA:n replikaati-ossa syntyy virheitä, tai solu ei vielä ole valmis siirtymään seuraavaan vaiheeseen. Tätä varten solukier- rossa esiintyy välivaiheita, jotka toimi-vat tarkistusasemina (checkpoint-pisteet). Näis-sä tarkistuspis- teissä solu pyrkii varmistamaan, että sykli on edennyt optimaalisella tavalla, eikä virheitä ole päässyt syntymään (Solunetti 2006). Mahdollisten DNA-vaurioiden havaitsemiseksi on tarkistuspis- teissä olemassa oma sensorinen mekanismi, joka lähettää signaaleja solusykliko-neistolle. Signaalit hidastavat kiertoa korjausten ajaksi. Jos korjaus osoittautuu mahdottomaksi, signaalit aktivoivat ohjelmoidun solukuoleman, apoptoosin.

Checkpoint-pisteet esiintyvät loogisesti ennen kierron merkittäviä S- ja M- vaiheita (kuva 2). Tärkeät tarkistukset sijoittuvat siis sekä pre-synteettisen G1-vaiheen ja premitoottisen G2-vaiheen loppupuolelle. Solusyklin etenemisen valvominen varsinkin ennen mitoosi-vaihetta on erittäin tärkeää; DNA-virheiden esiintymi-nen mahdollistaa kasvainten ja syövän synnyn, eritoten jakaantuvassa solussa. Syöpäriski on erityisen suuri virheiden sattuessa tuumorisup-ressorigeeneihin. Normaalit solut eivät salli so-lun etenemistä kierrossa ennen kuin virheet ovat saatu korjattua. Syöpäsolut kuitenkin toistavat solusykliä loputtomasti DNA:n virheistä huoli-matta (Ivanchuk ym. 2004).

207

p53-tuumorisupressorigeeni on tärkeä syklikier-ron tarkistuspistesäätelijä sekä pre- että postsyn-teet- tisessä vaiheessa. On pystytty osoittamaan, että kyseinen tuumorisupressori aktivoi lukuis-ten muiden solunjakautumista kontrolloivien geenien transkriptiota. Näistä esimerkkeinä voi-daan mainita p21, GADD45 ja MDM2. Edelli-sistä p21 koodaa CDK-aktiivisuuden säätelijää, GADD45 hillitsee DNA-vaurioita indusoivan tekijän toimintaa ja MDM2 toimii p53:n nega-tiivisena säätelijä- nä. p53-geenin ohella tärkeä tarkistuspistekontrollin ylläpitäjä on retinoblas-toomaproteiinia koodaava Rb-geeni. Sen tarkka tehtävä normaaleissa soluissa vielä ole selvinnyt (Golias ym. 2004).

Retinoblastoomaproteiinin läsnäoloa pidetään kuitenkin kriittisenä ehtona solun siirtymiselle syklin G1-vaiheesta S-vaiheeseen. Sen vuoro-vaikutus E2F-sykliregulaattoriperheen molekyy-lin kanssa (kuva 2) saa aikaan geenitranskription vähenemisen, minkä tiedetään olevan edellytys syklin siirtymiselle G1-vaiheesta synteesiin. Yhtä kaikki, solusyklin kanssa korreloivat muu-tokset kyseisen proteiinin fosforylaatioasteessa viittaavat suurehkoon osaan solusyklin läpivien-nissä. Hypofosforyloidussa muodossaa Rb-pro-teiini toimii solusykliä inhiboivana tekijänä sekä tuumo- risupressorina. Solusyklikoneiston fos-foryloidessa proteiinin (kuva 2), auttaa Rb-pro-teiini solua siirtymään synteesivaiheeseen. Re-tinoblastoomaproteiinin fosforylointi hiljentää sen tuumorisupres- siivisen vaikutuksen ja sallii synteesivaiheeseen siirtymisen. Tämä tapahtuu sykliinien ja sykliinistä riippuvaisten kinaasien toimesta. Yhteyttä p53:n ja pRb:n välillä pide-tään mahdollisena, mitä tulee solusyklin kontrol-loinnin ohella ohjelmoituun solukuolemaan sekä tuumorikasvuun (Golias ym. 2004).

Tarkistuspiste 1

R-pisteeksi (engl. restriction point) kutsuttu tar-kistusasema sijaitsee syklissä G1-vaiheen lopus-sa, juuri ennen synteesivaiheen alkamista (kuva 2). Kierron edettyä ensimmäiselle tarkistusalu-eelle, tehdään päätös siitä, jatkaako solu syn-teesivaiheeseen, vai siirtyykö se G0-vaiheeseen odottamaan. Ennen solusyklin ensimmäistä tar-kistuspistettä solu saa ulkopuolelta kasvua sti-muloivia ja sitä estäviä signaaleja. Syklikoneisto tarkistuspisteessä tekee näiden perusteella pää-töksen siitä, siirtyykö solu synteesivaiheeseen (Westerling ym. 2001). Esimerkiksi postmitoot-

tiset solut pysähtyvät yleensä presynteettisen vaiheen loppupuolen R-pisteeseen. (Niemi ym. 1995). Solun perimän ollessa vaurioitunut, p53-tuumorisupressori pysäyttää kierron G1-vaihee-seen vaikuttaen lisäävästi p21:n ekspressioon (kuva 2). DNA-vaurion ollessa lievä, p53 ohjaa solun korjaukseen. Onnistuneen DNA-korjauk-sen jälkeen solu on valmis jatkamaan synteesi-vaiheeseen ja edelleen jakautumiseen. Fataalin perimävaurion tapauksessa p53 laukaisee apop-toosin, ja solu tuhoutuu. p53:n geenin toiminnan ollessa riittämätöntä tarkistuspiste voidaan vaka-vasta vauriosta huolimatta läpäistä (Golias ym. 2004).

Tarkistuspiste 2

Synteesivaiheessa kahdentuneen DNA:n vir-heettömyys tarkistetaan jälleen sensoristen me-kanismi- en avulla ennen mitoosia G2-vaiheen lopussa sijaitsevassa toisessa tarkistuspisteessä (kuva 2) (Ivanchuk ym. 2004). Mikäli tarkistus-pisteeseen saapuu syklin jatkuvuutta estäviä ym-päristösignaa- leja – DNA:ssa havaitaan jokin virhe – kierto pysäytetään. Tällöin solu ei pääse jatkamaan M- vaiheeseen. DNA:n korjausten epäonnistuessa solu uhrataan ohjelmoidun solu-kuoleman avulla. Jos DNA on ehyt ja kaikki on valmista mitoosia varten, tarkistuspiste läpäis-tään, ja solu etenee mitoosiin. Mitoosiin siirty-minen tapahtuu sykliini-b-cdk2-kompleksin eli MPF-partikkelin avulla.

Lähteet

Aula P, Kääriäinen H, Palotie A. Perinnöllisyyslääketiede. 3. painos. Helsinki: Kustannus Oy Duodecim, 2006

Colias C H, Charalabopoulos A, Charalabopoulos K. Cell proliferation and cell cycle control: a mini review. Ioannina: Department of Physiology, Clinical Unit, Medical Faculty, University of Ioannina, 2004

Ivanchuk SM, Rutka JT. The Cell Cycle: Accelerators, Brakes, and Checkpoints. Neurosurgery 54:692–700, 2004

Kierszenbaum AL. Histology and Cell Biology: An Introduction to Pathology. 2. painos. New York: Mosby, Inc., an affiliate of Elsevier Inc, 2007

Niemi M, Virtanen I, Vuorio E. Solu- ja molekyylibiologia. 6. painos. Porvoo: WEILIN+GÖÖS, 1995

Törrönen K. Solunetti. Solubiologia: Solusykli. Kuopio: Solunetti, 2006

Westerling T, Vallenius T, Mäkelä T. Solujen jakaantumiskierron salojen selittämisestä vuoden 2001 Nobelin palkinto. Helsinki: Kustannus Oy Duodecim, 2001;117(22):2239–2242

208

C3 Kasvunrajoitegeenit – rooli syövän synnyssäBerg Pauli & Vihavainen HenriSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto12.9.2009Tarkastaja: Olli-Matti Aho

JohdantoTerveessä solussa geenien ohjaama proliferaa-tio eli jakautuminen tapahtuu hallitusti ja tasa-painossa solujen tuhoutumisen kanssa. Kysei-siä tapahtumia ohjaavat useat geenit ja niiden tuottamat proteiinit. Osaa näistä geeneistä kut-sutaan kasvunrajoitegeeneiksi. Nämä geenit yl-läpitävät solujen elinympäristöä, kontrolloivat niiden kasvua sekä jakautumista. Näiden geeni-en normaalin toiminnan estyminen, jolloin gee-nien tuotteet tuotetaan inaktivoituneessa muo-dossa tai jätetään kokonaan tuottamatta, lisää syöpäsolukon muodostumisen ja kasvun riskiä. Tunnetuin kasvunrajoitegeeneistä on p53, jon-ka inaktivaatio on kuvattu useiden eri syöpien yhteydessä.

YleistäPahanlaatuinen solujen kasvu saa alkunsa gee-nien mutaatioista. Kaikki geneettiset mutaatiot eivät kuitenkaan johda syöpään. Kontrolloima-ton solujen kasvu ja edelleen kasvaimen muo-dostuminen saavat alkunsa kun solun säätely-järjestelmä vaurioituu. Yleensä kasvaimissa on mutaatioita kaikissa kasvainsolun kehittymiseen vaikuttavissa geeniryhmissä, eli onkogeeneissä, kasvunrajoitegeeneissä ja perimän pysyvyyttä ylläpitävissä geeneissä (DNA-korjausmekanis-

mit). Mutaatiot saavat aikaan säätelyjärjestelmän vaurioitumisen ja edelleen kontrolloimattoman solukasvun.

Normaalisti genomissa esiintyvien proto-onko-geenien mutaatiot mahdollistavat geenien akti-voitumisen onkogeeneiksi, eli syöpägeeneiksi. Onkogeenien tuotteet voivat imitoida kasvute-kijää tai kasvutekijäreseptoria sekä toimia pro-teiini-tyrosiini-kinaasina mahdollistaen proteii-nien epänormaalin fosforylaation. Onkogeenien tuotteet vaikuttavat solujen aineenvaihduntaan ja solusykliin myös estämällä apoptoosia, välittä-mällä kasvusignaalia solulimassa ja toimimalla traskriptiotekijöinä. Proto-onkogeenien mutaa-tioiden seurauksena voikin olla hallitsematonta solun proliferaatiota ja mahdollisuus syöpäkas-vaimen syntyyn. (S Zakrzewski 2002, J Mylly-harju 2009)

Kasvunrajoitegeenejä voidaan pitää onkogeeni-en vastavaikuttajina. Ne koodaavat proteiineja, jotka inhiboivat muun muassa solun proliferaa-tiota. Kasvunrajoitegeeneissä mutaation tulee esiintyä geenin molemmissa alleeleissa Knudso-nin kaksivaiheteorian mukaan (ks. kohta 3, Reti-noblastoomageeni), jotta hallitsematon kasvu on mahdollista. Proto-onkogeenien kohdalla vastaa-va kasvu on mahdollista jo yhden alleelin ollessa mutatoitunut. (S Zakrzewski 2002, J Myllyharju 2009,)

209

Kasvunrajoitegeenien pääryhmät

Kuva 1: Kasvunrajoitegeenien pääryhmät sekä esimerkkejä

Gatekeepers

Gatekeepers-geenit ovat kasvunrajoitegeenejä, jotka toimivat niin sanotusti portinvartijoina val-vomalla solujen jakautumista ja apoptoosia. Nämä geenit vaikuttavat muihin soluihin estämällä nii-den jakautumista tai kiihdyttämällä apoptoosia. Geenit esiintyvät spesifeinä tietyissä kudoksissa tai elimissä. Esimerkiksi APC-geenin mutaatio voi aiheuttaa paksusuolisyöpää, mutta ei munu-aissyöpää, kun taas VHL-geeni toimii päinvas-toin. Tunnetuimpia gatekeeper-geenejä ovat p53, RB1, NF1 sekä APC. (D van Heemst ym. 2007, K Hunt ym. 2007, H Joensuu ym. 2007)

Caretakers

Nämä niin sanotut huolehtija-geenit suojaavat soluja mutaatioilta valvomalla ja ylläpitämällä DNA:n eheyttä. Caretakers-geenit eivät suoraan estä tai vaikeuta solujakautumista, vaan korjaa-vat DNA:han syntyneitä vaurioita sekä estävät mutaatioiden syntyä ja kasautumista. Careta-kers-geenien inaktivoitumisen seurauksena nor-maalien solujen muuttuminen neoplastisiksi so-luiksi todennäköistyy. Tunnetuimpia caretaker-kasvunrajoitegeenejä ovat p53, BRCA 1, BRCA 2, MLH1 ja MSH2. (D van Heemst ym. 2007, K Hunt ym. 2007, H Joensuu ym. 2007)

Landscapers

Landscaper-kasvunrajoitegeenit toimivat solu-jen kasvuympäristön ylläpitäjinä. Ne estävät ko. ympäristöä muuttumasta syövän kasvua varten edulliseksi. Yhtenä esimerkkinä landscapereistä voi mainita TSP1-geenin, jonka mutaatiota seu-raava inaktivoituminen liittyy etenkin gastrisen

karsinooman syntyyn. (J Lawler ym. 2001, D van Heemst ym. 2007, K Hunt ym. 2007, H Jo-ensuu ym. 2007)

Kasvunrajoitegeeni p53Kasvunrajoitegeeni p53 säätelee genomin yhte-näisyyttä ja kontrolloitua solukasvua. Biallee-lisesti mutatoitunut tai puuttuva p53-geeni löy-detään yli puolista ihmisten syövistä. Vajaassa puolessa syöpäkasvaimista p53 on normaalira-kenteinen, mutta muista syistä toimimaton. Myös koe-eläintutkimukset tukevat havaintoa p53:n suuresta merkityksestä tuumoreiden synnyssä. Esimerkiksi p53-poistogeeninen hiiri on jo hyvin varhain altistunut eri kasvaimille. (C Klein ja LT Vassilev 2004, E C Pietsch ym. 2008) p53-geenin normaalia alempi aktiivisuus voi saada aikaan li-sääntyneen solukasvun. Geenin tuotteen pitoisuus on pidettävä matalana soluissa, sillä suurentunut pitoisuus voi estää solun normaalia toimintaa. Geenin säätely perustuu niin kutsuttuun negatii-viseen takaisinkytkentään. Tässä säätelyssä on pääroolissa p53:n regulaattori, MDM2. Kuten p53:lla myös MDM2:lla on lyhyt puoliintumisai-ka. Tumansisäisen p53-tason noustessa aktivoituu MDM2-geenin transkriptio ja näin MDM2-prote-iinin pitoisuus nousee. MDM2 estää p53:n toimi-misen transkriptiotekijänä sitoutumalla kohtaan, jolla p53 tarttuu DNA:han. MDM2 saa myös ai-kaan p53:n hajoamisen, joka tapahtuu ubikitiini-proteasomijärjestelmän kautta, kun MDM2:n tuote E3-ubikitiiniligaasi on saanut aikaan p53:n ubikinaation. Lopulta ubikitiini-p53-kompleksi tuhotaan soluliman proteasomeissa. Normaalisti toimiva takaisinkytkentälooppi pitää sekä p53:n että MDM2:n pitoisuudet tumassa hyvin alhaisi-na. (C Klein ja LT Vassilev 2004, E. S 2004)

210

solun altistuminenkarsinogeenisellerasitukselle

p53

p53-aktiivisuudenkasvu

Toimiminen eri geenien transkriptio-tekijänä

mm. solusyklin ja apoptoosinsäätely

MDM2-proteiinin pitoisuudennousu

MDM2

p53

MDM2

aktiivinen p53

Inaktiivinen p53

MDM2 inaktivoi p53:np53

MDM2p53:n ubikinaatioMDM2:n toimesta

ubikitiini-p53-kompleksintuhoutuminen solulimanproteasomeissa

Kuva 2: p53- MDM2 vuorovaikutus

p53-geenin aktiivisuus voi lisääntyä kun solu al-tistuu esim. rasitukselle, DNA:ta vaurioittavalle aineelle tai muulle karsinogeeniselle toiminnalle kuten säteilylle tai reaktiivisille happiyhdisteille. Yksinkertaistaen voisi sanoa, että p53 havaitsee DNA:n vaurioitumisen, pysäyttää solun jakautu-misen, antaa solulle aikaa korjata DNA-vaurio ja mikäli vaurio ei ole korjattavissa, laukaisee apoptoosin. Näin toimimalla p53 estää muta-toituneen DNA:n siirtymisen seuraavaan solu-sukupolveen ja mahdollisen tuumorin synnyn. p53 säätelee myös osaltaan solun vanhenemista ja erilaistumista, sekä inhiboi angiogeneesia, eli verisuonten muodostumista tuumoriin. (K Ad-delman 2004, E C Pietsch ym. 2008, Zhao Y ym. 2009)

Syöpä voi saada alkunsa kun p53 inaktivoituu syystä tai toisesta. Syitä voivat olla esim. gee-nin mutaatio tai lisääntynyt MDM2-aktiivisuus. Inaktivoitunut p53 menettää kykynsä kontrol-loida solukasvua. Tämän takia p53:n uudellee-naktivoimista tietyissä syöpätyypeissä onkin tutkittu paljon. On yritetty kehittää lääkeainetta, joka voisi estää spesifisesti p53:n ja MDM2:n fyysisen vuorovaikutuksen ja siten ylläpitää p53:n kyvyn toimia transkriptiotekijänä. Tässä tapauksessa puhutaan kasvaimista, joissa p53-proteiinin toiminta on estynyt ilman p53:n mu-taatiota. Tällaisia kasvaimia ovat esimerkiksi useat sarkoomat, joissa p53:a hajottava ja inak-

tivoiva MDM2-toiminta on liiallista ja vahvis-tunutta. Vuonna 2004 onnistuttiin kehittämään peptidi, joka asettuu spesifisesti samaan kohtaan MDM2-proteiinia kuin p53. Näin sitoutuminen p53:een estyy ja p53 säilyy aktiivisena huolimat-ta MDM2:n toiminnan yliaktiivisuudesta. Tämä johtaa ideaalitilanteessa syöpäsolujen kasvun pysähtymiseen ja apoptoosiin. Näitä proteiinien MDM2-p53-vuorovaikutusta inhiboivia mole-kyylejä on tutkittu viime vuosina intensiivisesti. Tiettyjen molekyylien kohdalla, kuten Nutlii-ni-3, kehitystyö on edennyt jo myöhäiseen prek-liiniseen vaiheeseen tai kliinisen vaiheen alkuun. (E. S 2004, G Sarek ym. 2007, S Shangary ja S Wang 2008)

p53 ei ole kuitenkaan yksin vastuussa vaurioi-tuneiden tai poikkeavasti lisääntyvien solujen tuhoamisesta. Kasvunrajoitegeeniä p53 auttaa työssään tietyissä tilanteissa sen kaksi homolo-gia, p63 ja p73. Näillä homologeilla on saman-laisia kasvunrajoiteominaisuuksia kuin p53:lla. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ihmisten syövissä p63:n ja p73:n mutaatioita esiintyy harvoin. Näiden geenien ilmentymisessä on kuitenkin havaittu muutoksia syöpätapauksissa. p63:n ja p73:n eri isoformien muuttunut ilmen-tyminen voi aikaansaada eri syöpiä riippuen nii-den isoformista ja ilmentymisen muutoksesta. (E C Pietsch ym. 2008)

211

Retinoblastoomageeni (RB1)RB1-geenin mutatoituminen ja sen seuraukse-na tuotteen inaktivoituminen voi saada aikaan retinassa solujen hallitsematonta proliferaatio-ta ja näin ollen syöpäsolukon syntyä. Tapah-tumasta saattaa kehittyä retinoblastooma eli verkkokalvonsyöpä. Tauti on melko usein periy-tyvä. Kyseinen perinnöllisyys voidaan selittää Alfred Knudsonin vuonna 1971 kehittämällä kaksivaiheteorialla. Knudsonin mukaan solu

sivuuttaa normaalin kasvukontrollinsa, mikä-li kasvunrajoitegeenit inaktivoituvat mutaation seurauksena. Normaalisti soluissa on kummal-takin vanhemmalta perityt vahingoittumattomat kromosomit, jotka sisältävät tuhansia geenejä. Kuitenkin toisessa kromosomissa saattaa esiin-tyä peritty mutaatio tietyssä geenissä. Toisen kromosomin saman kyseisen geenin kohdatessa mutaation, inaktivoituu koko geeni, jolloin syö-päsolukon synty todennäköistyy. (T Gelehrter ym. 1998, A Kierszenbaum 2007)

Kuva 5: Alfred Knudsonin kaksivaiheteoria (mukailtu Lori Demmer, 2005)

Neurofibromatoosi-geeniNeurofibromatoosityyppejä on useita, joista tun-netuimmat ovat neurofibromatoosi 1 eli NF1 ja neurofibromatoosi 2 eli NF2. NF1 on dominan-tisti periytyvä iho- ja hermokudosoireyhtymä, josta kärsivillä ilmenee ruskeita laikkuja ihossa sekä hyvänlaatuisia ihokasvaimia. Tauti aiheu-tuu NF1- kasvunrajoitegeenin mutaatiosta. Gee-nin normaali tuote on proteiini, neurofibromiini, jota esiintyy erityisesti hermoston oligodendro-syyteissä sekä Schwannin soluissa. Mutaatio ai-heuttaa muuttuneen neurofibromiinin tuotannon, jolloin kyseinen proteiini ei enää pysty rajoitta-maan solujen kasvua ja proliferaatiota tarvitulla tavalla ja näin kasvaimien, kuten neurofibroomi-en muodostuminen mahdollistuu.

Neurofibromatoosi tyyppi 2 on eri sairaus kuin tyyppi 1, mutta ilman perusteellista geenitutki-musta kyseisiä sairauksia on lähes mahdotonta erottaa toisistaan. NF2- kasvunrajoitegeeni si-sältää ohjeet merliini-proteiinin valmistukseen. Merliiniä esiintyy etenkin perifeerisen hermos-ton Schwannin soluissa, joissa se toimii kasvun-rajoittajana. Sen on havaittu kontrolloivan myös solujen liikettä, muotoa ja solujen välistä kom-munikointia. Mutaation seurauksena inaktivoi-tunut merliini ei pysty kontrolloimaan kyseisiä tehtäviä ja solujen hallitsematon kasvu ja proli-feraatio kiihtyvät. (M Pöyhönen 2001, Genetics Home Reference 2007, A Kierszenbaum 2007)

212

Lähteet

Addelman K. Nutlins flip the switch on cancer cells. National Review of Medicine 2004; 1(3).

C Klein, LT Vassilev. Targeting the p53-MDM2 interaction to treat cancer. British Journal of Cancer 2004: 91, s. 1415–1419.

E. S. Pieni peptidi avain p53-syöpägeenin hallintaan. Duodecim 2004; 120: 1316

Genetics Home Reference. Neurofibromatosis 1 and 2. 2007 (Luettu 11.9.09). Saatavissa: http://www.ghr.nlm.nih.gov/condition=neurofibromatosistype2 http://www.ghr.nlm.nih.gov/condition=neurofibromatosistype1

Hunt Kelly, Vorburger Stephan A, Stephen G Swisher. Gene therapy for cancer. 2007; 177–179.

Joensuu Heikki, Peter J Roberts, Lyly Teppo, Mikko Tenhunen (toim.). Syöpätaudit. Duodecim. 2007; 25–28).

Kierszenbaum A. Histology and Cell Biology. An Introduction to Pathology. Second edition. Mosby Elsevier. 2007; 46–48, 56.

Lawler Jack, Wei-Min Miao, Mark Duquette, Noel Bouck, Roderick T Bronson, Richard O Hynes. Thormbospondin 1 Gene expression affects survival and tumor spectrum of p53 deficient mice. Am J Pathol. 11/2001; 159(5): 1949–1956.

Myllyharju Johanna. Syöpä, syöpägeenit ja kasvutekijät [luentomateriaali]. Oulun Yliopisto, Lääketieteellisen biokemian ja molekyylibiologian laitos 2009.

Pietsch E, S Sykes, S McMahon, M Murphy. The p53 family and programmed cell death. Oncogene 2008; 27(50): 6507–6521.

Pöyhönen Minna. Väestöliiton perinnöllisyysklinikka. 2001 (Luettu 11.9.09) Saatavissa: http://www.vaestoliitto.fi/perinnollisuus/tietolehtiset/neurofibromatoosi_nf1/

Sanjeev Shangary, Shaomeng Wang. A Novel Approach for Cancer Therapy. 2008. (Luettu 11.9.09). Saatavissa: http://arjournals.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.pha rmtox .48 .113006 .094723?ur l_ver=Z39.88–2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%3dncbi.nlm.nih.gov

Sarek G, S Kurki, J Enbäck, G Iotzova, J Haas, P Laakkonen, M Laiho, P Ojala. Reactivation of the p53 pathway as a novel treatment modality for KSHV-induced lymphomas. Duodecim 2007:123, s. 869–870.

Thomas D. Gelehrter, Francis S. Collins, David Ginsburg. Principles of medical genetics. 1998: 257–262.

van Heemst D, P.M den Reijer, R.G J. Westendorp. On the Role of Caretakers and Gatekeepers. European Journal of Cancer 2007; 43(15): 2144–2152.

Zakrzewski S. Environmental toxicology. 2002; s. 95–96.Zhao Y, Chen XQ, Du JZ. Cellular adaptation to hypoxia

and p53 transcription regulation. J Zheijang Univ. Sci B. 5/ 2009: 10(5): 404–410).

213

C4 Apoptoosi ja nekroosi – solukuolemien eroja ja yhtäläisyyksiäOllila, Meri-Maija & Raninen, EllinooraSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto11.9.2012Tarkastaja: Mika Kaakinen

TiivistelmäApoptoosi ja nekroosi ovat molemmat solun kuo-lemisprosesseja, joiden mekanismi ja lopputulos ovat kuitenkin erilaisia. Apoptoosi on välttämä-tön prosessi elimistön normaalille kehittymiselle ja toiminnalle. Sen avulla solu hankkiutuu eroon vanhoista ja vaurioituneista soluista. Se onkin tarkkaan ohjattu energiaa vaativa tapahtumaket-ju, joka voi saada alkunsa ulkoisen tai sisäisen tekijän vaikutuksesta.

Nekroosi sen sijaan esiintyy usein akuutin vam-man, kuten iskemian eli kudoksen hapen puut-teen jälkeen. Apoptoosin ja nekroosin tärkeim-mät erot syntyvät solujen hajoamisen aikana: apoptoosissa solun hajoamistuotteet ympäröi-dään kalvorakenteilla, kun taas nekroosissa so-lun sisältö vapautuu spontaanisti ympäristöön sellaisenaan. Tämä saa aikaan tulehdusreaktion, mitä apoptoosissa ei synny.

Nykyään tutkijat ovat kuitenkin ehdottaneet, että solukuolemien jako apoptoosiin ja nekroosiin olisi vanhanaikainen ja yksinkertaistettu malli. Lisäksi aikaisemmin apoptoosi ja ohjelmoitu solukuolema käsitettiin synonyymeiksi, mutta nykytutkimus on osoittanut, että on olemassa myös kaspaasista riippumattomia ohjelmoituja solukuolemismekanismeja.

JohdantoSolun normaaliin elämänkiertoon kuuluu van-heneminen. Eräillä solutyypeillä sykli on varsin nopea: esimerkiksi suolen epiteeli uudistuu 3–5 vuorokauden välein, kun taas toiset solut uusiu-tuvat huomattavasti harvemmin. Elimistö hank-kiutuu vanhoista soluista eroon apoptoosin eli ohjelmoidun solukuoleman avulla, jolloin uusille soluille on tilaa kasvaa (Arumäe ym. 1997). Toi-saalta myös muun muassa virukset ja uv-säteily vahingoittavat soluja. Näitä vaurioita pystytään korjaamaan mutta toisinaan vauriot ovat peruut-tamattomia, jolloin solut poistetaan apoptoosin

avulla. Apoptoosissa solu etenee järjestelmälli-sesti kohti kuolemaa, mutta samalla myös kohti sisäistä tasapainoa, homeostaasia.

Nekroosi on kontrolloimaton tapahtumaketju, joka johtaa solun kuolemaan. Solun vaurioitumi-nen saa aikaan nekroosin. Nekroottisia soluja on yleensä useita samassa paikassa koska nekroosin käynnistää muutokset solun ulkopuolella. Lo-pulta solun sisältö vapautuu ympäristöön, minkä vuoksi nekroosi aiheuttaa tulehdusreaktion.

Kuva 1: Apoptoosi ja nekroosi

Apoptoosin mekanismi

Apoptoosin alku, eteneminen ja säätely

Solun hengissä säilyminen ja toisaalta apoptoo-sin alkaminen riippuu solun saamien signaalien suhteesta. Aktiiviset kaspaasit ja sytoplasman Bax-proteiini pyrkivät koko ajan aloittamaan apoptoosin, kun taas Bcl-perheen proteiinit ovat niiden vastavaikuttajia. Ne vaikuttavat mito-kondrion sisäkalvon läpäisevyyteen, mikä puo-lestaan vaikuttaa siihen vapautuuko solulimaa sytokromi c:tä, Smac/Diabloa, AIF:ää ja endonu-kleaasi G:tä, jotka kaikki ovat apoptoosia edistä-viä tekijöitä (Guimãraes ym. 2004). Solujen erit-

214

tämät kasvutekijät pitävät muita soluja hengissä, joten näiden signaalien puute johtaa apoptoosiin. Samoin solun tarttuminen soluväliaineeseen lau-kaisee apoptoosia ehkäiseviä viestejä.

Apoptoosia ohjaavat solun sisäiset ja ulkoiset tekijät. Solun sisäisistä tekijöistä esimerkiksi DNA:n vaurioituminen ja sytokromi c:n vapau-tuminen saavat aikaan vasteen, joka johtaa so-lukuolemaan, kun kaspaasit aktivoituvat. DNA:n vaurioituminen aktivoi normaalisti solulimassa sijaitsevan transkriptiotekijä p53:n, joka siirtyy tuman sisään ja muuttaa siellä eri geenien ilmen-tymistä. Se muun muassa pysäyttää solusyklin, käynnistää DNA-vaurion korjaamisen ja aktivoi Bax-geenin. DNA-vaurion laajuudesta riippuu, onnistuuko korjaus vai ajautuuko solu apoptoo-siin.

Solun pinnalla on reseptoreita, joita voivat ak-tivoida muun muassa sytokiinit eli liukoiset tulehdustekijät sekä tulehdussolujen resepto-rit. Ulkoisten ja sisäisten tekijöiden aiheuttama apoptoosin mekanismin etenemisreitit eroavat toisistaan mutta päätyvät lopulta samaan tulok-seen, solun kuolemaan (Heino ym. 2010).

Ulkoiset signaalit, joista tärkeimpiä ovat Fas-ligandi ja tuumorinekroosi tekijä-1 TNFR-1, sitoutuvat solun pinnalla oleviin reseptoreihin. Fas-ligandi kiinnittyy Fas-reseptoriin (tunnetaan myös nimillä APO-1 ja DC95), joka on solukal-

von proteiini. Fas-proteiinissa on kolme saman-laista alayksikköä eli domeenia, jotka trime-risoituvat, kun Fas-ligandi kiinnittyy proteiiniin. Tämä polymeeri tarttuu FADD-soviteproteiiniin ja sen välityksessä kysteiini-proteaasi kaspaasi-8:ksaan, jolloin muodostuu DISC-kompleksi (death-inducing signaling complex), joka aloit-taa apoptoosin. TNFR-1 toimii hyvin samanlai-sessa tavalla mutta sen aktivoi liukoinen sytokii-ni TNF-alfa.

Aktivoituneella kaspaasi-8:lla on kahdenlaisia vaikutuksia. 1) se voi muokata prokaspaasi-3:n aktiiviseksi kaspaasi-3:ksi, joka pilkkoo solup-lasman proteiineja sekä tumassa sijaitsevan kro-mosomalisen DNA:n. 2) Kaspaasi-8:ksan voi myös pilkkoa Bid:in, joka on Bcl-2 ryhmään kuuluva apoptoosia inhiboiva tekijä. Pilkkoutu-nut Bid kulkeutuu mitokondrioon, missä se aihe-uttaa sytokromi c vapautumisen sytoplasmaan. Se taas aktivoi kaspaasi-9:sän, joka osallistuu apoptosomin rakentamiseen. Se muodostuu, kun kaspaasi-9:sän liittyy ensin sytoplasmassa olevaa Apaf-1-proteiiniin (muodostuu Apaf-1-oligomeeri), johon liittyy entistä enemmän proteiineja ja lopulta syntyy apoptosomi (Kiers-zenbaum 2007). Kaspaasi-9:sän ja muut aktivoi-tuneet kaspaasit voivat kiinnittyä myöhemmin apoptosomiin. Aktivoituneet kaspaasit saavat aikaan noidankehän, jossa Bcl-2 hajoaa ja lisää kaspaaseja aktivoituu.

Kuva 2: Apoptoosin säätely

215

Apoptoosi etenee, kun solun kromatiini tiivistyy, kasaantuu tumakoteloa vasten ja lopulta pilko-taan noin 200 emäsparin pituisiksi pätkiksi. So-lun koko pienenee ja muoto muuttuu. Tumakote-lo ja solun tukiranka hajotetaan ja ympäröidään kalvoilla. Solukalvo kuplii, ja solu menettää kiinnittymisen ympäristöönsä. Lopulta solu ha-joaa kokonaan useiksi solukalvon ympäröimik-si rakkuloiksi, jotka makrofagit ottavat sisään-sä ja hajottavat lopullisesti apoptosoidun solun makromolekyylit (Heino ym. 2010).

Apoptoosin vaikutukset ja analysointi

Apoptoosin avulla elimistö voi poistaa tarpeet-tomia ja vaurioituneita soluja ilman tulehdusre-aktiota tai viereisten solujen vahingoittumista. Sikiön kehityksen aikana on myös useita tilan-teita, joissa apoptoosia tarvitaan. Esimerkiksi muodostuvien sormien ja varpaiden ympäriltä eliminoidaan ylimääräinen kudos apoptoosilla. Samoin kehittyvästä keskushermostosta pois-tetaan turhat neuronien yhteydet ja synapsit apoptoosilla. Aikuisessa yksilössä mm. ääreisve-renkierron vanhat granulosyytit ja elimistön nor-maalin kudoksen kanssa reagoivat T-lymfosyytit sekä mutatoituneet solut käyvät läpi apoptoosin (Kierszenbaum 2007).

Liiallinen apoptoosi voi olla syynä kehityshäi-riöihin sekä Alzheimerin, Parkinsonin ja Hun-tingtonin tauteihin. Toisaalta apoptoosin puut-tuminen on yhdistetty autoimmuunisairausiin, syövän syntyyn ja pitkittyneisiin virusinfektioi-hin (Jäättelä 1997).

Solujen kuolemista voidaan havaita ja analysoi-da esimerkiksi TUNEL:in ja kaspaasiaktiivisuus-menetelmien avulla. TUNEL kehitettiin vuon-na 1992 Gavrielin ym. toimesta, ja se perustuu apoptoosissa tapahtuvaan DNA:n pilkkoutumi-seen. Terminaalinen deoksinukleotiditransferaa-si (TdT) kiinnittää merkkiaineen dUTP spesifi-sesti apoptoosissa pilkotun DNA:n 3`-pään OH-ryhmään, jolloin pilkkoutunutta DNA:ta voidaan tutkia geelielektroforeesissa tarkemmin (Gavriel ym. 1992). TUNEL:in rajoituksiin on kuitenkin kuulunut mm se että sillä voidaan analysoida vain tietynlaisia näytteitä. Sen ominaisuuksia ja spesifisyyttä onkin sitten parannettu huomatta-vasti (Negoescu ym. 1996). Kaspaasiaktiivisuus-menetelmät perustuvat aktivoitavien kaspaasien määrän mittaamiseen. Erilaisia solukuoleman analysointi menetelmiä on kuitenkin valtavasti. Edellä mainittujen lisäksi löytyy DNA:n pilk-

koutumisanalyysi sekä luminesenssiin, fluero-senssiin ja kolorimetriaan perustuvia analyysejä. Uusimmat tekniikat ovat niin kutsuttuja ”lisää-sekoita-mittaa” – menetelmiä, jotka mahdollista-vat kaspaasiaktiivisuuden määrittämisen suoraan näytteestä (Niles ym. 2008).

Nekroosin mekanismi

Nekroosiin johtavat tekijät

Nekroosi aiheutuu yleensä solun ympäristön muutoksista. Solun ulkopuoliset tekijät voivat olla joko fysikaalisia tai kemiallisia kuten iske-mia eli hapen puute, lämpötilan muutos, matala pH, myrkyllinen yhdiste, viruksen aiheuttama infektio tai komplementin sitoutuminen. Pula ATP:stä sekä happiradikaalit ovat merkittäviä nekroosin laukaisijoita. Happiradikaaleja syn-tyy jatkuvasti muun muassa soluhengityksessä. Soluilla on happiradikaaleja vastaan hyvä suoja-mekanismi, joka voi kuitenkin heikentyä. Silloin radikaalien määrä voi olla jopa niin suuri että solu ajautuu nekroosiin. Näiden tekijöiden li-säksi myös säteily ja mekaaninen ärsytys voivat aiheuttaa nekroosia (Niemi ym. 1995). Lisäksi nekroosia aiheuttavat erilaiset bakteerit, viruk-set ja alkueläimet, sekä jopa eräät immuunipuo-lustuksen solut, kuten vatsakalvon magrofagit (Proskuryakov ym. 2003).

Nekroosin päätapahtumat

Nekroosi on hallitsematon tapahtumasarja, joka johtaa solun kuolemaan. Toisin kuin apoptoosi, nekroosi ei vaadi energiaa tapahtuakseen. Nek-roosi alkaa kun solukalvo vaurioituu ja solun sisään alkaa virrata vettä ja ioneja solun ulko-puolelta. Ensin turpoaa solulima, koska sileä en-doplasmakalvosto laajenee ja ribosomit irtoavat karkean endoplasmakalvoston pinnasta. Lisäksi solukalvoon ilmaantuu soluliman pullistumia. Nämä eivät vielä välttämättä johda solun kuole-maan, mutta jos turpoaminen jatkuu, on kuolema solun vääjäämätön kohtalo. (Niemi ym. 1995)

Solun turpoamisen laajeneminen soluelimiin on varma merkki nekroosiin joutumisesta. Etenkin mitokondrioiden suuri laajeneminen sekä elekt-ronitiheiden saostumien ilmaantuminen niiden ytimiin merkitsee ehdotonta kuolemaa. Saostu-mat aiheutuvat proteiinien denaturoitumisesta sekä kalsiumfosfaattikiteistä. Lopulta solu on turvonnut niin paljon että sen tukiranka ja solu-

216

kalvoa hajoaa. Tuma säilyy ehjänä pisimpään. Hajonneen solun sisältö vapautuu solun ulko-puolelle. Tämä aiheuttaa tulehdusreaktion. (Nie-mi ym. 1995).

Nekroosia aiheuttavia tekijöitä on paljon, joten on ymmärrettävää että se liittyy myös moniin sairauksiin. Esimerkiksi syöpäkudoksessa on usein kuolioalueita, etenkin säde- ja lääkehoidon seurauksena. Muita sairauksia, joissa esiintyy nekroosia, ovat muun muassa Alzheimerin tauti, Creutzfeldt-Jakobin tauti sekä epilepsia. Näissä kolmessa sairaudessa nekroosia esiintyy hermo-soluissa. (Proskuryakov ym. 2003)

Nekroosista voi olla myös hyötyä, sillä sitä ta-pahtuu patologisien prosessien ohella myös fy-siologisissa prosesseissa. Muun muassa alkion-kehityksessä sekä kudosten normaalissa uusiutu-misessa nekroosia esiintyy apoptoosin rinnalla. Esimerkiksi ohutsuolen uusiutumisessa tapahtuu sekä apoptoosia että nekroosia. On myös tutkit-tu että nekroosia voitaisiin käyttää terapeuttisiin tarkoituksiin esimerkiksi käynnistämällä aktii-visesti syöpäkudoksen tuho. (Proskuryakov ym. 2003).

Apoptoosin ja nekroosin lisäksi on olemassa myös muita solukuoleman muotoja. Esimerkiksi kaspaasivapaassa solukuolemassa AIF, EndoG ja LDNAsell aktivoivat samat kuolonreseptorit kuin apoptoosissa ja saavat solun ajautumaan kuolontielle. Lisäksi on havaittu että nekroosi voi olla myös ohjelmoitua. Tutkimuksesta on käynyt ilmi että nekroosiin liittyy samoja teki-jöitä kuin apoptoosiin. Esimerkiksi Bcl-2. (Gui-marães ym. 2004).

Lähteet

Arumäe U., Haltia M. ja Sariola H. Apoptoosi hermoston kehityksessä ja rappeutumistaudeissa. Duodecim. 113. 1997.

Gavrieli Y., Sherman Y. ja Ben-Sasson S. A. Identification of Programmed Cell Death In Situvia Specific Labeling of Nuclear DNA Fragmentation. The Rockefeller University Press. 119 .1992.

Guimarães CA, Linden R. Programmed cell death: Apoptosis and alternative deathstyles. Eur. J. Biochem. 271. 2004, s. 3 ja7.

Heino J., Vuento M. Biokemian ja solubiologian perusteet. WSOYPro. 2010 s.281–286

Jäättelä, M. Apoptoottisen solukuoleman mekanismit. Duodecim. 113. 1997.

Kierszenbaum AL. Histology and cell biology. Mosby 2007. s.97–10

Negoescu A., Lorimier P., Labat-Moleur F., Drouet C., Robert C., Guillermet C., Brambilla C. ja Brambilla E. In Situ Apoptotic Cell Labeling by the TUNEL Method:

Improvement and Evaluation on Cell Preparations. The Journal of Histochemistry and Cytochemistry vol. 44. 1996. Löytyy osoitteesta: http://jhc.sagepub.com/content/44/9/959.full.pdf+html

Niemi M, Virtanen I, Vuorio E. Solu- ja molekyylibiologia. Weilin+Göös. 1995, s.268–271.

Niles AL, Moravec RA ja Riss TL. Caspase activity assays. Methods Mol Biol. 414. 2008

Proskuryakov S.Y., Konoplyannikov A.G. ja Gabai V.L. Necrosis: a specific form of programmed cell death? Elsevier Science: Experimental Cell Research 283: 1–16. 2003.

217

C5 Solujen toiminnan epigeneettinen säätely – hankittujen ominaisuuksien periytymisen mekanismitPulkkinen, Johannes & Punkeri, TomiSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto11.9.2012Tarkistaja: Siri Lehtonen

Tiivistelmä Periytyvät muutokset geenin ilmentymisessä ovat epigeneettisiä muutoksia. Epigeneettiset muutokset eivät muuta DNA:n emäsjärjestystä. Solujen normaalissa toimintakierrossa epigeneet-tiset muutokset passivoivat ja aktivoivat geene-jä. Muun muassa DNA:n metylaatio, histonien post-translationaaliset muutokset, nukleosomira-kenteen muut taminen ja ei koodaavaan RNA:n toiminta ovat epigeneettisiä muutoksia. Histoni-koodi tarkoittaa tiettyjen histonien ja nii hin liitty-vien proteiinien epigeneettisiä muutoksia. Histo-nien post-translationaalisia muu toksia ovat mm. fosforylointi, metylointi, asetylointi, ubikinointi ja sumolaatio. Nukleosomi raken netta muuttavat erilaiset proteiinikompleksit. Esi merkiksi syö-vissä onkogeenien aktivoituminen ja kasvainten estäjä-geenien hiljentyminen ovat epigeneettisten muutosten vaikutuksia. Epigeneetti siä muutoksia aiheuttavien tekijöiden määrää kudoksissa voi-daan mitata. Esimer kiksi syöpä kasvaimen kykyä lähettää etäpesäkkeitä voidaan arvioida mittaa-malla näitä teki jöitä. (Alberts ym. 2008, Hall-grímsson ym. 2011 ja Tollervey ym. 2012)

JohdantoTranskriptiotekijät ovat merkittävä tekijä geenieks-pressiossa ja solujen erilaistumisessa. Kuitenkin so-lujen sen hetkinen erilaistumisvaihe vaikuttaa nii-hin, eivätkä ne siksi välttämättä pysty aktivoimaan tiettyä geeniä. Transkriptiotekijöiden pääsyä geenin promoottorialueelle voi estää esimerkiksi kroma-tiinin tiukka pakkautuminen heterokroma tiiniksi. Epigeneettiset muutokset edesauttavat transkriptio-tekijöiden sitoutumista geenin pro moottorialueelle muuttamalla kromatiinirakennetta. Näin juuri tietyt geenit voivat olla aktiivi sia. Epigeneettiset muu-tokset tapahtuvat suoraan DNA:han, histoneihin ja nukleosomiraken teeseen. DNA:n emäsjärjestyksen muutokset eivät ole epigeneettisiä muutoksia. Epi-geneettiset muutokset periytyvät geneettisen tiedon tavoin. (Hallgrímsson ym. 2011)

Suoraan DNA:han tapahtuvat epigeneettiset muutokset

DNA:n metylointi

Solujen erilaistuminen ja alentunut transkriptio-aktiivisuus (esimerkiksi X-kromosomin hil-jentyminen) ovat DNA:n metylaation vaikutuk-sia. Siinä metyyliryhmä liittyy kovalenttisesti johonkin nukleotidiin. Selkärankaisilla metyyli-ryhmän kiinnittyminen tapahtuu ainoastaan sy-tosiiniin. DNA:n metylaation vastavaikuttaja on demetylaatio, joka voi tapahtua passiivi sesti tai aktiivisesti. Passiivisesti se tapahtuu silloin, kun metylaatiota aiheuttavien entsyymien pääsy es-tetään tytärsolujen DNA:lle. Aktiivisesti deme-tylaatio tapahtuu erilaisten entsyymien välityk-sellä. (Tollervey ym. 2012)

CpG-saarekkeet ovat sytosiinia ja guaniinia run-saasti sisältäviä DNA-alueita, joissa sytosiinin ja guaniinin välillä on fosfodiesterisidos. Mikäli CpG-saarekkeet ovat sijoittuneena ”house-hol-ding” geenien (aktiivisia geenejä) promoottori-alueille, jäävät niiden sytosiinit usein me tyloitu-matta. Mikäli promoottorin CpG-saarekkeet metyloidaan, vähenee usein geenin tran skriptio-aktiivisuus. Metyloituneet CpG-saarekkeet häiritsevät transkription aloitusta kahdella ta-valla: ne voivat estää transkriptiotekijöitä kiin-nittymästä promoottorialueelle tai muuttavat metyloi tuessaan kromatiinirakennetta. (Alberts ym. 2008 Tollervey ym. 2012)

DNA:n metylaatio pystyy periytymään jälkeläis-soluille. Tämä perustuu metylaasi-entsyymien kykyyn tunnistaa ”kaava”, jolla DNA kuuluu metyloida. Metylaasi-entsyymit metyloivat ty-tärsolujen sytosiinit vanhempien solujen mety-laatioiden mukaisesti. (Alberts ym. 2008 467.Tollervey ym. 2012)

218

Kuva 1: DNA:n sytosiiniemäksen metylaatio. 5-hiileen on liittynyt metyyliryhmä.

Keuhkosyöpä on erittäin monimuotoinen sairaus sekä geneettisesti että epigeneettisesti. DNA:n metylaatiomäärät vaihtelevat keuhkosyöpätyyp-pien välillä. Tulevaisuudessa tulee mahdollisesti olemassa DNA:n metylaatioon liittyviä indikaat-toreita, joilla voidaan arvioida keuhkosyövän ennustetta. Esimerkiksi eräässä magnoidisessa keuhkosyövässä (keuhkosyövän molekulaarinen alatyyppi) on havaittu tavallista runsaampaa me-tylaatiota (hypermetylaatio) verrattuna muihin keuhkosyöpiin tai tavalliseen keuhkokudokseen. (Wilkerson ym. 2012)

Somaattisissa soluissa olevan kasvainten kas-vamista estävän geenin TP53 metylaatio liittyy olennaisesti syövän syntyyn. Metyyliryhmän läsnäolo CpG saarekkeesa TP53-geenin koodaa-vassa alueessa lisää ultraviolettivalon aiheutta-mia mutaatiota monissa ihosyövissä. (Jones ym. 2002)

DNA:n metylaation merkitys solujen erilaistumisessa

Alkeissukusoluissa monien geenien DNA-me-tylaatiokaava uudelleenohjelmoidaan DNA:n demetylaation ja sitä seuraavan de novo -mety-laation johdosta. De novo -metylaatio tarkoittaa eliön alkuvaiheessa tapahtuvia metylaatioita. (Cassandra ym. 2008)

Kantasolujen pluripotenttiuteen viittaavat geenit ovat usein hypometyloituja (vähän metylaa tiota) ja somaattiset (erilaistuneet) solut hypermety-loituja (paljon metylaatiota). Pluripotenttiuteen viittaavien geenien promoottorialu eiden mety-laatio on merkittävä tekijä yksilön solujen eri-laistumisessa. DNA:n metyloitumi nen voidaan havaita munasolussa mittaamalla geenin koo-daavan proteiinin pitoisuus siinä. (Ooi ym. 2007 Cassandra ym. 2008)

Nukleosomirakenteen muutokset

Nukleosomirakenne

Nukleosomi koostuu kahdeksasta toisiinsa liit-tyneestä histoni-proteiinista, jotka muodostavat yhdessä oktameerirakenteen, ja niiden ympäril-le kiertyneestä DNA-ketjusta. Ydinhistonit ovat H2A, H2B, H3 ja H4. H1-histoni toimii yhdis-tävänä proteiinina nukleosomien vä lillä. Ydin-histoneista työntyy ulos aminopää (”histonien hännät”), joihin kohdistuu monia ko valenttisia muutoksia. (Alberts ym. 2008)

Kuva 2: Nukleosomin rakenne.

Histonien metylaatio

Histonien metylaatiossa metyyliryhmä liittyy histoniproteiiniin. Tunnetuimmat histonien me-tyylitransferaasit ovat TrxG (trithorax-ryhmä)- ja PcG (polycomb-ryhmä)-kompleksit. TrxG-kompleksi aktivoi transkriptiota ja PcG deakti-

219

voi sitä. Histonien metylaatio ei siis välttämät-tä ole repressiivinen tapahtuma ku ten DNA:n metylointi. Histonien metylaatiota on olemassa kolmea tyyppiä: mono-, di- ja trime tylaatiota. Nämä voivat aiheuttaa keskenään ristikkäisiä vaikutuksia geeniekspressioon. Esi merkiksi H3K27 ja H3K70 monometylaatiot johtavat gee-nin aktivaatioon, kun taas näiden trimetylaatiot johtaa geenin deaktivaatioon. Hypermetylaatio ei välttä mättä tukahduta geeniä. Esimerkiksi monissa syöpäsolussa hypometylaatiota tapah-tuu gee nien välisillä alueilla ja hypermetylaatio-ta kasvurajoitegeenien promoottorialueilla. (Xu ym. 2009 Schuebel 2007)

Paksusuolen syöpätutkimuksissa on havaittu, että H3K9 metylaatio liittyy lä heisesti myös DNA:n metylaatioon. Se mm. tukahduttaa kasvainten kasvun estäjä geenejä P16, MLH1 ja MGMT:tä. Haimasyövässä H3K4:n tai H3K9:n vähentyneet dimety laatiot heikentävät hai masyövän ennustet-ta. (Kondo ym. 2002 ja Manuyakorn ym. 2010)

Histonien asetylointi

Histonien asetyloinnissa asetyyli-ryhmä kiinnit-tyy kovalenttisesti histoniin. Muutoksen aihe-uttaa histoniasetyylitransferaasi. Deasetylointi on vastatekijä histonien asetyloinnille ja sen ai-heuttaa histonideasetylaasi. Asetylointi korreloi usein korkean transkriptioaktiivisuuden kanssa. Esimerkiksi kaikkien ydinhistonien asety lointi on vähäistä mitoosin aikana. Asetyylin liittymi-

nen vähentää kromatiinissa negatiivisesti varau-tuneen DNA:n ja positiivisesti varautu neiden histoneiden välisiä vuorovai kutuksia. Tämä vä-hentää kromatiinirakenteen stabiili suutta, mikä helpottaa transkriptioteki jöiden pääsyä geenin promoottorille. (Xu ym. 2009 ja Hallgrímsson ym. 2011)

Haimasyövässä H3K18:n asetyloinnin vähenty-minen on suoraan verrannollinen huonomman ennusteen kanssa. Kasvainten uusien verisuon-ten synnyssä merkittävä tekijä on hypoksiaa tuottava tekijä 1-alfa (HIF-1alpha). Merkittävää tälle transkriptiotekijälle on kromatiinissa tapah-tuva histonideasetyylitransferaasien aiheuttama deasetylointi. Kromatiinin tiettyjen osien dea-setylointi lisää ve risuonten syntyä kasvaimessa. (Manyakorn ym. 2010)

Muut kovalenttiset muutokset

Histonien ubikinoinnissa suurikokoinen ubi-kiinimolekyyli liittyy histoniin kovalenttisesti. Ubikinointi on yleinen kovalenttinen muutos solunjakautumisessa. Histonien fosforylointi on merkittävä tekijä kromatiinin tiivistämisessä. Siinä fosfaatti-ryhmä liittyy kovalenttisesti his-toniin. Esimerkiksi solun siirtyessä mitoosiin H3-histoni on fosforyloitunut. Fosforyloinnin saavat aikaan erilaiset kinaasit. Muita kovalent-tisiä muutoksia ovat mm. PolyADPribosylaa tio ja sumolaatio. (Bai ym. 2009)

Kuva 3: Erilaiset entsyymit aiheuttavat kovalenttisia muutoksia kromatiiniin.

Nukleosomit epigeneettisissä muutoksissa

Kovalenttiset muutokset eivät välttämättä riitä geenin aktivoimiseen heterokromatiinissa. Jot-ta transkriptio mahdollistuisi, on kovalenttisten muokkausten lisäksi tärkeää, että nuk leosomira-kenne muuttuu. Muutos tapahtuu erilaisten kro-

matiinia muokkaavien kompleksien välityk sellä. Nukleosomirakennetta voi muuttaa kolmella eri tavalla: muuttamalla nukleosomi raken netta kolmiulotteisesti, poistamalla histoneita tai kor-vaamalla niitä. Rakennemuutokset ta pahtuvat geenien aloitusalueella. Näin ollen geeni pysty-tään muokkaamaan transkriptiota suo sivaksi tai hylkiväksi. (Alberts ym.2008)

220

Ei koodaavan RNA:n vaikutus geeniekspressioonEi koodaavaa RNA:ta (ncRNA) syntyy so-lun normaalissa transkriptiossa. Erona lähetti-RNA:han, se ei kuitenkaan siirry proteiinisyn-teesiin. ncRNA:ta on muun muassa mikroRNA. Niin sanotut polycomb-proteiinit ja ncRNA ai-heuttavat tiettyjen geenien sammumista. (Gupta ym. 2010)

Esimerkkinä ncRNA:sta on HOX-geeneihin kiin-nittyvä pitkä ei-koodaava RNA (HOTAIR), joka on viimeaikaisten tutkimusten mukaan merkittä-vässä roolissa etäpesäkkeiden muodos tuksessa rintasyövässä. Sen pitoisuuden mittaamisella on tärkeä merkitys määritettäessä en nustetta syö-välle. HOTAIR saa aikaan erilaisten proteiinien kanssa syövän muuttumaan pa hanlaatuiseksi ja etäpesäkkeitä lähettäväksi. Syöpäsolut, joissa ei esiinny HOTAIR:ia, tun keutuvat usein vähem-man kudoksiin ja lähettävät vähemmän etäpe-säkkeitä. (Gupta ym. 2010)

Lähteet

Alberts Bruce, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter: Molecular Biology of the Cell [Hardcover] 2008. p. 211–225, 442–443 ja 470–471

Clark, David P.: Molecular Biology: Understanding the Genetic Revolution 2005 p.113

Farthing Cassandra R., Gabriella Ficz, Ray Kit Ng, Chung-Fung Chan, Simon Andrews, Wendy Dean, Myriam Hemberger, Wolf Reik: Global Mapping of DNA Methylation in Mouse Promoters Reveals Epigenetic Reprogramming of Pluripotency Genes, Plos Genetics 2008, vol. 4, issue 6, p 1–15

Gupta Rajnish A., Nilay Shah, Kevin C. Wang, Jeewon Kim, Hugo M. Horlings, David J. Wong, Miao-Chih Tsail, Tiffany Hung, Pedram Argani, John L. Rinn, Yulei Wang, Pius Brzoska, Benjamin Kong, Rui Li, Robert B. West, Marc J. Van der Vijver, Saraswati Sukumar, Howard Y. Chang: Long noncoding RNA HOTAIR reprograms chromatin state to promote cancer metastasis, Nature 2010, vol. 464, p. 1071–1076

Hallgrimsson Benedikt, Brian K. Hall: Linking Genotype and Phenotype in Development and Evolution, Epigenetics 2011. (p. 44–46 ja 138–144)

Jones, P.A., Baylin, S.B: The fundamental role of epigenetic events in cancer, Nature rewievs genetics 2002, vol. 3 p. 415–428

Kondo Y. , LanLan Shen, Jean-Pierre J. Issa: Critical Role of Histone Methylation in Tumor Suppressor Gene Silencing in Colorectal Cancer, Molecular and Cellular Biology, 2003 vol 23 no. 1, p. 206–215.

Manyakorn Ananya, Rebecca Paulus, James Farrell, Nicole A. Dawson, Sheila Tze, Gardenia Cheung-Lau, Oscar

Joe Hines, Howard Reber, David B. Seligson, Steve Horvath, Siavash K. Kurdistani, Chandhan Guha, David W. Dawson: Cellular Histone Modification Patterns Predict Prognosis and Treatment Response in Resectable Pancreatic Adenocarcinoma: Results From RTOG 9704, Journal of Clinical Oncology 2010, Vol 28, no. 8, p. 1358–1364

Ooi Steen K. T., Chen Qiu, Emily Bernstein, Keqin Li, Da Jia, Zhe Yang, Hediye Erdjument-Bromage, Paul Tempst, Shau-Ping Lin, C. David Allis, Xiaodong Cheng, Timothy H. Bestor: DNMT3L connects unmethylated lysine 4 of histone H3 to de novo methylation of DNA, Nature 2007, vol. 448, p. 714–717

Schuebel Kornel E., Wei Chen, Leslie Cope, Sabine C. Glöckner, Hiromu Suzuki, Joo-Mi Yi, Timothy A. Chan, Leander Van Neste, Wim Van Criekinge, Sandra van den Bosch, Manon van Engeland, Angela H. Ting, Kamwing Jair, Wayne Yu, Minoru Toyota, Kohzoh Imai, Nita Ahuja, James G. Herman, Stephen B. Baylin: Comparing the DNA Hypermethylome with Gene Mutations in Human Colorectal Cancer, Plos Genetics 2007, vol 3, issue 9, p. 1709–1722.

Tollervey James R. Victoria V. Lunyak: Epigenetics Judge, jury and executioner of stem cell fate, Epigenetics 2012, vol. 7, issue 8, p. 823–840.

Wilkerson Matthew D, Xiaoying Yin, Vonn Walter, Ni Zhao, Christopher R. Cabanski,Michele C. Hayward, C. Ryan Miller, Mark A. Socinski, Alden M. Parsons, Leigh B. Thorne,Benjamin E. Haithcock, Nirmal K. Veeramachaneni, William K. Funkhouser, Scott H. Randell,Philip S. Bernard, Charles M. Perou, D. Neil Hayes. Differential Pathogenesis of Lung Adenocarcinoma Subtypes Involving Sequence Mutations, Copy Number Chromosomal Instability, and Methylation, Plos One Journal 2012, vol. 7, issue 5, p. 1–12

Xu Dazhong, Jingxiang Bai, Qing Duan, Max Costa, Wei Dai: Covalent modifications of histones during mitosis and meiosis, Cell Cycle 2009, vol. 8, issue 22, p. 3688–3694.

221

C6 Solujen välinen viestintä – solujen informaationvälitysmekanismitLaurila, Mira & Saariaho, IidaSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto16.9.2011Tarkastaja: Ulla Petäjä-Repo

TiivistelmäSolujen välinen viestintä on välttämätöntä niiden kehitykselle ja toiminnalle. Erilaiset viestimolekyylit saavat solussa aikaan vasteita, jotka vaikuttavat sen toimintaan niin lyhyellä kuin pitkälläkin aikavälillä. Eri viestin-välitysmekanismeja ovat endokriininen, parakriininen, autokriininen ja jukstakriininen viestintä sekä hermo-solujen viestintä. Endokriinisessa viestinnässä endokriininen solu erittää viestiaineensa verenkiertoon, jonka mukana aine kulkeutuu kohdesoluunsa. Parakriinisessa viestinnässä viestimolekyyli eritetään solunulkoiseen tilaan, josta se siirtyy lähellä sijaitsevaan kohdesoluunsa, eikä viestiaine leviä verenkiertoon. Esimerkki para-kriinisesta viestinnästä on synaptinen viestintä. Autokriinisessa viestinnässä viestiaineet vaikuttavat samaan soluun, josta ne ovat alun perin erittyneetkin. Jukstakriinisessä viestinnässä viestinvälitys tapahtuu kolmella eri mekanismilla vierekkäisten, toisiinsa kontaktissa olevien solujen kesken. Hermosolujen viestintä tapahtuu sähköisten impulssien avulla. Impulssit saavat aikaan viestiaineiden erittymisen synapsirakoon, jolloin ne kiin-nittyvät kohdesolujensa reseptoreihin, saaden aikaan vasteen.

JohdantoSolujen välinen viestintä on monisoluisessa eliössä välttämätöntä solujen toiminnan ja ke-hityksen säätelylle. Viestintä mahdollistaa yh-teistoiminnan solujen välillä ja auttaa kudoksia ja edelleen eri elimiä toimimaan oikealla tavalla koko elimistön kannalta. Näin ollen soluviestintä pitää yllä elimistön homeostasiaa eli tasapainoa. (Heino ym. 2007, Kierszenbaum 2007)

Viestimolekyylit saavat aikaan erilaisia vasteita soluissa. Esimerkkejä ovat muun muassa solun jakaantuminen ja erilaistuminen, solun liike sekä sen proteiinisynteesin aloitus, kiihdyttäminen, hiljentäminen ja lopetus. Tämän takia solujen keskinäinen viestintä onkin tärkeää syöpätutki-muksissa. Viestintää tapahtuu useilla eri tavoilla, kuten solujen välisten liitosten tai fyysisen kon-taktin kautta sekä hormonien että muiden välittä-jäaineiden ja reseptoritoiminnan avulla. (Heino ym. 2007, Kierszenbaum 2007)

Solujen välittämät viestit eivät ole aina sa-manlaisia. Välillä tarvitaan nopeita ja tarkkoja viestejä, välillä taas hitaita ja pitkävaikutteisia viestejä. Lyhytaikaista viestintää tarvitaan esi-merkiksi immuunijärjestelmän solujen välillä kudostulehduksen aikana, pitkäaikaista viestin-

tää taas esimerkiksi epiteelisolujen toiminnassa ja ylläpidossa solujen välisten liitosten avulla. Soluviestintää on myös solujen apoptoosi eli ohjelmoitu solukuolema, jonka avulla vaurioitu-neet tai tarpeettomat solut voidaan hävittää pois. Apoptoosia tapahtuu laajemmin esimerkiksi yk-silönkehityksessä varpaiden ja sormien välien muodostuksessa. Myös luun uusiutuminen vaatii jatkuvaa viestintää osteoblastien, osteoklastien ja osteosyyttien välillä. Solujen välisiin viestin-tämekanismeihin perustuu luonnollisesti myös lääkeaineiden vaikutus, niiden sitoutuessa solun reseptoreihin ja aiheuttaessa näin vasteen solus-sa. (Civitelli ym. 2008, Cooper 2000, Kierszen-baum 2007)

Viestinnän mekanismit

Endokriininen viestintä

Endokriinisessä viestinnässä viestiä välittävinä molekyyleinä toimivat umpieritysrauhasten ve-reen erittämät hormonit (esimerkiksi insuliini ja glukagoni). Hormonit kulkevat pitkiä matkoja verenkierron mukana läpi kehon vaikuttaen kau-kaisiin kohdesoluihin. (Cox ym. 2008)

222

Kuva 1: Endokriininen viestintä. Viestivä solu erittää viestiaineen verenkiertoon, jonka välityksellä se ta-voittaa kohdesolunsa, jossa se aikaansaa vasteen.

Endokriininen viestintäjärjestelmä ei pysty no-peisiin vasteisiin ja se vaikuttaa laajoille alueille. Tästä johtuen endokriinisen viestinnän etuja ovat laajamittainen vaikutus kehossa, pitkäkestoiset vasteet ja vähäinen energiankulutus. Tärkeim-mät endokriiniset rauhaset ovat käpyrauhanen, hypothalamus, aivolisäke, kilpirauhanen, lisäkil-pirauhaset, lisämunuaiset, haima, munasarjat ja kivekset. (Kronenberg 2008)

Eräs endokriinisen viestinnän erityismuoto on neuroendokriininen viestintä. Siinä neuroendokrii-ninen solu erittää vereen hormonin hermosolun vä-littämän stimuluksen takia. (Kierszenbaum 2007)

Endokriinisten solujen erittämät hormonit ovat joko polypeptidi- tai steroidihormoneja. Poly-peptidihormonit ovat polaarisia eli vesiliukoisia molekyylejä, jotka kiertävät veressä sitoutumat-tomina ja yhtyvät yleensä kohdesolun solukalvo-reseptoreihin. Steroidihormonit puolestaan ovat polaarittomia eli rasvaliukoisia molekyylejä, jot-ka kiertävät veressä proteiineihin sitoutuneina ja yhtyvät kohdesolunsa soluliman tai tuman resep-toreihin. (Kierszenbaum 2007)

Parakriininen viestintä

Parakriinisessä viestinnässä kohdesolut sijaitse-vat hyvin lähellä viestivää solua, jolloin viesti-molekyylit eivät kulkeudu kohteeseensa veren-kierron mukana, vaan suoraan kudosnesteen kautta tai aukkoliitosten välityksellä. Viestimo-lekyylit säätelevät näin kohdesolujensa toimin-taa sitoutumalla niiden solukalvon reseptoreihin tai diffundoitumalla soluihin. (Kidder ym. 2010, Molotkov ym. 2006)

Kuva 2: Parakriininen viestintä. Viestivä solu erit-tää viestiaineen soluvälitilaan, josta se siirtyy ku-dosnesteen välityksellä lähellä sijaitseviin kohde-soluihinsa, aiheuttaen niissä vasteen.

Signaalin kohdesoluihin kuljettavat parakriini-set viestimolekyylit, kuten eräät solujen kasvua säätelevät kasvutekijät, verisuonia laajentava typpioksidi ja monin eri tavoin vaikuttavat ara-kidonihapon johdannaiset, eikosanoidit. Näistä proteiinit jaetaan edelleen neljään perheeseen: FGF-perheeseen (The Fibroblast Growth Factor Family), muun muassa aivojen sekä munuaisten muodostumiseen osallistuvaan Wnt-perheeseen (Wingless Family), TGF-β superperheeseen sekä Hedgehog-perheeseen, johon tärkeimpänä kuu-luu muun muassa hermostolevyn sekä hermos-toputken kehittymiseen osallistuva Sonic Hed-gehog –proteiini. (Cooper 2000, Kierszenbaum 2007, Renner ym. 1996)

Parakriiniset viestiaineet kiinnittyvät nopeasti kohdereseptoriinsa ja ovat helposti hajoavia. Se edesauttaa niiden vaikutuksen jäämistä paikalli-seksi, jolloin ne eivät ehdi levitä verenkiertoon, mikä onkin ero endokriinisesti vaikuttavien var-sinaisten hormonien ja parakriinisten viestiainei-den välillä. (Cooper 2000, Kierszenbaum 2007, Renner ym. 1996)

223

Kuva 3: Autokriininen viestintä. Solu erittää vies-tiaineen soluvälitilaan, josta se sitoutuu saman solun reseptoriin, aiheuttaen vasteen siinä.

Autokriininen viestintä

Autokriinisessä viestinnässä viestimolekyylit kiinnittyvät saman solun reseptoreihin, josta ne ovat alun perin erittyneetkin. Tietyt kasvutekijät ja hormonit (mm. prostaglandiinit ja interleukii-nit) käyttäytyvät tällä tavalla. (Cox ym. 2008, Kierszenbaum 2007)

Eräissä syövissä syöpäsolujen intsenäinen kas-vu perustuu autokriiniseen viestintään siten, että solu tuottaa reseptorin erittämälleen kasvuteki-jälle, jolloin solukko kasvaa hallitsemattomasti. Autokriininen viestintä on tärkeä säätelymeka-nismi myös yksilönkehityksessä tiettyjen solu-populaatioiden erilaistumisessa. (Alitalo ym. 1985)

Jukstakriininen viestintä

Jukstakriinisessä viestinnässä viestivät monien eri viestimolekyylien välityksellä toisiinsa yh-teydessä olevat rinnakkaiset solut. Viestivän so-lun viestimolekyylit kiinnittyvät kohdesolunsa solukalvon reseptoreihin saaden aikaan vasteen kyseisessä solussa. (Denef 2008, Gilbert 2000, Hofer ym. 2004)

Kuva 4: Jukstakriininen viestintä. Ensimmäinen viestintätyyppi: Siinä solut viestivät keskenään niin, että viestiaine sitoutuu reseptoriinsa, irtoa-matta lainkaan viestivän solun kalvolta.

Toisessa tyypissä ligandi kiinnittyy reseptoriin toisen solun erittämässä soluväliaineessa, joka muodostuu muun muassa monenlaisista makro-molekyyleistä, kuten kollageenista, proteogly-kaaneista ja useanlaisista glykoproteiineista (esi-merkiksi laminiini ja fibronektiini). Tämän tyy-pin viestinnällä on suuri merkitys solun liikkeen tuottamisessa sekä epiteelin muodostumisessa. Fibronektiinin välttämättömyys on osoitettu kokeella, jossa kananpojan alkioon injektoi-tiin fibronektiinin vasta-aineita, jolloin sydäntä muodostavat solut eivät päässeet liikkumaan keskilinjaan. Tuloksena muodostui kaksi erillistä sydäntä (Denef 2008, Gilbert 2000, Hofer ym. 2004)

Kolmannessa tyypissä signaali välittyy suoraan viestivän solun sytoplasmasta viereisen koh-desolunsa sytoplasmaan yhteisten, molempien solujen kalvot läpäisevien pienten kanavien, aukkoliitosten, kautta. Näin voivat siirtyä pie-nikokoiset molekyylit sekä ionit. Aukkoliitos-ten muodostuminen tiettyjen solujen välillä on merkittävää alkionkehityksessä, sillä kanavien kautta yhtenäisten solujen muodostamat osastot jakautuvat fysiologisesti eri tehtäviin, osallistu-en siis elinten muodostumiseen. Aukkoliitokset muodostuvat konneksiini-proteiineista ja mutaa-tio niiden geenissä voi aiheuttaa virheitä muun muassa sydämen ja korvan muodostumisessa. (Denef 2008, Gilbert 2000, Hofer ym. 2004)

224

Kuva 5: Hermosolujen välinen, synaptinen, vies-tintä. Välittäjäainerakkulat vapauttavat synapsira-koon viestiaineita, jotka kiinnittyvät vastaanotta-van solun reseptoreihin.

Hermosolujen viestintä

Neuronit eli hermosolut koostuvat tuman sisältä-västä soomasta sekä dendriiteistä että aksoneista. Dendriitit ovat neuronin ulokkeita, jotka kuljet-tavat hermoimpulsseja kohti soomaa, kun taas aksonit soomasta poispäin. Aksonin päässä on synapsi, josta hermoimpulssi kulkee yhden neu-ronin aksonista toisen neuronin dendriittiin tai esimerkiksi lihassolun solukalvolle, saaden ai-kaan lihassupistuksen. Impulssi siirtyy synapsi-raossa parakriinisesti erilaisten välittäjäaineiden (neurotransmitterit) avulla. (Heino ym. 2007)

Kun hermoimpulssi saapuu aksonin päähän, ak-sonipäätteen synapsirakkulat vapauttavat niihin varastoituneet välittäjäainemolekyylit synapsi-rakoon. Synapsiraosta välittäjäainemolekyylit kiinnittyvät toisen neuronin dendriitin resep-toreihin tai jonkin muun vastaanottavan solun pinnalle, jolloin reseptorin konformaatiomuutos voi saada aikaan solukalvon ionikanavien aukea-misen. Tällöin vastaanottavan solun sisään vir-taa kationeja, solun kalvopotentiaali pienenee ja tapahtuu solukalvon paikallinen depolarisaatio, mikä voi johtaa aktiopotentiaalin syntymiseen, jolloin hermoimpulssi alkaa edetä pitkin kyseis-tä solua. Hermovälittäjäaineita tunnetaan useita, ja niihin kuuluvat muun muassa asetyylikoliini, gamma-aminovoihappo (GABA), dopamiini, se-rotoniini, glutamaatti sekä noradrenaliini. (Hei-no ym. 2007)

Lähteet

Alitalo K, Keski-Oja J. Uusi autokriininen syövän syntymekanismi. Duodecim 1985; 101(16): 1543–1546

Civitelli R. Cell-cell communication in the osteoblast/osteocyte lineage. Archives of Biochemistry and Biophysics 15.5.2008; 473 (2): 182–92

Cooper GM. The Cell: A molecular approach 2nd ed. 2000Cox M, Nelson D, Lehninger. Principles of biochemistry

5th ed. 2008; s. 906Denef C. Paracrinicity: The Story of 30 Years of Cellular

Pituitary Crosstalk. Journal of Neuroendocrinology 2008 January; 20(1): 1–70.

Gilbert SF. Developmental Biology 6th ed. 2000Heino J, Vuento M. Biokemian ja solubiologian perusteet

1st ed. 2007; s. 247, 306Hofer AM, Gerbinob A, Caroppob R and Curci S. The

extracellular calcium-sensing receptor and cell–cell signaling in epithelia. Cell Calcium 2004 Mar; 35(3): 297–306

Kidder GM, Vanderhyden BC. Bidirectional communication between oocytes and follicle cells: ensuring oocyte developmental competence. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology 2010 April; 88(4): 399–413.

Kierszenbaum A. Histology and cell biology 2nd ed. 2007; s. 85–105

Molotkov A, Molotkova N, Duester G. Retinoic acid guides eye morphogenetic movements via paracrine signaling but is unnecessary for retinal dorsoventral patterning. Development 2006 May; 133(10): 1901–1910.

Renner U, Pagotto U, Arzt E and Stalla GK. Autocrine and paracrine roles of polypeptide growth factors, cytokines and vasogenic substances in normal and tumorous pituitary function and growth: a review. European Journal of Endocrinology 1996; 135: 515–32.

Kronenberg HM, Melmed S, Polonsky KS, Larsen PR, Williams Textbook of Endocrinology. 11th ed. 2008

225

C7 Solun liike – miten solun eri osat muodostavat liikettäVirta, Vesa & Köykkä, OlliSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto20.9.2011Tarkastaja: Tuukkanen, Juha

TiivistelmäEsseessä kerrotaan lyhyesti kuinka eri osat solun tukirangassa, kalvolla ja solulimassa vaikuttavat ja muodos-tavat solun liikkumisen. Kuinka erinäiset rakenteet kuten mikrotubulukset, mikrofilamentit ja muut sytoske-letonin rakenteet toimivat ja kuinka ne muodostuvat toiminnallisiksi komplekseiksi. Myös liikkeeseen eri-koistuneiden solujen, lihassolujen, toiminta ja liikkeeseen osallistuvat rakenteet käydään läpi. Esseessä myös pohditaan kemokiinien eli solujen vapauttamien aineiden toimintaa, jotka ohjaavat toisia soluja paikalle tai niiden kasvua tiettyyn suuntaan. Kemotaksista eli kemokiinien vaikutuksesta tapahtuvaa liikettä tai sen suun-nan ohjausta solutasolla myös selvitetään.

JohdantoSolun liike perustuu solun tukirangan toimin-taan. Tukiranka mahdollistaa sekä solun että soluorganellien liikkeen. Tukiranka koostuu nel-jästä erilaisesta rakenteesta, mikrofilamenteista, mikrotubuluksista, välikokoisista filamenteista sekä solukuorikosta. Solujen moottoriproteiinit kuljettavat kuljetusrakkuloita solun sisällä. Ki-nesiini kuljettaa rakkuloita kohti solukalvoa ja dyneiini kohti solun sisempiä osia. Kemokiinit saavat aikaan kemotaksista eli solun liikettä koh-ti suurempaa tai pienempää konsentraatiota ke-mokiinista riippuen.

Solun rakenteet ja liike

Mikrofilamentit

Mikrofilamentit koostuvat pääosiltaan aktiinista ja myosiinista. Mikrofilamentit ovat säieraken-teista ohuimpia ja ne kiinnittyvät solussa solu-kalvolle osiin, jotka kytkevät solut ympäristöön-sä. Mikrofilamentit koostuvat pääosiltaan aktii-nista ja myosiinista. Aktiinia tunnetaan kolme eri tyyppiä, Alfa, beeta ja gamma. Näistä alfa toimii vain lihassolussa. Kaikkien solujen liike perus-tuu aktiini-myosiinijärjestelmään. Aktiinia esiin-tyy solussa sekä polymeroituneena F-muodossa että monomeerina G-muodossa. G-muodossa ak-tiiniin on sitoutunut kalsiumia ja ATP:tä. ATP:n hydrolyysistä ADP:ksi saadaan tarvittava ener-

gia polymeroituneen F-muodon syntymiseen. Aktiini voi järjestäytyä solussa geelimäiseksi verkoksi levyjalkaan, supistuvaksi kimpuksi stressisäikeeseen tai yhdensuuntaiseksi kimpuk-si filopodiin.

Filopodi on solusta kasvava uloke, jonka avul-la solu tunnistelee ympäristöään. Varsinainen solun liike tapahtuu levyjalan eli lamellipodin avulla. Lamellipodi kiinnittyy alustaansa ja ve-tää tumaa ja solun muita rakenteita mukanaan. Samalla häntäosan kiinnityskohdat vapautuvat ja solu liikkuu. Liikkeen aikana havaitaan sytoso-lissa muutoksia geelimäisen ja liukoisen muodon välillä aktiinin polymeroitumisasteen mukaan. Liukoisessa muodossa on runsaasti G-muotoa ja geelimäisessä vastaavasti F-muotoa. Solun-jakautumisessa aktiini muodostaa supistusren-kaan, joka erottaa muodostuvat solut toisistaan.

Kuva 1. Solun tukirangan rakenteet. Kuva mukail-len http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/yleisra-kenne_1/2/)

226

Aktiinisäiekimput eli stressisäikeet ylläpitävät solun muotoa ja rakentuvat kohtiin, joiden muo-to halutaan säilyttää. Stressisäikeet kiinnitty-vät solukalvon sytosolin puoleisiin levymäisiin rakenteisiin fokaaliadhesioihin. Stressisäikeet liittyvät solunulkoisiin rakenteisiin integriinien, taliini ja vinkuliini, avulla. Liikkuvassa solussa stressisäikeiden määrä on vähäinen.

Mikrotubulukset

Mikrotubulukset ovat putkimaisia, polymeroi-tuneesta tubuliinista muodostuneita rakenteita. Mikrotubulukset toimivat solun sisäisen liikkeen reitteinä sekä solun tukirankana ja ne ovat solun säierakenteista paksuimpia. Mikrotubulukset alkavat sentrosomista, joka organisoi niitä. Sy-tosolissa on myös tubuliinin monomeerimuo-toa, joka mahdollistaa mikrotubulusten nopean rakentumisen ja toisaalta myös nopean purka-misen. Tubuliinin polymeroituminen tapahtuu välillisesti syklisen adenosiinimonofosfaatin avulla sen aktivoidessa proteiinikinaaseja. Po-lymeroituminen noudattaa ns. oravanpyörä-peri-aatetta, eli samalla kun toiseen päähän lisätään molekyylejä, toisesta niitä irtoaa. Mikrotubu-lukset muodostavat värekarvoille tukirakenteen, joka koostuu kahdesta keskusputkesta sekä yh-deksästä parillisesta kehäputkesta. Värekarvojen liike syntyy dyneiinin vaikutuksesta. Dyneiini kiinnittyy vierekkäisiin kehäputkipareihin ja saa aikaan aaltomaisen liikkeen. Energia liikkeeseen saadaan ATP:stä. (Niemi ym. 1993)

Välikokoiset filamentit

Välikokoisten filamenttien päätehtävä on auttaa solua kestämään mekaanista rasitusta. Välikoi-koiset filamentit polymeroituvat ja ovat tämän jälkeen pysyviä rakenteita. Täten niissä ei esiin-ny samanlaista polymerisaatiota ja depolyme-risaatiota kuin mikrotubuluksissa ja mikrofila-menteissa.

Epiteelissä välikokoiset filamentit koostuvat sytokeratiinista ja liittyvät desmosomeihin ja kerrostuneen epiteelin tyvikerroksessa hemides-mosomeihin. Muissa kudoksissa välikokoiset filamentit koostuvat eri proteiineista. Hermo-soluissa neurofilamenttien tyypeistä I, II ja III, lihaskudoksessa desmiinistä ja mesenkyymissä vimentiimistä. Eri solulajeissa on yleensä vain yhtä välikokoista filamenttityyppiä.

Moottoriproteiinit

Kinesiini on solussa vesikkeleitä ja rakkuloita kuljettava proteiini, joka kuljettaa vesikkeleitä mikrotubuluksia pitkin kohti solun ulkoreunaa poispäin sentrosomista. Se hydrolysoi ATP:tä saaden aikaan proteiinin liikkeen mikrotubulusta pitkin.

Dyneiini siirtää solussa rakkuloita kohti sentro-somia, mutta toimii myös tärkeänä liikettä muo-dostavana proteiinina solun muissa rakenteissa kuten cilioissa ja flagelloissa.

Kinesiini ja myosiinin liikkeet voidaan jakaa kahteen luokkaan, saltaattiseen liikkeeseen eli sattumanvaraiseen jatkuvaan vesikkeleiden sekä mitokondrioiden liikkeeseen mikrotubulus- tai aktiinifilamenttien mukaisesti ja aksonaaliseen liikkeeseen eli tarkemmin ohjailtuun kalvorak-kuloiden sekä soluelinten liikkeeseen mikrotu-bulus- tai aktiinifilamenttien mukaisesti.

Värekarvat, ripset ja siimat

Värekarvat ovat kooltaan 10–100µm. ripset ja siimat 100–200µm. Eukaryoottisolujen flagelloi-den ja ciliumien rakenne on samanlainen mutta bakteereilla flagelloiden rakenne on eroava. Fla-gellat ja ciliat ovat solukalvolle liikkeenmuodos-tukseen erikoistuneita rakenteita.

Kuva 2. Kuvassa cilian poikkileikkaus, (9+2) ra-kenne. (kuva mukailtu Kierszenbaum A. Histology and Cell Biology: An Introduction to Pathology (2002) pp: 26 Figure 1–27)

227

Ciliat ja flagellat koostuvat 9 kappaleesta kak-soismikrotubuluksia, jotka muodostavat kehä-putket ja kahdesta keskusmikrotubuluksesta. Ciliaan ja flagellaan on liittynyt tyviosa, joka koostuu 9 kappaleesta kolminkertaisia mikro-tubuluksia. Tyviosa ei ulotu kuin vähän mat-kaa solusta ulkonevaan osaan. Kehäputket ovat kiinnittyneet toisiinsa yhdyssäikeellä, joka on muodostunut neksiinistä. Kaksoistubuluksiin on myös kiinnittyneenä ulompi ja sisempi dyneiinin varsi. Cilioiden liike perustuu dyneiini-proteiinin tarttumiseen seuraavasta kaksoisputkesta ja sen taivuttamisesta. Tubuluksien väliset neksiini-linkkiproteiinit estävät tubuluksien liukumisen toistensa ohi. Cilioiden ja flagelloiden ero on nii-den toiminnasta aiheutuvan liikeradan erilaisuus. Flagelloiden liikerata on propelimainen ja cilioi-den liike on edes-takaisin lyövä. (Kierszenbaum A, Histology and Cell Biology: An Introduction to Pathology (2002))

Bakteereiden flagellat koostuvat flagellafilamen-tista ja bakteerin solukalvoon kiinnittyneestä proteiinirenkaasta, joka mahdollistaa flagellan pyörimisliikkeen. Bakteerien flagelloiden ra-kenne poikkeaa eukaryoottisolujen flagelloiden rakenteesta. Flagellan päärakenteet koostuvat flagellan hännän filamentistä ja L-, P-, MS- ja C-renkaasta, joista kolme ensimmäistä ovat kiinnit-tyneet bakteerin solukalvon rakenteisiin, ulom-paan ja sisempään lehteen kaksoislipidikalvossa ja niiden välisseen peptidoglykaani kalvoon.

Solukuorikko

Solukuorikko toimii solukalvon tukirankana so-lun sisäpinnalla. Solukuorikko muodostuu eri so-luissa eri proteiineista, mutta kaikille on yhteistä 109 aminohapon toistuva jakso. Punasoluissa kyseinen proteiini on spektriini. Solukuorikkoon liittyy proteiineja, jotka tunnistettuaan oman ligandinsa välittää mekaanisen informaation soluun ja käynnistää solun sisäisen viestinnän. Lopputuloksena on ketjun määräämien geenien aktivoituminen.

Lihassolu

Lihassoluissa solun liikkeistä vastaa myosii-ni tyyppi II ja aktiinin muodostama kompleksi. Myös muissa soluissa on myosiini tyyppiä II, jolloin se vastaa sytokineesissä telofaasi-vaiheen supistusrenkaan muodostuksesta ja solukalvon jakamisesta tytärsolujen kesken.

Poikkijuovaisen- ja sydänlihaskudoksen liike perustuu myofibrillin toiminnallisen yksikön, sarkomeerin, supistumiseen. Sarkomeerissa lii-ke syntyy myosiini-proteiinista muodostuneesta myosiinifilamentista. Myosiini tarttuu aktiinisäi-keeseen ja ATP:n hydrolyysistä vapautuvalla energialla myosiinin aktiivinen pää taipuu saa-den sarkomeerin supistumaan.

Sileässä lihassolussa ei ole sarkomeerejä vaan aktiini muodostaa verkon tarttumalla sytoske-letonin säikeisiin ja niiden välityksellä solu-kalvoon. Solun supistuminen tapahtuu, joka suunnassa eikä vain yhdessä suunnassa kuten poikkijuovaisessa- ja sydänlihaskudoksessa. (Kierszenbaum A, Histology and Cell Biology: An Introduction to Pathology (2002)

Kemotaksis ja kemokiinit

Kemokiinit ovat aineita jotka ovat liukoisina ekstrasellulaari tilassa ja vaikuttavat solukalvon reseptoreihin aiheuttaen solun liikettä. Solun lii-ke suuntautuu kemokiinista riippuen joko kohti suurempaa konsentraatiota tai siitä poispäin. Ke-mokiineinä voi toimia sokerit, peptidit ja solun aineenvaihduntatuotteet. Nämä aktivoivat solun sisäisen signaali kaskadin, joka vaikuttaa solun liikkumiseen ja sytoskeletonin järjestäytymiseen solun liikkeen suuntaisesti. Kemokiinit aktivoi-vat solukalvolla reseptorin, jotka taas aktivoivat sytoplasmassa G-proteiinejä, kuten Rho-, Ras-, Cdc42- molekyylejä.

228

Kuva 3. Rolling ja migraatio solukalvon läpi (mukaillen Kierszenbaum A. (2002) Histology and Cell Bio-logy: An Introduction to Pathology pp154 Figure 6–9)

Kemotaksis on kemokiinestä aiheutuvaa solun liikettä. Kemotaksis on keskeinen tekijä tuleh-dusreaktion syntymisessä. Kudoksen solut va-pauttavat ekstrasellulaaritilaan kemotaksisia-ai-neita, jotka kulkeutuvat endoteelikerroksen läpi kapillaarin luumeniin. Tämä ”Rolling” –tapah-tuma on ominainen leukosyyteille. Rolling:ssa leukosyytti kiinnittyy verenkierrosta endoteeliin luumenissa, tarttuu kiinni endoteeliin ja pyrkii endoteelin läpi joko parasellulaarisesti tai trans-selluaarisesti. Leukosyytin tullessa tulehdus-alueelle sen pinnalla olevat L-selektiinit tarttuu tulehtuneen endoteelin E-ja P-selektiineihin hidastaen omaa pyörimistään. Ennen kiinnitty-mistään, kemokiinien tai solukalvon selektiinien signaalien perusteella, leukosyytti aktivoituu. Aktivoiduttuaan leukosyytti tiukentaa kiinnit-tymistään endoteelin kalvolla ja alkaan ryömi-mään kohti endoteelisolujen läpäisykohtaa. Leu-kosyytit voivat läpäistä endoteelisolut kahdella tavalla, parasellulaarisesti tai transsellulaarisesti. Parasellulaarisessa läpäisyssä leukosyytti nos-taa endoteelisolussa Ca2+-pitoisuutta aktivoiden signaalikaskadin, joka laukaisee sytoskeletonnin supistumisen ja tekee endoteelin junktionaali-sen kompleksin läpäisevämmäksi ja leukosyytti mahtuu ryömimään soluliitosten välistä ekstra-sellulaariseen tilaan kudoksessa. (Ley K, ym. (2007) Getting to the site of inflammation: the leukocyte adhesion cascade updated. Nature Re-views immunology)

Transsellulaarisessa läpäisyssä leukosyytti kul-kee suoraan solukalvon lävitse tehden reiän so-lukalvon läpi, mutta ei riko endoteelisolun solu-kalvoa. Endoteelinsolun läpikulkeva leukosyytti saatta jäädä hetkeksi endoteelin ja tyvikalvon vä-liin ennen kuin jatkaa tyvikalvon läpi ekstrasel-lulaaritilaan. (Feng D, ym. (march 1998) Neut-rophils Emigrate from Venules by a Transendot-helial Cell Pathway in Response to FMLP.)

Lähteet:

Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K.,Walter P. Cell junctions, cell adhesion, and the extracellular matrix. Molecular biology of the cell 5th edition. Garland Science Publishing 2008; pp: 1453–1454

Feng D, Nagy J, Pyne K, Dvorak H, and Dvorak A (march 1998) Neutrophils Emigrate from Venules by a Transendothelial Cell Pathway in Response to FMLP. J Exp Med. Iss 16; 187(6): 903–915

Ley K, Laudanna C, Cybulsky M & Noursharg S (2007) Getting to the site of inflammation: the leukocyte adhesion cascade updated. Nature Reviews immunology. Iss 7, pp 678–689.

Niemi M., Virtanen I., Vuorio E, Solu- ja molekyylibiologia 1993 Weilin-Göös

Kierszenbaum A, Histology and Cell Biology: An Introduction to Pathology (2002) New York, pp 26–31, 154–155, 177–198

http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/mikrofilamentiti/2/http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/mikrotubulukset/2/

229

C8 Solun tukiranka – rakenne ja toimintaHämäläinen, Janne & Ilveskoski, LottaSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto4.9.2009Tarkastaja: Elina Kylmäoja

JohdantoSolun tukirankaan kuuluvat mikrofilamentit, vä-likokoiset filamentit, mikrotubulukset ja solukal-von tukiranka.. Tukirangalla on lukuisia tehtäviä solun muodon ylläpitämisestä ja fagosytoosista liikkeen muodostamiseen. Solun elämä perustuu monella tavalla solun tukirankaan. Esseemme keskittyy solun tukirangan toimintaan ja tehtä-viin, eikä niinkään tukirangan komponenttien rakenteiden kuvaamiseen.

MikrofilamentitMikrofilamentit ovat solun tukirangan paksuu-deltaan pienimpiä säikeitä. Mikrofilamenttien pääkomponentti on aktiini, jota löytyy huomatta-

van paljon jokaisesta tumallisesta solusta. Mik-rofilamentteihin kuuluu aktiinin lisäksi myös myosiini. Yhdessä aktiini ja myosiini aikaansaa-vat liikettä. (Kierszenbaum 2007)

Aktiini

Aktiini on monipuolinen soluntukirangan kom-ponentti, joka muodostaa sekä staattisia, että supistumiskykyisiä kimppuja solun sisällä. Se muodostaa myös filamenttiverkkoja aktiinia si-tovien proteiinien kanssa. Aktiini esiintyy mono-meerimuodossaan pallomaisena G-aktiinina (globular), joka voi polymerisoitua F-aktiiniksi (fibrillar) ATP:n avulla. Aktiini voidaan jakaa kolmeen alatyyppiin; α-, β-, ja γ-aktiiniin. (So-lunetti.fi 2009)

Kuva1: Phalloidin-FITC-värjättyjä aktiinifilamentteja kuvattu Nikon Eclipse E600-fluoresenssimikro-skoopilla 40-kertaisella objektiivilla.Vasemmalla MC3T3-osteoblastikantasoluja ja oikealla RAW 264.7 monosyytti-makrofagilinjan soluja.

Stressisäikeet ja aktiinin järjestäytyminen liikkuvassa solussa

Kuva 2: Eräitä aktiinin kaksoissäikeiden muodostamia makrorakenteita kutsutaan stressisäikeiksi. Stressisäikeitä esiintyy soluissa alueilla, jotka eivät liiku. Stressisäikeet pitävät yllä solun muotoa, ja kiinnittyvät fokaaliadhesioilla solukalvoon. (Niemi ym. 1994)Kuva 3: Aktiini voi järjestäytyä liikkuvassa solussa monella eri tavalla. Se voi muodostaa muun muassa levyjalan (lamellipodi) tai säiejalan (filopodi).(Kuva mukautettu solunetti.fi-sivustolta) (Virtanen 2008)

230

Aktiinin esiintyminen solujen muodostamissa erityisrakenteissaAktiini on myös tärkeä osa suolen epiteelisolu-jen mikrovillusten, munuaisten nefronien epitee-lisolujen, sekä hiusten ja sisäkorvan sukakarvo-jen (stereocilia) rakenteissa. Yhdessä myosiinin kanssa aktiinisäikeet luovat rakenteisiin ryhtiä ja jäntevyyttä. Punasolussa aktiini ja spektrii-ni muodostavat filamenttiverkoston punasolun solukalvon sisäpinnalle. Tämä on olennainen rakenne punasolun muodon säilyttämisessä. (Kierszenbaum 2007).

Aktiinin avulla solun tukiranka osallistuu myös fagosytoosiin. (Heino ym. 2007)

Kuva 4: Aktiinilla on tärkeä tehtävä myös sytoki-neesissä. Mitoosin telofaasin jälkeen, kun solun kromosomisto on jakautunut ja tytärkromosomit on vedetty solun eri päihin, solu jakautuu muo-dostaen solun keskelle aktiinista supistusren-kaan. Lopputuloksena saadaan kaksi erillistä tytärsolua, joilla on sama perimäaines omissa tumissaan ja suunnilleen sama määrä solulimaa ja soluorganelleja. (Niemi ym. 1994 ja Solunetti.fi 2009)

Myosiini

Myosiinin tehtävät Myosiini kuuluu moottoriproteiineihin. Myosii-nia on I, II ja V tyyppiä. (Kierszenbaum 2007). I ja V tyypin myosiinit toimivat lähinnä vesik-keleiden kuljetuksessa solun sisällä. II tyypin myosiini mahdollistaa lihassolun supistuksen poikkijuovaisissa lihassoluissa.

Kuva 5: Kalsium pitoisuuden kasvaessa kalsium sitoutuu aktiiniin sitoutuneeseen tropomyosiini-troponiini-kompleksin troponiini C:hen, jolloin kompleksin muoto muuttuu ja myosiinin golfmai-lamainen nuppi tarttuu aktiiniin. ATP hydrolysoi-tuu ATP:aasin vaikutuksesta ADP:ksi ja fosfaa-tiksi. Myosiinin nuppi taipuu ja säikeet liikkuvat toistensa lomaan. Myosiini irroittautuu pian aktii-nista ja tarttuu seuraavaan kohtaan. Sarkomeeri lyhenee ja lihas supistuu. (Rhoades ym. 1995)

Välikokoiset filamentit

Välikokoisten filamenttien perusrakenne

Välikokoiset filamentit asettuvat paksuudeltaan (n.10nm) mikrofilamenttien (n.5nm) ja mikro-tubulusten (n.25nm) väliin. Välikokoiset säikeet ovat kestävin osa solun tukirankaa. (Niemi ym. 1994)

Välikokoisten säikeiden luokittelu ja toiminta solussa

Kuva 6: Välikokoiset säikeet toimivat eräänlaise-na yleiskudontarakenteena solussa. Välikokois-ten säikeiden tärkein tehtävä onkin toimia mekaa-nisena tukena solun tukirangassa.

Nykyään on tiedossa n. 50 välikokoista filament-tiproteiinia, jotka voidaan luokitella mm. seuraa-vasti (Niemi ym. 1994, Solunetti.fi 2009) :

231

Keratiinit: veteenliukenemattomia proteiineja. Ihmisellä keratiinia löytyy ihon epidermiksen, karvojen ja kynsien rakenteista. Keratiinit muo-dostavat tonofilamentteja (filamenttikimppuja).

Desmiinifilamentti: luurankolihassolujen kom-ponentti sarkomeerin Z-levyssä. Pitää sarkomee-rin supistuselementtejä kiinni Z-levyssä, sekä koordinoi lihaksen supistumista.

Vimentiini: välikokoisia filamentteja synnyttä-vää proteiinia vastaava proteiini mesenkymaa-lisissa soluissa. Osassa soluista vimentiini on muodostamassa rakenteellista linkkiä solulima-kalvoston ja tuman lamiinien välillä.

Neurofilamentit: hermosolun välikokoiset fila-mentit.

Hapan gliaproteiini: hermoston tukisolun väli-kokoinen filamentti

Lamiinit: Lamiinit tukevat tumakoteloa, muo-dostaen tumakotelon sisäpinnalle tumalevyn, johon ne myös sitovat inaktiivista kromatiinia. (Kierszenbaum 2007)

Mikrotubulukset

Mikrotubuluksen rakenne

Mikrotubulusten halkaisija on noin 25 nm ja pi-tuus useita mikrometrejä. Perusrakenne koostuu alfa-, beeta- ja gammatubuliineista. (Burkitt ym. 1993)

Kuva 7: Tubuliinidimeerit (α,β) organisoituvat mikrotubuluksen pituussuunnassa peräkkäin muodosta-en protofilamentin, joita on mikrotubuluksessa 13 kappaletta. Gammatubuliini liittää mikrotubuluksen sentrosomiin. (Niemi ym. 1994, Kierszenbaum 2007)

Mikrotubuluksen rakenne on polaarinen. Oligo-meerejä liittämällä mikrotubulus kasvaa positii-visesta päästä ja lyhentyy purkamalla negatiivi-sesta päästä (Kierszenbaum 2007).

Mikrotubuluksen organisoituminen ja apuproteiinitMiinuspää mikrotubuluksesta sijaitsee sentro-somissa. Sentrosomi on mikrotubulusten orga-nisointikeskus.(Burkitt ym. 1993) Sentrosomista mikrotubulukset kasvavat ulospäin kohti solun reunoja. Eukaryoottisella solulla on sentrosomis-sa kaksi sentriolia (keskusjyvästä) kohtisuorasti toisiaan vasten, jotka nekin koostuvat mikrotu-buluksista (Solunetti.fi 2009).

Solu organisoi mikrotubulusten kasvamista. Vain riittävän suuri tubuliinikonsentraatio mah-dollistaa mikrotubuluksen polymerisoitumisen. Mikrotubuluksen polymerisaatio (rakentami-nen) ja depolymerisaatio (purkautuminen) ta-pahtuvat tarvittaessa erittäin nopeasti. (Solu-netti.fi 2009)

Mikrotubuluksiin kiinnittyy apuproteiineja (dy-neiini, kinesiini, MAP-2) (Rhoades ym. 2007). Apuproteiineilla on erilaisia tehtäviä, kuten avustaminen polymerisaatioreaktioissa ja mikro-tubuluksen kiinnittäminen solukalvoon. (Kiers-zenbaum 2007, Solunetti.fi 2009)

232

Mikrotubuluksen tehtävät

Solun sisällä tapahtuva kuljetus

Kuva 8: Mikrotubuluksen pinnalla liikkuu ATP-hydrolyysin avulla eri suuntiin moottoriproteiine-ja, dyneiineja ja kinesiineja.. Niihin voi olla kiinnit-tynyt vesikkeli, joka kuljetetaan tällä menetelmäl-lä esimerkiksi Golgin laitteesta solukalvolle ek-sosytoitavaksi. Dyneiini liikkuu kohti negatiivista päätä eli kohti sentrosomia ja solun keskustaa, Kinesiini kohti positiivista päätä. (Kierszenbaum 2007, Solunetti.fi 2009)

Moottoriproteiineilla liikutetaan myös vesikke-leitä aksoneissa ja mitokondrioita solun sisällä. Sentrosomit sijaitsevat solun keskellä, jolloin on mahdollista kuljettaa materiaalia ja viestejä tu-man lähelle plasmamembraanista ja päinvastoin. (luennot – Metsikkö, Lehenkari 2009)

Solun jakautumien – Mitoosi ja MeioosiSentrosomit replikoituvat solukierron interfaa-sissa, profaasissa sentrosomit siirtyvät solussa eri päihin. Sentrosomit muodostavat tumasukku-lan ’navat’. Sentrosomeista kasvaa tähtimäisesti mikrotubuluksia, jotka ankkuroivat sentrosomin solukalvolle. (Kierszenbaum 2007)

Kuva 9. Profaasissa polaariset mikrotubulukset asettuvat lomittain ja muodostavat pariliitoksia. Näitä kutsutaan tumasukkularihmoiksi ja ne muodostavat tumasukkulan rungon. (Kierszenbaum 2007) Ana-faasissa kinetokoreihin kiinnittyneet mikrotubulukset depolymerisoituvat nopeasti, jolloin kromatidit liikkuvat kohti sentrosomeja, ja telofaasissa mikrotubuluksia kasvaa jälleen sentrosomeista kasvattaen solun muotoa normaaliksi. Telofaasissa mikrotubulukset ovat osallisena myös muodostamassa Golgin laitetta uudelleen. (Kierszenbaum 2007, Niemi ym. 1994)

Solun kalvotukiranka

Solun kalvotukirangan rakenne

Solun kalvotukiranka eli solukuorikko esiintyy kaikilla eukaryoottisoluilla, mutta ei prokaryoo-teilla eikä bakteereilla. Solukuorikko rakentuu erilaisista proteiineista solukalvon sisäpinnalle. (Solunetti.fi 2009)

Solun kalvotukirangan tehtävät

Muodon ylläpitäminenErityisesti punasoluissa solukuorikon muotoa ylläpitävä vaikutus korostuu. Kaksoiskoveran muodon säilyttäminen on tärkeää, koska muuten hiilidioksidin ja hapen sitoutuminen punasoluun vaikeutuu tai estyy kokonaan. (luennot – Lehen-kari 2009, Kierszenbaum 2007)

233

Solukuorikko tarttuu plasmamembraaniin β-spektriinien avulla. Samaan kompleksiin on liittyneenä myös aktiinia. (Niemi ym. 1994) Plasmamembraaniin kiinnittyneet glykoproteii-nit, ionikanavat ja reseptorit ovat kytkeytyneet osittain myös solukuorikkoon. (Kierzenbaum 2007)

Muita tehtäviäSolukuorikolla on merkitystä myös ’erilaistu-neiden alueiden’ ylläpitämisessä, sekä sytop-lasmaan siirtyvien viestien kuljettamisessa so-lun ulkopuolelta. Ligandina reseptoriin liittyvä viestimolekyyli siis käyttää signaalivälityksessä ainakin osittain solukuorikkoa apunaan. (Niemi ym. 1994)

YhteenvetoMikrofilamentit muodostavat tukea ja liikettä pe-ruskomponettiensa aktiinin ja myosiinin avulla. Välikokoiset säikeet ovat solun tukirangan kes-tävin rakenne ja toimii yleiskudontamateriaalina solussa. Mikrotubulukset osallistuvat solujakau-tumiseen ja solunsisäiseen kuljetukseen. Solun kalvotukiranka pitää yllä solun muotoa.

Lähteet

Burkitt HG, Young B, Heath JW. Wheather’s Functional Histology. Edinburgh : Churchill Livingstone, 1993 (ss. 20, 23)

Heino J, Vuoento M. Biokemian ja solubiologian perusteet. Helsinki: WSOY Oppimateriaalit 2007 (ss. 200–201)

Kierszenbaum AL: Histology and Cell Biology – An Introduction to Pathology 2nd ed. Philadelphia, PA : Mosby Elsevier, cop. 2007 (ss. 21–35, 51, 54–55)

Lehenkari, Petri: AL_4: Solun tukiranka ja migraatio. AL_5: Tuma ja solusykli, mitoosi ja meioosi. Oulun yliopisto. Anatomian laitos. Solu- ja kehitysbiologian luentomateriaalit 2009

Metsikkö, Kalervo: AL_9: ER, Golgi ja lysosomi. Oulun yliopisto. Anatomian laitos. Solu- ja kehitysbiologian luentomateriaalit 2009

Niemi M, Virtanen I, Vuorio E. Solu- ja molekyylibiologia. Porvoo: WEILIN+GÖÖS, 1994 (ss. 198–217)

Ph.D. Rhoades RA, Ph.D. Tanner GA. Medical Physiology.Boston (Mass.): Little, Brown and Company, cop. 1995. (ss. 55)

Virtanen, Ismo: Soluväliaine, soluliikkeet sekä solujen tarttuminen toisiinsa ja ympäristöön. [verkkodokumentti] (Luettu 8.9.2009) Biolääketieteen laitos/anatomia, lääketieteellinen tiedekunta, Helsingin yliopisto http://www.ept.tkk.fi/Teaching/S01104/soluvaliaine,%20soluliikkeet%20TKK.pdf

Solunetti – Solubiologia: tukiranka [verkkodokumentti] Solunetti (Luettu 22.08.2009). Saatavissa: www.solumetti.fi/fi/solubiologia/tukiranka

234

C9 Erilaistuvien solujen tarttumiskoneisto – solujen tukiranka ja liitoksetKauppinen Sami & Kettunen TuukkaSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto15.9.2010Tarkastaja: Siri Lehtonen

TiivistelmäSolun tukiranka (sytoskeletoni) koostuu pääosin kolmesta säikeisestä rakenteesta: mikrotubulukset, väliko-koiset säikeet ja mikrofilamentit. Nämä rakenteet luovat kolmiulotteisen verkoston, joka tunnetaan solun tu-kirankana. Solun tukiranka toimii solun liikkeissä ns. lihaksistona esim. värekarvat, ripset ja siimat. Aktiinis-ta koostuvat mikrofilamentit ovat osallisena supistuvien lihassolujen liikkeissä. Myosiini ja aktiini painuvat ATP:n vaikutuksesta lomittain jolloin ko. solu supistuu tai vastaavasti laajenee. Kun puhutaan erilaistumisesta, tarkoitetaan solun muuttumista kanta- eli emosolusta eriäväksi. Erilaistuvassa solussa tapahtuu muutoksia so-lun rakenteessa ja toiminnassa. Solu saattaa erikoistua johonkin tehtävään, jolloin tehtävään vaadittavat osat lisääntyvät. Muut solun toiminnot vastaavasti heikkenevät tai häviävät kokonaan. Soluväliaine yhdessä solun tukirangan ja solun ulkoisen materiaalin kanssa vaikuttaa solun muotoon ja myöskin erilaistumiseen. Kun solu on erilaistumassa tietyiksi kudossoluiksi, täytyy sen myös kiinnittyä vastaavien solujen kanssa. Esim. epitee-lisolukossa, kiinnittyminen tapahtuu tyvikalvoon ja muihin soluihin erilaisilla tavoilla. Kiinnittymisestä käy-tetään nimitystä adheesio, joka tarkoittaa suoranaisesti molekyylien tarttumisvoimaa. Soluliitokset ovat yksi erilaistuvan solun tukirangan tärkeimmistä toiminnoista. Solu voi kiinnittyä ympäristöönsä ja muihin soluihin tukirankansa avulla. Solukalvon kohtia, joissa vieretysten olevien solujen solukalvot ovat tiukasti toisiinsa liittyneitä, sanotaan solujen välisiksi liittymiksi eli junktioiksi. Liittymiskohdissa solukalvon integroidut pro-teiinit ovat kerääntyneet tiiviimmiksi aggregaateiksi ja sytoskeletonista niihin liittyy filamentteja, jotka pitävät valkuiskasaumaa paikallaan. Solujen tukirangassa olevia liitoksia ovat: tiivisliitos, vyöliitos, desmosomi, puo-li- desmosomi ja aukkoliitos.

JohdantoEsseen aiheena on solun tukirangan toiminta eri-laistuvassa solussa. Keskitymme selvittämään solun tukirangan perusrakenteet, solun erilaistu-misen ja tukirangan monista toiminnoista keski-tymme erityisesti sen muodostamiin soluliitok-siin epiteelisolussa.

Solun tukirankaIhmisen tukirankana toimii pääosin luuranko. Lihakset ja sidekudokset pitävät luut paikoillaan. Solulla on myös tukiranka, joka toimii kehykse-nä kaikelle mitä solu sisältää. Solun tukirangan (sytoskeletonin) elementit määrittävät solunsi-säisen järjestyksen, joka on erilainen riippuen solun tyypistä. Tukiranka koostuu pääosin kol-mesta säikeisestä rakenteesta: mikrotubulukset, välikokoiset säikeet ja mikrofilamentit. Nämä rakenteet luovat kolmiulotteisen verkoston, joka tunnetaan solun tukirankana. Lisäksi solu sisäl-

tää vähemmän järjestäytynyttä kudosjuostetta, joka kytkee säikeitä soluelimiin. Mikrotubu-lukset koostuvat tubuliinista (proteiini) ja ovat rakenteeltaan putkimaisia. Niiden läpimitta on noin 25nm. Mikrotubukset ovat kiinnittyneet so-lun keskellä sijaitsevaan sentrosomiin jossa uutta mikrotubulusta polymeroidaan. Mikrotubulukset ovat solunsisäisten kuljetustapahtumien tärkein kanava. (Karp, Gerald, 1984.) Kuljetus mikro-tubuluksia pitkin tapahtuu ertyisten moottori-proteiinien avulla, jotka liikuttavat itseään ja nii-hin liittyneitä lasteja ATP:stä saatavan energian avulla. ATP:tä liikkumiseen käyttävät värekarvat rakentuvat mikrotubuluksista, jotka muodos-tavat värekarvojen keskelle 2 keskusputkea ja reunoille 9kpl kaksoiskehäputkia. Värekarvojen liike on aaltomaista, joka poistaa esim. hengi-tysteissä epiteelistä erittyneitä limaan tarttuneita pöly- ja epäpuhtaushiukkasia. Mikrotubulukset muodostavat myös soluista lähtevien ripsien ja siimojen tukirangan esim. siittiön hännän perus-rakenne koostuu mikrotubuluksista. (solunetti)

235

Välikokoiset säikeet tai välikokoiset filamentit ovat solun tukirangan kannalta tärkein rakenne. Välikokoiset filamentit auttavat solua kestämään mekaanista kuormitusta. Ne ovat kokoluokaltaan mikrotubulusten ja mikrofilamenttien välissä (Ø noin 10nm) ja ovatkin saaneet nimensä juuri täs-tä. Mikrofilamentit ovat pienin rakenne tukiran-gassa (Ø noin 5nm). Mikrofilamentit koostuvat aktiinista joka mahdollistaa solun liikkeen esim. lihassolussa myosiinin kanssa lomittain. (Karp, Gerald, 1984.)

Kuva 1. Solun tukirangan osat: Mikrofilamentit Ø noin 5nm, Mikrotubulukset Ø noin 25nm, Väliko-kokoiset filamentit Ø noin 10nm.

Tukiranka ei ole ainoastaan rakenteellinen ele-mentti, vaan se osallistuu myös moniin muihin solun toimintoihin, kuten soluliitosten muodos-tamiseen, solun liikkumiseen, erittämiseen, mi- toosiin ja solukalvon läpi ulottuvien ”jatkeiden” muodostamiseen.

Solun erilaistuminenKun puhutaan erilaistumisesta, tarkoitetaan so-lun muuttumista kanta- eli emosolusta eriäväk- si. Erilaistuvassa solussa tapahtuu muutoksia sekä rakenteessa, että toiminnassa. Solu saattaa erikoistua johonkin tehtävään, jolloin tehtävään vaadittavat osat lisääntyvät. Muut solun toimin-not vastaavasti heikkenevät tai häviävät koko-naan. Kun solu on täysin erilaistunut, se ei voi enää lisääntyä jakautumalla. Erilaistuminen on solun elämän helpottamisen kannalta erittäin tärkeää. Monisoluiset erilaistuneet solut pysty-

vät muokkaamaan elinympäristöään itselleen suotuisaksi. Erilaistumista tapahtuu monilla ta-soilla. Suurimmat muutokset aiheuttavat suuria rakenteellisia muutoksia (sytodifferentiaatiota). Kaikissa monisoluisissa eliöissä solut erilais-tuvat koko elämän. Solujen erilaistuminen on vauhdikkainta alkion kehityksen aikana. (Niemi, 1994)

Mikä käynnistää erilaistumisen? Tapahtuma on erittäin monimutkainen, esim. jokin osa saman-laisesta kantasolujoukosta lähtee erilaistumaan tiettyyn tehtävään ja jokin osa toiseen. Tulkin-toja on kahdenlaisia ja analogiaksi käy entsyy-mireaktioketjun kinetiikka. Toinen teoria sanoo että rajoittavia tekijöitä on yksi ja reaktiot eivät tapahdu sekunneissa vaan ne ovat pitkiä ja voi-vat olla päivien tai tuntien luokkaa. Toisen teori-an mukaan rajoittavia tekijöitä on useita jolloin erilaistumisen alkaminen on tarkka prosessi ja vaatii kaikkien osasten toimimista. Tällöin pieni-kin häiriö erilaistumisprosessissa voisi aiheuttaa koko prosessin keskeytymisen. Aikuisen yksilön kudokset sisältävät jonkin verran kantasoluja ja tällöin erilaistuminen tietyksi kudokseksi oh-jautuu solun ympäristön avulla. Vuorovaikutus ympäröivien solujen kanssa on siis tärkeää. So-lut tuottavat soluväliainetta, joka ohjaa erilais-tumista, kasvua ja solujen liikettä. Esimerkkinä sidekudosta epiteeliin liittävä tyvikalvo, joka on erittäin tärkeä soluväliaineen komponentti. Soluväliaineen merkitys on korostunut epiteeli-mesenkyymivuorovaikutustilanteessa. Mesen-kymaalisella solukolla on tarkka tehtävä, kun se tuottaa oikeanlaista epiteloivaa tekijää. Vuo-rovaikuttajina tässä toimivat esim. tyvikalvo, te- naskiini (glykoproteiini), fibronektiinit (gly-koproteiini), syndekaani (glykoproteiini) sekä suorat solu-solukontaktit. Soluväliaine yhdessä solun tukirangan ja solun ulkoisen materiaalin kanssa vaikuttaa solun muotoon ja myöskin eri-laistumiseen. Kun solu on erilaistumassa tietyik-si ku- dossoluiksi, täytyy sen myös kiinnittyä vastaavien solujen kanssa. Esim. epiteelisolu-kossa, kiinnittyminen tapahtuu tyvikalvoon ja muihin soluihin erilaisilla tavoilla. Kiinnittymi-sestä käytetään nimitystä adheesio, joka tarkoit-taa suoranaisesti molekyylien tarttumisvoimaa. (Niemi, 1994)

236

Kuva 2. Basaalikerroksesta erilaistuva solu. Stra-tum Corneum eli sarveiskerros, Granular layer eli jyväiskerros, spinous layer eli okasolukerros ja basaalikerros eli tyvisolukerros. Solut lisääntyvät basaalikerroksessa ja matkaavat vähitellen kohti ihon pintaa käyden läpi eri vaihei- ta kunnes lopul-ta kuolevat ja hilseilevät pois.

Soluliitokset

Kuva 3. Kaavakuva soluliitoksista epiteelikudok-sessa

Adheesio

Soluliitokset ovat yksi tärkeimmistä erilaistuvan solun tukirangan toiminnoista. Tavallisimmil-laan adheesiota välittävät systeemit ovat nähtä-vissä erilaisten epiteelisolujen muodostamassa pintasolukossa. Adheesion alussa solut muodos-tavat plakodeja eli samanlais- ten solujen tiivis-tymiä, joiden muodostuminen edellyttää adhee-siomolekyylien olemassaolon.

Lisäksi solujen täytyy tarttua ympäristöönsä so-luväliaineen proteiinien avulla. (http://www.hel-sinki.fi/farmasia/pharmbiol/Linkkimateriaalit/Biotiede/Soluadheesio2007.pdf)

Adheesio- ja soluväliaineen komponentit liitty-vät suoraan tai välillisesti solukalvoon ja solun tukirankaan. Erityisesti pintoja peittävien epitee-lien toiminta edellyttää solujen välillä hyvinkin tiukkaa sitoutumista. (Niemi, 1981).

Solukalvon kohtia, joissa vieretysten olevien solujen solukalvot ovat tiukasti toisiinsa liitty-neitä, sanotaan solujen välisiksi liittymiksi eli junktioiksi. Liittymiskohdissa solukalvon integ-roidut proteiinit ovat kerääntyneet tiiviimmiksi aggregaateiksi ja sytoskeletonista niihin liittyy filamentteja, jotka pitävät valkuiskasaumaa pai-kallaan. Solujen tukirangassa olevia liitoksia ovat: tiivisliitos, vyöliitos, desmosomi, puolides-mosomi ja aukkoliitos. (Solunetti ja Niemi 1981)

Tiivis liitos (tight-junction)

Tiivis liitos on epiteeleissä esiintyvä solujen vä-linen liitosrakenne, joka rajoittaa veden, ionien ja muiden suurempien liuenneiden aineiden lä-päisyä solujen välillä. Samalla se ankkuroi so-lun kiinni muihin soluihin, jolloin se ei pysty migraatioon. Proteiinit tiiviissä liitoksessa kiin-nittyvät solunsisäisten aktiinifilamenttien kans-sa. Vierekkäiset solut ovat yhteydessä toisiinsa juostemaisilla rakenteilla, jotka sisältävät tiettyjä proteiineja: okludiini ja klaudiinit, ZO-1, ZO-2, ZO-3, 7H6 ja symplekiini.Tiivisliitos ei päästä vettäkään läpi tiiviin liitoksen kohdalta. Eri epi-teelien diffuusiokyky vaihtelee kuitenkin paljon. (Niemi 1981 ja solunetti)

Tiiviiden liitosten avulla elimistö pystyy pitä-mään esim. suurimman osan ruuansulatuseli-mistön sisällöstä suolessa siirtäen samalla vain ravintoaineet valikoivan aineiden kuljetuksen avulla solukalvon läpi ja epiteelisolukon kautta verenkiertoon. (solunetti)

237

Desmosomi

Pitkin toisiinsa kiinnittyneitä solukalvoja voi mikroskoopilla havaita lokaalisia paksuntumia, desmosomeja. Näitä esiintyy etenkin niissä epi-teeleissä, joita mekaaninen rasitus kuormittaa, esim. ihon epidermiksessä. (Niemi, 1981)

Desmosomin kohdalla molempien solujen plas-mamembraanit (solukalvot) kulkevat yhden- suuntaisina, mutta jonkin verran paksuuntunei-na. Solukalvoja erottaa n. 30nm levyinen sokeri-yhdisteitä sisältävä tila. Paksuuntuminen johtuu soluliman puolelle kalvon alle kasaantuneesta säikeisestä levystä. Levystä säteilee edelleen solulimaan päin n. 10nm paksuisia tonofilamen-teiksi kutsuttuja välikokoisia filamentteja. Ne kiinnittävät solukalvon sytoskeletoniin tekemäl-lä silmukan säikeisen levyn läpi. (solunetti)

Soluvälitilaan tulee kummastakin plasmamem-braanista ohuita säikeitä, joissa on useita erilaisia kiinnittymis- l. adheesioproteiineja (mm. kadhe-riinit ja desmogleiinit). Ne kytkevät rinnakkais-ten solujen tonofilamentit yhteen tehden koko epiteelisolukosta tanakamman. (Niemi, 1981)

Vyöliitos (vyödesmosomit)

Epiteelisolukossa solu-soluliitokset muodostu-vat vyöliitoksella, joka taas muodostuu kun cad-heriini vuorovaikuttaa dynaamisesti solun tuki-rangan aktiinin kanssa. Solu-soluliitosten säätely on tärkeää, jotta terveen kudoksen ominaisuudet säilyvät ja uusiutuminen pysyy sään- nöllisenä. Aktiinifilamenttien järjestäytyminen on pitkälti myosiinin varassa, joka pitää yllä toimintoja jot-ka järestävät ja muodostavat uusia vyöliitoksia. (Cavey, Lecuit, 2009)

Yleensä vyöliitos sijaitsee tiiviin liitoksen ala-puolella, pinnallisempien epiteelisolujen vapaan pään läheisyydessä. Desmosomeista vyödesmo-somit eroavat säikeistöltään. Soluvälitilassa ta- vataan enemmän säikeitä ja solun sisällä olevat säikeet ovat supistumiskykyisiä aktiini- proteii-nia sisältäviä mikrofilamentteja, jotka käyttävät ATP:n energiaa supistuessaan. (Niemi 1981)

Vyöliitoksen tehtävänä on epiteelin kaareuttami-nen putkenomaiseksi rakenteeksi ja epiteelien mekaanisena siteenä toimiminen. Lisäksi liike-kyvyllä on merkitystä epiteelin aukkojen tila- päisen peittämisessä, kun pintasoluja aikanaan kuolee, vaurioituu ja irtoaa pois. Vyöliitoksen kadheriinit ovat plasmamembraanin läpäiseviä

proteiineja, jotka solun sisäpuolella olevien ka- teniinien välityksellä kiinnittyvät sytoskeletonin aktiiniin. (Solunetti)

Aukkoliitos

Solukalvon yksi tehtävä on informaation siirto solusta toiseen. Tämä onnistuu aukkoliitosten muodostamien aukkojen avulla. Aukkoliitokset ovat tärkeitä sikiönkehityksen alkuvaiheessa ravinteiden siirrossa, ennen verenkierron ke-hittymistä. Lisäksi ne ovat tärkeitä solujen ho-meostaasin ylläpidossa ja kudosten toiminnassa. Ne välittävät solunvälisiä viestejä esimerkiksi Ca2+-ionien ja syklisen AMP:n avulla. Lisäksi alle 1000 daltonin kokoiset molekyylit eli taval-lisimmat sokerit, aminohapot, nukleotidit, vita-miinit, sekä eräät hormonit (pääosin steroidit) pääsevät siirtymään konneksonin läpi solusta toiseen. Hyvän sähkönjohtokykynsä vuoksi auk-koliitoksia on kutsuttu sähköisiksi synapseiksi. Niissä virtaa kuljettavat epäorgaaniset ionit siir-tyvät solusta toiseen aukkoliitoksen kautta. Näi-tä voi löytää paljon sydänlihaksessa ja sileässä lihaksessa. Jos solu sattuu vaurioitumaan, niin siihen vuotaa kalsium- ioneja, jotka sulkevat aukkoliitokset. Tällä tavoin esimerkiksi ravinteet eivät pääse valumaan ehjiksi jääneistä soluista hukkaan. (Niemi 1981)

Konneksiinit ovat aukkoliitosten proteiinia olevia rakennuspalikoita, jotka mahdollistavat solujen välisen pienten molekyylien ja ionien vaihdon. Geenitutkimuksen nykytiedon valossa ihmisellä on 21 erilaista konneksiini-proteiinia. Aukkoliitoskanavat rakentuvat kahdesta puoli-kanavasta, joita kutsutaan konneksoneiksi. Jo-kainen tällainen konneksoni koostuu kuudesta konneksiini.proteiinista. Kun kahden solun välil-le muodostuu aukkoliitos, niin yksi konneksoni molemmista soluista asettuu vastatusten muo-dostaen molempien solukalvojen läpäisevän ka-navan. Aukkoliitoksen muodostumisessa kahden konneksonin kohdakkain telakoitumisen proses-si on kuitenkin edelleen huonosti ymmärretty. Liitosproteiinit sitovat konneksiinit mikrofila-mentteihin ja mikrotubuluksiin. Liitosproteiinit spektriini, drebriini ja kortaktiini ovat aktiinia sitovia proteiineja, joiden on havaittu yhdistä-vän konneksiinit sytoskeletonin aktiinimikro-filamentteihin. Osassa konneksiineissa (esim. Cx43) on oma tubuluksen-sitoutumisalue, joko yhdistää konneksiinin suoraan mikrotubulusver-kostoon. (Laird DW 2009)

238

Puolidesmosomi

Puolidesmosomin rakenne solun sisäpuolella vastaa desmosomin rakennetta, mutta solun ul-kopuolella solu kiinnittyy integriinien välityk-sellä tyvikalvoon. Solukalvosta ojentuu ohuita kytkijäsäikeitä, jotka kiinnittävät solun tyvikal-voon. Siitä huolimatta, että puolidesmosomit kytkeytyvät desmosomien lailla solun tukiran-kaan, niin niissä ei ole desmosomeille tyypillisiä molekyylejä kuten desmoplakiineja ja desmog-leiineja. Viestinvälitys mm. erilaistumisen, so-lun jakaantumisen ja apoptoosin yhteydessä on mahdollista integriinien välityksellä. (solu- netti)

Lähteet

Cavey Matthieu, Lecuit Thomas, Molecular Bases of Cell–Cell Junctions Stability and Dy- namics, Cold Spring Harb Perspect Biol 2009;1:a002998.

Karp, Gerald, Cell Biology 2nd edition, McGraw-Hill, 1984

Laird DW, Trends in Cell Biology 2010 Feb;20(2):92–101. Epub 2009 Nov 26.

Niemi M, Virtanen I, Vuorio E. Solu- ja molekyylibiologia 5.painos. Weilin+Göös 1994, S198–218, 241–257.

Niemi M, Korhonen L.K. Uusi solubiologia Weilin+Göös 1981 S95–104, 156–173

Www.solunetti.fi. luettu 9.9.2010.http://www.helsinki.fi/farmasia/pharmbiol/Linkkimateriaalit/

Biotiede/Soluadheesio2007.pdf. luettu 8.9.2010.

Kuvat

KUVA1: mukailtu Kirsi Sainion luennon kuvasta ht tp : / /www.hels inki . f i / farmasia /pharmbiol /Linkkimateriaalit/Biotiede/Solubiologian%20perus teet2007.pdf. piirtäjä: Sami Kauppinen

KUVA2: mukailtu kuvasta: http://www.genome.gov/Pages/Research/DIR/GenomicsinAction/ga_segre_skin2.htm. piirtä- jä: Sami Kauppinen

KUVA3: mukailtu kohdasta 2.6.3 cell junctions: http://herkules.oulu.fi/isbn9514266463/html/x563.html. piirtäjä: Sami Kauppinen.

239

C10 Solun energia-aineenvaihdunta – kemiallisen energian tuotanto ja kulutusRapo, Heli & Moisanen, HeidiSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelma Anatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto14.9.2010Tarkastaja: Mika Pietilä

TiivistelmäSolujen energian tuotannon keskeisimmät ilmiöt ovat sitruunahappokierto ja oksidatiivinen fosforylaatio, joi-den kautta solu muodostaa energiaa ATP:n muodossa. Vaikka eri ravintoaineilla onkin erilaiset aineenvaihdun-tareitit, yhdistyvät niiden reitit tietyssä kohtaa ja johtavat kaikki oksidatiiviseen fosforylaatioon.

Oksidatiivisen fosforylaation elektroninsiirtoketju ja ATP-synteesi ovat riippuvaisia toisistaan, eivätkä ne voi tuottaa ATP:ta ilman toisiaan. Solun energian tuotannon kannalta on siis varsin tärkeää, että sekä elektroninsiir-toketjun proteiinikompleksit että ATP-syntaasi toimivat ongelmitta.

Solujen energian käytön osalta ilmiöt ovat tiivisti sidoksissa energian tuottoon. Näennäisesti nämä mekanismit toimivat usein samalla tavalla mutta ainoastaan vastakkaiseen suuntaan. Osa reaktioista on ajateltu hyödyn-tävän jopa täysin samoja entsyymejäkin kuin vastaava energian tuottamiseen tähtäävä reaktio. Tarkemmassa tarkastelussa voidaan todeta, että lähes kaikki vastakkaiset aineenvaihdunnan reaktiotiet käyttävät eri meka-nismeja ja välituotteita. Esimerkiksi glykolyysi (glukoosista pyruvaattiin/laktaattiin) ja glukoneogeneesi (py-ruvaatista/laktaatista glukoosiin) käyttävät eri entsyymivarustusta. Kataboliset energiaa vapauttavat välivaiheet joudutaan anaboliassa kiertämään käyttämällä ihan eri reaktiota, jolla tasapainoa voidaan siirtää vastakkaiseen suuntaan ATP:n avulla. Jos näin ei olisi, kaikki päättyisi tasapainoon, entropiaa kasvaisi maksimiinsa, eikä elämä olisi mahdollista (Ilmo Hassinen, henkilökohtainen kommunikaatio, korj P Lehenkari). Näin energia-aineenvaihdunta on varsin monimutkainen biokemiallinen koneisto, joka mahdollistaa kaiken elämän.

JohdantoSolun energia-aineenvaihdunta eli solun meta-bolia on hyvin laaja asiakokonaisuus, jonka ko-konaisvaltainen ja kattava tarkastelu edellyttäisi huomattavasti yksityiskohtaisempaa tutkimusta kuin tämän esseen osalta on mahdollista suorit-taa. Näin ollen esseen tavoite ei olekaan yksi-tyiskohtainen aineenvaihdunnan eri osa-alueiden pilkkominen vaan pyrkimys tuottaa olennaisim-piin kokonaisuuksiin keskittyvä tiivistelmä so-lun energia- aineenvaihdunnasta.

Metabolia voidaan karkeasti jakaa anaboliaan ja kataboliaan, mutta on huomioitava, että ne ovat varsin tiivisti kytköksissä toisiinsa, eivätkä ole siis toisiaan poissulkevia. Teoreettisessa tarkas-telussa ne on kuitenkin hyvä eriyttää toisistaan selkeyden vuoksi ja lisäksi jakaa vielä ravinto-aineittain omiin osa-alueisiinsa. Hiilihydraatti-en, rasvojen ja proteiinien aineenvaihduntareitit ovat siis omina alalukuinaan.

Esseen alussa tarkastellaan katabolisia ainnen-vaihduntareittejä ravintoaineittain ja samaa lo-giikkaa käyttäen käydään hieman tiivistetymmin läpi solun anabolisten reittien pääpiirteet.

KataboliaKataboliset aineenvaihduntareitit ovat eksergoni-sia eli ne vapauttavat energiaa, joka esiintyy pää-asiallisesti adenosiinitrifosfaattimolekyylin (ATP) muodossa. Elimistö käyttää tämän energian sekä solujen toiminnan ylläpitoon että uusien orgaa-nisten molekyylien tuottamiseen. Katabolisen reitin vapauttamasta energiasta osa siis osallistuu anaboliseen aineenvaihduntareittiin, jossa em. uu-sia orgaanisia makromolekyylejä ja muita kom-ponentteja tuotetaan. (Becker ym. 2000, 376–377)

ATP-molekyylit toimivat ikään kuin ”energiava-luuttana” eri aineenvaihduntareaktioiden kesken. ATP:n keskeinen rooli perustuu sen kahteen run-sasenergiseen fosfoanhydridisidokseen. ATP:n hydrolyysissä ATP-molekyyli hajoaa veden

240

vaikutuksesta adenosiinidifosfaattimolekyyliksi (ADP) ja fosfaattiryhmäksi. (Becker ym. 2000, 377)

Solun energiantuotannossa olennaisin rakenne on mitokondrio, jossa pääosa energiaa tuottavis-ta reaktoista tapahtuu. Lisäksi näissä reaktioissa tietyillä koentsyymeillä1 – nikotiiniamidiadenii-nidinukleotidilla (NAD+/NADH) ja flaviiniade-niinidinukleotidilla (FAD/FADH2) – on äärim-mäisen merkittävä rooli. (Storey 2004, 213)

Hiilihydraatit

Hiilihydraatit ovat rasvojen ohella eläinsolun tärkeimpiä energialähteitä, ja ne ovat alkujaan peräisin kasvisolujen fotosynteesistä (l. yhteyt-täminen). Kasvisolut tuottavat hiilidioksidin ja auringon säteilyenergian avulla glukoosia ja vet-tä ns. vihreissä osissaan, joissa on klorofylliä (l. lehtivihreä). (Lawlor 2001, 1–3)

6 H2O + 6 CO2 + valo → C6H12O6 + 6 O2

GlykolyysiGlykolyysi tapahtuu solun sytoplasmassa. Glu-koosi tulee soluun ulkopuolelta solukalvon glu-koosikuljettajien kautta passiivisesti tai solun si-säisistä glykogeenivarastoista, joista purkamalla saadaan glykolysiin sopivaa glukoosi-6-fosfaat-tia. Glykolyysissa kuusihiilinen glukoosi pilk-koutuu useassa eri reaktiossa kahdeksi kolmihii-liseksi molekyyliksi: pyruvaatiksi eli palorypäle-hapoksi. Reaktio tuottaa 2 ATP-molekyyliä ja 2 NADH-molekyyliä yhtä glukoosi-6-fosfaattimo-lekyyliä kohden. Mikäli solussa on mitokond-rioita sekä riittävävästi happea, glykolyysissa syntynyt pyruvaatti voi hapettua edelleen oksi-datiivisessa dekarboksylaatiossa siirryttyään mi-tokondrioon kuljettajaproteiinin avulla. (Becker ym. 2000, 413; Heino & Vuento 2001, 82–85)

Glykolyysin nettoreaktio (Heino & Vuento 2001, 83–84):

Glukoosi + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → Pyruvaatti + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

Oksidatiivinen dekarboksylaatio (Becker et al. 2000, 413):

Pyruvaatti + Koentsyymi-A + NAD+ → Asetyy-li-KoA + CO2 + NADH + H+

SitruunahappokiertoPyruvaatista syntynyt asetyyli-KoA toimii sit-ruunahappokierron eli trikarboksyylihappokier-ron pääsubstraattina ja onkin aineenvaihdunnan yhteinen välituote hiilihydraattien ja rasvojen hapetuksessa (Kuva 1.). Sitruunahappokierto tapahtuu mitokondrion matriksissa ja on sarja reaktioita, joissa (1) asetyyli-KoA:n asetyyliryh-mä hapettuu täydellisesti hiiliatomien irrotessa hiilidioksina, (2) vetyatomit pelkistävät NAD+ NADH:ksi ja (3) FAD FADH2:ksi. (Becker ym. 2000, 413; Heino & Vuento 2001, 91–94)

Kuva 1: Sitruunahappokierron pelkistetty kaava-kuva.

Yksinkertaistaen em. reaktiosarjan käynnistää sitraattisyntaasi ja tällöin oksaloasetaatti liittyy asetyyli-KoA:n asetyyliryhmään muodostaen sitraattia2 ja koenstyymi-A vapautuu uudelleen käytettäväksi. Sitraatti sisältää kolme karbok-syyliryhmää, mistä johtuu myös nimi trikarbok-syylihappokierto. Sitraatti hapettuu asteittain ja viimeisessä vaiheessa lopputuotteena on jälleen oksaloasetaatti, joka mahdollistaa kierron uu-delleen alkamisen. Kierrossa vapautuu (1) yksi GTP-molekyyli, joka muutetaan ATP-molekyy-liksi, (2) kolme NADH-molekyyliä ja (3) yksi FADH2-molekyyli kutakin pilkottua asetyyli-KoA-molekyyliä kohden. Pelkistyneet koent-syymit NADH ja FADH2 siirtyvät puolestaan oksida tiivisen fosforylaatioon.(Heino & Vuoen-to 2001, 91–94)

1 Kataboliset reaktiot sisältävät hapetusreaktioita, joita katalysoivat elektroninsiirtäjäkoentsyymit: nikotiiniamidia-deniinidinukleotidi (NAD+/NADH) ja flaviiniadeniinidinukleotidi (FAD/FADH2).

241

Oksidatiivinen fosforylaatioOksidatiivisella fosforylaatiolla viitataan sekä mitokondrion sisäkalvon elektroninsiirtoketjuun että sen ATP-syntaasin ATP-tuotantoon. Nämä ovat keskenään toisistaan riippuvaisia eli toisin sanoen ne tapahtuvat usein toistensa yhteydessä (Becker ym. 2000, 433–434).

Koentsyymien hapettuessa mitokondrioiden sisäkalvoilla irronneet elektronit kulkeutuvat kalvon elektroninsiirtoketjuun. Elektroninsiir-toketjussa on neljä erilaista proteiinikompleksia (Kuvassa 2 sinisinä) ja elektronit siirtyvät komp-leksilta toiselle. Kompleksien pumpatessa pro-toneita matriksista välitilaan, muodostuu kalvo-potentiaali sisäkalvon yli. Potentiaalieron vuoksi vetyionit pyrkivät palamaan matriksin puolelle. (Becker et al. 2000, 423–426; Heino & Vuento 2001, 94–102)

Kuva 2: Oksidatiivinen fosforylaatio. Kuviossa on esitetty elektroninsiirtoketjun proteiinikompleksit sinisellä ja ATP-syntaasikompleksi vihreällä. Vio-letilla kuvataan ubikinonia (Q) ja keltaisella sy-tokromi c:tä (cyt c), joiden kautta elektronivirta myös kulkee. Elektronien kulkua kuvataan kat-koviivalla ja yhtenäinen viiva kuvaa puolestaan vety-ionien liikkeitä. (mukaillen Alberts ym. 2002, 775–776, 787)

Koska mitokondrion sisäkalvo on normaalisti läpäisemätön vetyioneille, ne pääsevät pala-maan vain erityisten proteiinikanavien kautta, jotka ovat ATP-syntaasimolekyylejä (kuviossa 2 vihreänä). Tällöin muodostunut protonigradi-entti purkautuu ATP- syntaasientsyymin kautta, jolloin se muodostaa ATP:tä. (Heino & Vuento 2001, 103–106)

Elektroninsiirtoketjun loppuvaiheessa elektronit liittyvät molekulaariseen happeen, joka pelkis-tyy näin vedeksi. Varsinaisen oksidatiivisen fos-

forylaation lopputuottena on yhteensä noin 28 ATP-molekyyliä sekä siis vettä. Yhdestä glukoo-simolekyylistä muodostuu tosin yhteensä kuiten-kin noin 30 ATP-molekyyliä laskettaessa yhteen glykolyysissä, sitruunahappokierrossa ja elektro-ninsiirtoketjussa muodostuneet ATP-molekyylit. (Heino & Vuento 2001, 97–102

Anaerobinen energiantuottoKun solu ei kykene aerobiseen aineenvaihdun-taan tai happea ei ole käytettävissä, NADH:n hapettuminen mitokondriossa loppuu, jolloin glykolyysi ei enää jatku. Fermentaatio, eli käy-misreaktiot mahdollistavat energian tuoton ana-erobisesti erityisesti lihassolussa. (Becker ym. 2000, 391–392)

Tällöin lihassolujen laktaattifermentaatioreakti-ossa kertynyt NADH pelkistää pyruvaatin lak-taatiksi ja näin saadaan lisää NAD+:ia, jotta gly-kolyysi voi jatkua ja saadaan tuotettua ATP:tä. Energiaa tosin syntyy vain pieni osa siitä ener-giamäärästä, jota syntyy aerobisessa aineenvaih-dunnassa, n. 2 ATP-molekyyliä glukoosimole-kyyliä kohden. (Becker ym. 2000, 391)

Pyruvaatti + NADH ↔ Laktaatti + NAD+

Rasvat

Rasvojen merkittävin rooli on toimia nimen-omaan pitkäaikaisena energiavarastona (vrt. hiilihydraattien paikalliseen ja helposti hyödyn-nettävään varastointiin) ja suurin osa rasvoista varastoidaan triglyseridimolekyyleinä: glysero-lin ja rasvahappojen triestereinä. (Becker ym. 2000, 419)

Triglyseridien hajotus alkaa glyserolin ja va-paiden rasvahappojen hydrolyysillä. Tämän jälkeen glyseroliosa muutetaan dihydroksiase-tonifosfaatiksi ja se ohjataan ns. glykolyyttiseen aineenvaihduntareittiin (”glycolytic pathway”), jossa se joko siirtyy glykolyysi- tai glukoneoge-neesivaiheeseen. Vapaat rasvahapot puolestaan muunnetaan mitokondrioiden beetaoksidaatios-sa asetyyli-KoA:ksi poistamalla kerrallaan aina kaksi hiiliatomia. Tästä eteenpäin asetyyli-KoA jatkaa kulkua sitruunahappokiertoon. (Becker ym. 2000, 419–420)

242

Proteiinit

Proteiinit toimivat mm. entsyymeinä, kuljettaja-proteiineina, hormoneina ja reseptoreina. Niistä voidaan tosin tuottaa energiaa, mutta normaali-toiminnassa tämä on vähäistä. Proteiineista läh-tevät kataboliset reitit yhtyvät jo alkuvaiheessa hiilihydraattien tai rasvahappojen aineenvaih-duntareitteihin. (Heino & Vuento 2004, 80; Becker ym. 2000, 421–422)

AnaboliaAnaboliset reaktiot kuluttavat energiaa (ATP:ta) ja tuottavat uusia molekyylejä. Varsin rajallisesta määrästä yksinkertaisia lähtöaineita voidaankin syntetisoida moninainen joukko erilaisia yhdis-teitä. (Heino & Vuento 2001, 80)

Hiilihydraatit

Hiilihydraattien synteesiä kutsutaan glukoneo-geneesiksi. Se tapahtuu pääosin maksassa ja läh-töaineena on yleensä pyruvaatti tai siitä pelkis-tynyt laktaatti. Glukoneogeneesi muistuttaa gly-kolyysiä, mutta reaktio tapahtuu vastakkaiseen suuntaan.(Storey 2004, 245–246)

Rasvat

Rasvahappoja syntetisoidaan sytoplasmassa (vrt. beetaoksidaatio mitokondriossa) rasvahapposyn-taasin avustamana. Rasvahappoja muodostetaan liittämällä yhteen kahden hiiliatomin mittai-sia asetyyli-KoA:n asetyyliryhmiä ja synteesin päätuotteina syntyy palmitiinihappo sekä jon-kin verran steariinihapppoa – näistä muokataan jatkokäsittelyssä muut rasvahapot. Varsinainen energiavarastomuoto, triglyseroli, muodostetaan rasvahapoista ja glyseroli-3-fosfaatista, joka on saatu dihydroksiasetonifosfaatista tai vapaasta glyserolista. (Heino & Vuento 2001, 125–126, 130)

Proteiinit

Solut syntetisoivat proteiineja aminohapoista, joita puolestaan saadaan sekä syntetisoimalla tai ravinnosta. Ns. välttämättömiä aminohappoja, joita on kymmenen erilaista, ei tosin voida synte-tisoida vaan ne täytyy saada ravinnosta. Ei-vält-tämättömiä aminohappoja voidaan syntetisoida eri lähtöaineista, mm. sitruunahappokierron vä-lituotteista. (Alberts ym. 2002, 105–106, Heino & Vuento 2004, 137–138)

YhteenvetoSolun energia-aineenvaihdunta on lyhyellä aika-välillä hyvin pitkälle keskittynyt hiilihydraattien hyödyntämiseen. Useimmiten tähän tarvitaan myös happea, vaikka energiantuotanto joissakin tapauksissa onnistuu hapettomissakin olosuh-teissa.

Hiilihydraattien ja hapen merkityksen lisäksi on olennaista huomioda myös, kuinka olennainen rooli energia-aineenvaihdunnassa on erilaisilla koentsyymeillä kuten esimerkiksi NADH- tai FADH2-molekyyleillä tai sitruunahappokierron sitraattisyntaasilla. Ne mahdollistavat jopa muu-ten epätodennäköiset reaktiot.

Lähteet

Alberts Bruce, Johnson Alexander, Lewis Julia, Raff Martin, Roberts Keith & Peter Walter Molecular Biology of the Cell 4th edition. Garland Science 2002

Becker Wayne M., Kleinsmith Lewis J. & Jeff Hardin The World of the Cell 4th edition. Addi- son Wesley Longman Inc. 2000

Heino Jyrki & Matti Vuento Solubiologia 2. uudistettu painos. WSOY 2004

Lawlor, D.W. Photosynthesis, BIOS Scientific Publishers Limited, USA, 2001.

Lehninger Albert L, Nelson David L, Cox Michael M. Principles of Biochemistry 2nd edition. USA: Worth publishers inc.1993

Murray Robert K, Granner Daryl K, Mayes Peter A, Rodwell Victor W. Harper´s Biochemistry 23rd edition. USA: Prentice Hall International Inc. 1993

Storey Kenneth B. Functional Metabolism: Regulation and Adaptation Wiley-Liss Inc. 2004

243

C11 Warburgin efekti – syövän kummallinen energiantuotantoLassila, Meri & Lindholm, VilleSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto16.09.2012Tarkastaja: Sami Palomäki

TiivistelmäWarburgin efekti (WE) eli aerobinen glykolyysi on syövälle ominainen piirre energiametaboliassa. Siinä solu hajottaa suuren osan glukoosista glykolyysin avulla saamastaan palorypälehaposta maitohapoksi. Tämä poik-keaa solun normaalista aineenvaihdunnasta, jossa palorypälehappo ohjataan mitokondrioon, joka tuottaa so-lulle energiaa sitruunahappokierrolla ja elektroninsiirtoketjulla. Syöpäsolu siis käyttäytyy hapettomissa oloissa olevan solun tavoin, vaikka happea olisi saatavilla. Tämän vuoksi WE:ä kutsutaan myös aerobiseksi glykolyy-siksi. WE:n mekanismista molekyylitasolla ei olla varmoja, mutta erilaisia selityksiä ja teorioita on olemassa useita. Viime vuosina on kyseenalaistettu jopa koko WE ja esitetty teoria (käänteinen Warburgin efekti), jonka mukaan aerobinen glykolyysi tapahtuisikin syöpäsoluja ympäröivässä tukikudoksessa.

Johdanto1920-luvulla saksalainen biokemisti Otto War-burg huomasi, että vaikka syöpäsoluilla olisi käytössään happea, ne tuottavat jopa puolet adenosiinitrifosfaatistaan (ATP) hajottamalla glukoosin maitohapoksi saakka glykolyysillä ja maitohappokäymisellä. Syöpäsolut siis suosivat sellaista energiantuotantoa, joka tuottaa yhdes-tä glukoosimolekyylistä 15 kertaa vähemmän ATP:a verrattuna solujen normaaliin aerobiseen energia-aineenvaihduntaan. Tätä ilmiötä alettiin kutsua Warburgin efektiksi eli aerobiseksi glyko-lyysiksi. (Pedersen 2007)

Solujen energiametabolia Solut tarvitsevat toimiakseen energiaa, jota ne saavat katabolisten, eli hajottavien, reaktioiden avulla. Katabolisten reaktioiden lähtöaineina voi olla useita erilaisia molekyylejä: hiilihydraatteja, rasvahappoja ja aminohappoja. Näistä hiilihyd-raateilla ja rasvahapoilla on normaalitilanteessa suurin merkitys eläinsolujen energiantuotannos-sa. Katabolialle on kuitenkin ominaista, että eri lähtöaineiden hajoamisreitit lopulta yhtyvät ja lopulliset reaktiosarjat ovat lähtöaineista riip-pumatta glykolyysi, trikarboksyylihappokierto ja oksidatiivinen fosforylaatio. Näiden reaktioi-den avulla solut valmistavat ATP:a, joka välittää kataboliasta vapautuneen energian esimerkiksi lihassolujen mekaaniseksi energiaksi tai biosyn-teesiin uusien molekyylien rakentamista varten. (Heino ja Vuento 2001)

Glykolyysi

Glykolyysi on solulimassa tapahtuva reaktiosar-ja (kuvio 1). Glykolyysissä yhdestä glukoosi-molekyylistä saadaan kaksi ATP-, kaksi NADH- ja kaksi pyruvaattimolekyyliä (Heino ja Vuento 2001, Chen ym. 2007)

244

Kuvio 1. Glykolyysi

Yksi glykolyysin lopputuotteista on pyruvaatti eli palorypälehappo. Se, mitä solu tekee pyru-vaatilla glykolyysin jälkeen, riippuu yleensä ha-pesta. Jos ihmisen solu joutuu toimimaan anaero-bisissa oloissa, eli solulla ei ole käytettävissään happea, se ei voi hapettaa pyruvaattia. Tällöin pyruvaatti pelkistyy maitohapoksi maitohappo-fermentaatiossa, eli maitohappokäymisessä. Sa-malla NADH hapettuu. (Heino ja Vuento 2001)

Sitruunahappokierto ja elektroninsiirtoketju

Aerobisissa oloissa palorypälehappo yleensä siirretään mitokondrioon, jossa se hapettuu ase-tyylikoentsyymi A:ksi , joka joutuu sitruunahap-pokiertoon (trikarboksyylihappokierto, Krebsin sykli). Sitruunahappokierrossa syntyy hiilidiok-sidia, NADH:a ja ATP:a. Energian kannalta suu-rin hyöty solulle aerobisissa oloissa saavutetaan kuitenkin vasta elektroninsiirtoketjun ja oksida-tiivisen fosforylaation avulla. Niissä pääasiassa sitruunahappokierrossa pelkistyneet elektronin-siirtäjät, kuten NADH, luovuttavat elektronin-sa hapelle, joka pelkistyy vedeksi. Tällä tavoin solu saa lopulta yhdestä glukoosimolekyylistä 30 ATP-molekyyliä. Toisin sanoen oksidatiivinen fosforylaatio on ATP:n saannin kannalta 15 te-hokkaampaa, kuin pelkkä glykolyysi. (Heino ja Vuento 2001, Solunetti 2006)

Warburgin efektiWE tarkoittaa sitä, että syöpäsolut tuottavat noin puolet ATP:aan aerobisella glykoosilla. Aerobi-sessa glykolyysissä solu hajottaa glukoosin mai-tohapoksi, vaikka käytössä olisi happea tehok-kaampaa ATP-tuotantoa varten (Pedersen 2007). Miksi syöpäsolut sitten suosivat tehottomam-malta vaikuttavaa energiantuotantoa? Asiasta ei ole varmaa tietoa, mutta erilaisia teorioita on runsaasti.

Joidenkin mielestä syöpäsolut saavat enem-män rakennusaineita, kuten nukleiinihappo-ja, fosfolipidejä, rasvahappoja, kolesterolia ja porfyriiniä käyttämällä aerobista glykolyysiä. Näiden aineiden nopeampi tuotto mahollistaa syöpäkasvaimen nopeamman kasvun. Aerobi-sen glykolyysin lopputuotteesta, maitohaposta, on niin ikään hyötyä kasvaimelle. Soluista ulos kuljetettu maitohappo puolustaa sille immuuneja syöpäsoluja kehon immuunisysteemiä vastaan ja vahingoittaa normaaleja soluja helpottaen kas-vaimen leviämistä. Lisäksi WE:n ansiosta syö-päsolut selviävät terveitä soluja paremmin, jos olot muuttuvat vähähappisiksi tai hapettomiksi (Pedersen 2007). Uskotaan myös, että WE pys-tyy jopa ylittämään syöpäsolun energiantarpeen, jolloin tehottomampi energiantuotanto ei ole so-lulle haitaksi. (Dell’ Antone 2012)

245

Warburgin hypoteesi

Otto Warburg selitti normaalisolujen ja syöpä-solujen metaboliassa löytämiään eroja syöpä-solujen mitokondrioiden vaurioitumisella tai vähentymisellä. Hypoteesin mukaan tämä aihe-uttaa soluhengityksen vähenemistä, jolloin solun on nojauduttava tehottomampaan glykolyysiin huolimatta siitä, että riittävästi happea glukoo-sin aerobiseen hajottamiseen on tarjolla. (Vander Heiden ym. 2009) Warburgin hypoteesin mu-kaan solun siirtyminen aerobiseen glykolyysiin on merkittävä kasvaimenmuodostuksen aihe-uttaja. Uudempien tutkimusten mukaan kuiten-kaan useimpien syöpäsolujen mitokondrioiden toiminta ei ole heikentynyt, mikä on kiinnittänyt huomion uudelleen Warburgin efektiin ja sen syihin, sekä aerobisen glykolyysin syöpäsolulle tarjoamiin etuihin. (Kim ja Dang 2006)

Lynenin teoria ja rasvahappojen hapettaminen

Warburg kehitteli varsinaisen hypoteesinsa li-säksi vaihtoehtoista selitystä löytämälleen il-miölle. Feodor Lynen esitti näihin Warburgin ajatuksiin pohjautuvan teorian, jossa keskeistä on oksidatiiviseen fosforylaatioon liittyvän ATP-synteesin estyminen mitokondrion protonigradi-entin purkautumisen vuoksi, eikä mitokondrion alentuneen glukoosinhapettamiskyvyn takia. Normaalisti nisäkässoluissa UCP:t (uncoupling proteins) purkavat ATP:n tuottamiseen käytet-tävän protonigradientin mitokondriossa ennen ATP-synteesiä kylmissä olosuhteissa, jolloin gradienttia käytetään ATP-synteesin sijaan läm-möntuottoon. UCP2:n ja UCP3:n merkityksen epäillään lämmöntuoton sijaan olevan aineen-vaihduntareittien uudelleenohjelmointi. Tutki-tuissa leukemiasoluissa havaittiin vastustusky-kyisyyttä kemoterapialle, UCP2:n lisääntymis-tä ja pyruvaatin heikentynyttä pääsyä Krebsin sykliin. Tästä huolimatta hapenkulutus soluissa oli normaali, joten voidaan epäillä, että solussa hapetetaan muita hiilen lähteitä kuin glukoosia. Rasvahappojen hapetus on usein liitetty proto-nigradientin purkautumiseen mitokondrioissa ja kemoresistanssiin, ja tämän lisäksi rasvahappo-jen hapetuksen inhiboinnin on osoitettu lisää-vään syöpäsolujen apoptoosia, eli ohjelmoitua solukuolemaa. Tällöin saattaa olla, että glyko-

lyysi ja siitä saatava pyruvaatti ovat syöpäsoluil-le välttämättömiä, jotta rasvahapoista peräisin olevaa asetyylikoentsyymi-A:ta voitaisiin hyö-dyntää Krebsin syklissä. (Samudio ym. 2009)

Jakautuvan solun metabolia

Eräs selitys sille, miksi syöpäsolut tuottavat energiaa tehottoman glykolyysin avulla tehok-kaan aerobisen energiantuoton sijaan on, että nisäkässoluissa ravinnonsaanti on harvoin ra-joittava tekijä uusien ravinteiden kulkeutuessa jatkuvasti verenkierron mukana soluille. Jakau-tuva solu tarvitsee ATP:a enemmän esimerkiksi asetyylikoentsyymi-A:ta ja NADPH:a uuden solun biomassan valmistukseen. Glukoosia ku-luu paljon makromolekyylien synteesin raaka-aineiden valmistukseen, eikä kaikkea glukoosia voida käyttää ATP:n tuotantoon oksidatiivises-sa fosforylaatiossa. Lisäksi hyvin runsas ATP-tuotanto järkyttäisi solun ATP/ADP-tasapainoa, jonka muuttuminen nopeasti heikentää solun kasvua. Toisin kuin ravinteiden tehokas käyttö, jakautumisen ja kasvun nopeus ovat syöpäsoluil-le tärkeitä ominaisuuksia. Vaikka glykolyysiä seuraavassa maitohappokäymisessä syntynyt-tä laktaattia pois solusta eritettäessä tuhlataan energiantuotantoon tai biomassan rakentamiseen sopivaa raaka-ainetta, nopeuttaa se tarvittavan biomassan muodostusta ja solun jakautumista. (Vander Heiden ym. 2009)

Onkogeenien ja kasvunrajoitegeenien vaikutus Warburgin efektiin

Joidenkin tutkimuksien mukaan mitokondriaa-lisen DNA:n muutokset tai mutaatiot Krebsin sykliin osallistuvissa entsyymeissä ovat War-burgin efektin aiheuttajia. Näkemystä tukee havainto siitä, että jotkin Krebsin sykliin osal-listuvia entsyymeitä koodaavat geenit toimivat kasvunrajoitegeeneinä eri syövissä. Tällöin mu-taatio tällaisessa geenissä voisi aiheuttaa sekä kasvaimenmuodostusta, että solun siirtymistä soluhengityksestä aerobiseen glykolyysiin. Teo-rian kannalta ongelmallista on kuitenkin se, ettei ole voitu osoittaa glukoosin pilkkomisen Kreb-sin syklissä olevan vähäisempää syöpäsoluissa normaaleihin soluihin verrattuna. Myös useat onkogeenit on yhdistetty Warburgin efektiin. AKT-onkogeeni auttaa glukoositransporttereita

246

siirtymään solun pinnalle sekä aktivoi heksoki-naasi 2:ta, joka puolestaan edistää glukoosin fos-forylaatiota. Täten AKT voi lisätä glykolyysiä vaikuttamatta oksidatiiviseen fosforylaatioon. Myös MYC-onkogeeni lisää aerobista glyko-lyysiä, sillä MYC-transkriptiotekijät aktivoivat lähes kaikkia glykolyyttisiä entsyymejä. Kas-vunrajoitegeeni p53, jonka mutaatioita löydetään toistuvasti ihmissyövistä, stimuloi soluhengitys-tä aktivoimalla SCO2-geeniä, joka syntetisoi sytokromi c oksidaasi 2:ta. Mikäli joko p53 tai SCO2 on inaktiivinen, solu siirtyy aerobiseen glykolyysiin. Voidaan siis epäillä, että onkogee-nit ja kasvunrajoitegeenit voivat itsenäisinä tai yhdessä vaikuttaa Warburgin efektin syntymi-seen. (Kim ja Dang 2006)

HIF

Glukoosin muokkaamiseen laktaatiksi osallistuu merkittävästi HIF-transkriptiotekijä (hypoxia inducible factor). HIF voi aktivoitua kasvaimen sisällä vallitsevassa vähähappisessa eli hypok-sisessa ympäristössä. HIF1 aiheuttaa aerobista glykolyysiä glykolyyttisten entsyymien aktivaa-tion kautta. HIF voi aktivoitua myös olosuhteis-sa, joissa happea on riittävästi saatavilla. Onko-geenien SRC ja H-Ras on havaittu nostavan

HIF1-tasoja ei-hypoksisissa olosuhteissa. Myös Krebsin syklin kasvunrajoitegeenien mutaatiot on yhdistetty HIF1-aktivaatioon. HIF:n aktivoi-tuminen ei-hypoksisissa olosuhteissa onkogee-nien vaikutuksesta selittäisi Warburgin efektin, jossa glykolyyttinen aineenvaihdunta lisään-tyy huolimatta hapen riittävästä saatavuudesta. (Kim, Dang 2006)

Käänteinen Warburgin efekti

Vuonna 2009 Warburgin efektistä esitettiin uusi teoria, jonka mukaan syöpäsolut eivät itse käyt-täisikään aerobista glykolyysia, vaan saisivat ympäröivän tukikudoksen fibroblastit käyttä-mään sitä (kuvio 2). Tällöin syöpäsolut voisivat itse ottaa käyttöönsä fibroblastien erittämän mai-to- ja palorypälehapon ja tuottaa niiden avulla entistä tehokkaammin ATP:a oksidatiivisessa fosforylaatiossa, mikä johtaisi edelleen tehok-kaampaan syövän kasvuun. Teoriaa kutsutaan käänteiseksi Warburgin efektiksi (Pavlides ym. 2009). Sen mukaan syöpäsolut siis ovat erään-laisia loisia, jotka aiheuttavat ympäröivien fib-roblastien mitokondrioiden häviämisen lisäten samalla omien mitokondrioidensa toimintaa. (Martinez-Outschoorn ym. 2011)

Kuvio 2. Käänteinen Warburgin efekti

247

Lähteet

Chen Z., Lu W., Garcia-Prieto C., Huang P. The Warburg effect and its cancer therapeutic implications. J Bioenerg Biomembr 2007; 39:267–274.

Dell’ Antone P. Energy metabolism in cancer cells: How to explain the Warburg and Crabtree effects? Medical Hypotheses 2012; 79:388–392.

Heino J., Vuento M. Solubiologia, 1. painos. Porvoo: WSOY. 2001. s. 80–102.

Kim J., Dang CV. Cancer’s Molecular Sweet Tooth and the Warburg Effect. Cancer Res 2006; 66:8927–8930

Martinez-Outschoorn UE, Pavlides S., Howell A., Pestell RG, Tanowitz HB, Sotgia F., Lisanti MP. Stromal-Epithelial Metabolic Coupling in Cancer: Integrating Autophagy and Metabolism in the Tumor Microenvironment. Int J Biochem Cell Biol 2011; 43(7): 1045–1051

Pavlides S., Whitaker-Menezes D., Castello-Cros R., Flomenberg N., Witkiewicz AK, Frank PG, Casimiro MC, Wang C., Fortina P., Addya S., Pestell RG, Martinez-Outschoom UE, Sotgia F., Lisantin MP. The reverse Warburg effect. Cell Cycle 2009; 8:23, 3984–4001

Pedersen PL. Warburg, me and Hexokinase 2: Multiple discoveries of key molecular events underlying one of cancers’ most common phenotypes, the “Warburg Effect”, i.e., elevated glycolysis in the presence of oxygen. J Bioenerg Biomembr 2007; 39: 211–222.

Reunanen H., Oksa V., Dadu E., Välilehto O., Lammi M., Rilla K., Sironen R., Kauhanen M., Tyrmi T., Turunen M., Kaijankoski., Hyvönen., Tuukkanen J., Ruotsalainen T., Ruuska T., Puijola I., Häivälä J., Syvälä H., Purmonen S., Vainio M., Leveelahti L., Heiskanen K., Nissinen H., Ryyppö E., Aimonen K., Paranko J., Gustafsson M., Nummelin E. Sitruunahappokierto [Verkkodokumentti]. Solunetti, 2006. [Viitattu 7.9.2012]. Saatavissa: http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/sitruunahappokierto/

Reunanen H., Oksa V., Dadu E., Välilehto O., Lammi M., Rilla K., Sironen R., Kauhanen M., Tyrmi T., Turunen M., Kaijankoski., Hyvönen., Tuukkanen J., Ruotsalainen T., Ruuska T., Puijola I., Häivälä J., Syvälä H., Purmonen S., Vainio M., Leveelahti L., Heiskanen K., Nissinen H., Ryyppö E., Aimonen K., Paranko J., Gustafsson M., Nummelin E. Oksidatiivinen fosforylaatio [Verkkodokumentti]. Solunetti, 2006. [Viitattu 7.9.2012]. Saatavissa: http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/oksidatiivinen_fosforylaatio/

Samudio I., Fiegl M., Andreeff M. Mitochondrial Uncoupling and the Warburg Effect: Molecular Basis for the Reprogramming of Cancer Cell Metabolism. Cancer Res 2009; 69:2163–2166.

Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Understanding the Warburg Effect: The Metabolic Requirements of Cell Proliferation. Science 2007; 324(5930): 1029–1033.

248

C12 Vanheneminen – mitä vanheneminen on?Ojala Saara & Rusanen MiiaAnatomian- ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto13.9.2010Tarkastaja: Riina Myllylä

TiivistelmäVanhenemisen myötä elimistö muuttuu monin tavoin. Ulkoisesti ilmenevät muutokset aiheutuvat solutasolla tapahtuvasta rappeutumisesta. Tällöin solujen päätehtävä vaihtuu kasvusta ja kehityksestä pyrkimykseen pitää yllä solujen toimintoja. Pätevin tunnetuista vanhenemisteorioista perustuu kromosomien päissä olevien telo-meerien lyhenemiseen solun jakautuessa. Telomeerien lyhenemiskapasiteetin ehtyessä solun kyky jakautua loppuu, ja kudos vanhenee. Telomeerien lyhenemisnopeus riippuu useista eri tekijöistä, mm. perintöteki jöistä sekä telomeereja pidentävän telomeraasi-entsyymin aktiivisuudesta. Telomeerit rakentuvat samanlaisina tois-tuvista DNA-jaksoista, sekä sen rakennetta stabiloivista ja suojaavista proteiinikomplekseista. Toinen hyvin tunnettu vanhenemisteoria pohjautuu solun proteiinien denaturoitumiseen. Tähän liittyy myös denaturoitumista edesauttava proteiinien glykolysaatio. Erään teorian mukaan vanheneminen on seurausta soluun kertyvistä mutaati oista ja aineenvaihdunnan hidastumisesta. Oksidatiivinen stressi lisää happiradikaalien määrää elimis-tössä. Nämä ja muut vapaat radikaalit aiheuttavat muutoksia DNA:ssa ja edelleen mutaatioita soluissa.

JohdantoIhminen on ollut kautta aikojen kiinnostunut ikuisen elämän mahdollisuudesta ja tätä kautta myös vanhenemisesta. Jokainen meistä tuntee muutokset elimistössään iän karttuessa; rypyt valtaavat ihomme, näkökykymme heikkenee sekä lihaskuntomme huononee. Tieteellisesti vanhenemiseen liittyy mm. kudosten haurastu-minen sekä aineenvaihdunnan hidastuminen. Nämä ovat seurausta rakenneproteiinien dena-turoitumisesta ja mitokondrioiden energiantuo-tannon hidastumisesta. Kuitenkaan täysin itse vanhenemisprosessin kulkua solutasolla ei ole vielä pystytty selvittämään varmuudella. To-sin vanhenemisen tiedetään liittyvän DNA:han kohdistuviin vaurioihin. (Kuva 1.) Tämän perus-teella esim. tupakointi edesauttaa vanhenemis ta vaurioittamalla DNA:ta ja lisäämällä näin mu-taatioita. Erilaisia teorioita vanhenemisesta on jo useita ja näistä tärkeimpänä pidetään telomeeri-en lyhenemiseen perustuvaa selitysmallia. Viime vuonna 2009 Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider ja Jack W. Szostak saivat lääketieteen Nobelin palkinnon tutkimuksestaan, jossa he käsittelivät telomeerien yhteyttä vanhenemi-seen. Tässä esseessä tulemmekin tarkastelemaan vanhenemista nimenomaan solutasolla ja pureu-dumme erityisesti telomeerien lyhenemiseen pe-rustuvaan teoriaan (Aantaa ym. 2003, Magalhães 2005).

Kuva 1. Kaavakuva vanhenemisen aikana DNA:han kohdistuvista vaurioista (Saara Ojala).

Telomeerit ja vanheneminenVuosia sitten Hermann Müller (1938) ja Barbara McClintock (1941) löysivät kromosomien päistä telomeerit, jotka estävät X:n mallisia kromosome-ja liittymästä päistään kiinni toisiinsa. Siitä lähti-en telomeeritutkimus on edennyt aina siihen asti, että nykyään niiden tiedetään suojaavan DNA:ta eri tavoin. Telomeerien lyhenemiseen liittyvä van-henemisteoria pohjautuu tutkimustietoon, jonka mukaan solu vanhetessaan ei kykene enää jakau-tumaan. Tämä jakautumiskyvyttömyys johtuu te-lomeerien kulumisesta (Magalhães 2005).

249

Rakenne

Telomeerit koostuvat samanlaisina toistuvista DNA-sekvensseistä, jotka nisäkkäillä sisältävät seuraavan emäsjärjestyksen koodaavassa DNA-juosteessa: TTAGGG. Telomeerin päässä on T-loopiksi kutsuttu silmukkamainen rakenne, jonka muodostavat TRF1- ja TRF2 proteiinikompleksit. Näiden lisäksi mm. seuraavat proteiinit löytyvät päätesilmukan raken teesta: TPP1, POT1, RAP1 ja TIN2. T-loopin sisällä sijaitsee yhdenker-taisesta DNA juosteesta muodostuva d-looppi. (Kuva 2.) Kliinisen tutkimustyön tuloksena on havaittu, että naisten telomeerit ovat samanikäis-ten miesten telomeereja pidempiä, mikä osittain voisi selittää naisten pidempää elinikää (Wong ym. 2010).

Kuva 2. Kompleksi, joka muodostuu kaikis-ta tekstissä mainituista proteiineista, sitoutuu DNA kaksoisjuosteeseen. Pelkästään TPP1:sta ja POT1:sta muodostuva kompleksi sitoutuu yh-denkertaiseen DNA juosteeseen T-loopin alueella. (Miia Rusanen).

Toiminta ja merkitys

Telomeerien merkitys tulee ilmi solun jakau-tuessa ja DNA:n kahdentuessa. Koska DNA-polymeraasi-entsyymi ei pysty monistamaan DNA-juosteen 3’-päätä, lyhenee telomeeri aina RNA:n alukkeen mittaisen palan DNA-juos-teen puolesta. Näin informaation sisältävä osa DNA:sta säilyy jokaisessa solunjakautumises-sa. Kun telomeeri on lyhentynyt kriittiseen pi-tuuteensa, menettää solu jakautumiskykynsä ja ajautuu apoptoosiin. Tämä tapahtuma selittää nykytietämyksen mukaan vanhenemista solu-tasolla parhaiten. Jakautumisesta aiheutuvaa telomeerien lyhenemistä kompensoi telome-raasi-entsyymin toiminta. Kyseisen entsyymin aktiivisuus on soluissa varsin alhainen, mutta esimerkiksi kantasolujen telomeraa si-aktiivisuus on sitä vastoin korkea. Tästä johtuen kantasolut ovat ikään kuin kuolemattomia soluja muihin soluihin verrattuna. Myös syöpäsolujen rajoit-tamaton jakautumiskyky perustuu niiden korke-aan telomeraasi-aktiivisuuteen. Telomeraasi on käänteistranskriptaasi (TERT), johon liittyy sen muotoa stabiloiva dyskeriini-proteiini, ja joka kasvattaa telomeeria RNA templaatin (TERC) mukaan. (Kuva 3.) Lisäksi on olemassa ALT:ksi (alternative lengthening of telomeres) kutsuttu mekanismi, joka pidentää lyhentynyttä telomee-ria saman periaatteen mukaisesti, kuin vaurioitu-nutta DNA-kaksoisjuostetta korjaava systeemi. Tästä mekanismista ei toistaiseksi ole tarkem-paa tietoa (Hervonen 1994, Kierszenbaum 2007, Wong ym. 2010).

Kuva 3. Telomeraasin rakenne (Miia Rusanen)

250

Pituuteen vaikuttavat tekijät

Uusimman tutkimuksen mukaan telomeerien pituus riippuu perimästä, ja pituuden on ha-vaittu periytyvän enimmäkseen paternaalisesti eli isältä. Näin ollen jo vastasyntyneiden kro-mosomeissa olevien telomeerien pituudet vaihte-levat. Iän karttuessa naisten telomeerit lyhenevät keskimäärin hitaammin, kuin miesten telomee-rit. Tämä johtuu todennäköisesti naishormonista, estrogeenista. Muita telomeerien pituuteen vai-kuttavia tekijöitä ovat mm. UV-säteily, tupakoin-ti, ylipaino sekä insuliiniresistenssi. Nämä kaikki lyhentävät telomeereja ja täten jouduttavat en-nenaikaista solujen ”vanhenemista”. Edellä mai-nituista kahden ensimmäisen vaikutus telomee-reihin perustuu niiden aikaansaaman DNA:han kohdistuvan oksidatiivisen stressin lisääntymi-seen. Tällöin elimistössä syntyvien happiradi-kaalien sekä niiden aiheuttamien mutaatioiden määrä soluissa kasvaa huomattavasti ja lisää näin syövän synnyn riskiä. Mutaatiot saattavat myös lyhentää telomeereja. Elimistön antioksidantit kompensoivat radikaalien vaikutusta (Aantaa ym. 2003, Fyhrquist ym. 2007, Wong ym. 2010).

Telomeerien pituuteen vaikuttavat myös eräät sairaudet, joista tunnetuimmaksi on noussut WRN-geenin mutaatiosta johtuva Wernerin oi-reyhtymä eli aikuisiän progeria. Syndroomalle tunnusomaista on ennenaikainen ikääntyminen ja suurentunut syöpäriski. Potilaan syntyessä telomeerit ovat normaalin pituiset mutta ne ly-henevät suurentuneella nopeudella aiheuttaen erittäin nopeaa kudosten vanhenemista. Tätä sekä muita ennenaikaista ikääntymistä aiheutta-via sairauksia tutkimalla on pystytty todistamaan telomeerien yhteys vanhenemiseen (Fyhr quist ym. 2007, Wong ym. 2010).

Muut vanhenemisteoriatTelomeerien lyhenemiseen perustuvan vanhe-nemisteorian lisäksi tunnetaan joukko muita selitysmalleja vanhenemiselle. Nämä eri teoriat eivät pois sulje vaan täydentävät toisiansa van-henemista selitettäessä. Kaikki selitysmallit pe-rustuvat solun makromolekyylien, kuten DNA:n tai proteiinien vaurioihin (Aantaa 2003).

Proteiinien denaturaatioteoria ja glukoositeoria

Erilaiset vanhenemisen merkit (esim. ihon elas-tisuuden väheneminen) ovat seurausta raken-nevalkuaisten kolmiulotteisten proteiinirakentei-den välille muodostuvista poikkisidoksista, jotka muuttavat proteiinien toimintaa. Tämän vuoksi esimerkiksi elastiini ja kollageeni menettävät kimmoisuuttaan ja jäykistyvät. Myös entsyymi-proteiinien toiminta muuttuu niiden denaturaa-tion, eli proteiinien kolmiulotteisen rakenteen muutoksen, seurauksena. Eri entsyy mien aktii-visuudet saattavat siis muuttua vanhenemisen myötä.

Diabetestutkimuksen yhteydessä glykolysoitu-neen hemoglobiinin havaittiin heijastelevan val-kuaisaineiden ja glukoosin välistä reaktiivisuutta yleensä. Glukoosin nonentsymaattiset irreversii-belit reaktiot valkuaisaineiden kanssa käynnistä-vät ns. Maillard’n reaktion, jonka lopputuotteita on useita glykolysoituja molekyylejä joiden pro-teiinirakenteiden välillä on poikittaissidoksia. Glukoosi siis kiihdyttää proteiinien denaturaa-tiota. Normaalisti elimistön makrofagit kyke-nevät tunnistamaan ja hävittämään vioittuneet valkuaisaineet ja solukko pyrkii korvaamaan vaurioituneet rakenteet. Vanhetessa tämän kor-jausmekanismin kapasiteetti kuitenkin heikke-nee ja Maillard-tuotteita alkaa kertyä kudoksiin (Aantaa ym. 2003).

Radikaalien aiheuttama vanheneminen

Elimistössä syntyvät happi-sekä muut radikaalit reagoivat DNA:n kanssa vaurioittaen sitä eri ta-voin, kuten katkaisemalla yhdenkertaisen DNA-juosteen tai DNA-kaksoisjuosteen sekä muutta-malla jonkin DNA:ssa olevan emäksen raken-netta. Nukleaarisen DNA:n korjausmeka nismit pystyvät yleensä hyvin korjaamaan radikaalien aiheuttaman vaurion. Iän myötä em. korjausme-kanismit kuitenkin heikkenevät, joten mutaatioi-den syntymisen riski kasvaa. Mitokondriaalinen DNA on erittäin altis radikaalivaurioille korjaus-mekanismien lähes totaalisen puuttumisen vuok-si. Mitokondriot vastaavat solujen energiantuo-tannosta, joten niiden DNA:n vauriot johtavat energiantuotannon heikkenemiseen. Tästä seu-raa aineenvaih dunnan hidastuminen ja edelleen vanheneminen niin solu- kuin yleiselläkin tasolla (Kuva 4.) (Aantaa ym. 2003, Hiltunen ym. 2010, Passos ym. 2010).

251

Kuva 4. Oksidatiivisen stressin vaikutukset mitokondriaaliseen ja nukleaaliseen DNA:han (Saara Ojala)

252

LopuksiTähän päivään mennessä vanhimmaksi elänyt ihminen, Jeanne Calment, kuoli 122-vuotiaana vanhuuteen. Tätä pidetään korkeimpana luon-nollisesti saavutettavana elinikänä nykyisellä lääketieteen ja solubiologian tietämyksellä. He-rääkin kysymys, voidaanko tulevaisuudessa, kun tieto vanhenemisesta lisääntyy, kasvattaa myös elinajanodotetta. Voitaisiinko esimerkik-si telomeraasi-entsyymin aktiivisutta soluissa kasvattamalla hidastaa vanhenemisen kulkua? Joitakin vanhenemisen aiheuttamia muutoksia kehossa, kuten ihon rypistymistä, voidaan hidas-taa erilaisin biokemiallisin keinoin. Vanhenemi-nen on kuitenkin lukuisien solutason muutoksien summa. On siis todennäköistä, että kaiken kat-tavaa vanhenemisprosessin pysäyttävää hoitoa/lääkettä ei tule löytymään (Muller 1997).

Lähteet

Eero Aantaa, Erkki Elonen, Sirpa Hartikainen ym. Geriatria. Duodecim 2003; 1:19–22.

Frej Fyhrquist ja Outi Saijonmaa. Aikakauskirja Duodecim: Telomeerit ja vanheneminen, 2007;123(16):196.

Antti Hervonen. Duodecim: Oksidatiivinen stressi ja solun vanheneminen, 1994; 110,(17):1653

Erkki Hiltunen, Peter Holmberg, Erkki Jyväsjärvi ym. Galenos Johdatus lääketieteen opintoihin. WSOY 2010; 22: 515–519

Kierszenbaum AL. Histology and Cell Biology, An introduction to Pathology (2nd edi tion). Philadelphia: Mosby Elsevier, 2007; 1: 50

Tuulikki Muller. Maailmankaikkeuden vanhin kuoli 122-vuotiaana. Turun Sanomat 4.8.1997

João F Passos, Glyn Nelson, Chunfang Wang, Torsten Richter,Cedric Simillion, Carole J Proctor, Satomi Miwa, Sharon Olijslagers, Jennifer Hallinan, Anil Wipat, Gabriele Sa retzki, Karl Lenhard Rudolph, Tom B L Kirkwood ja Thomas von Zglinicki. Feedback between p21 and reactive oxygen production is necessary for cell senescence. Mol Syst Biol. 2010; 6: 347.

Liza S. M. Wong, Pim van der Harst, Rudolf A. de Boer, Jardi Huzen, Wiek H. van Gilst, ja Dirk J. van Veldhuisen. Aging, telomeres and heart failure: 2010 September; 15(5): 479–486. http://www.senescence.info/telomeres.html

253

C13 Solujen vanhenemisteoriat – 14 eri teoriaaValli Elina & Vidjeskog EmmaSolu- ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitosOulun yliopisto18.9.2012Tarkastaja: Sami Palomäki

TiivistelmäSolujen vanhenemisesta on esitetty hyvin monia erilaisia teorioita. Yksi vanhimmista – ja tunnetuimmista – teorioista on vapaiden radikaalien teoria, jonka mukaan aineet, joilla on pariton määrä elektroneja (=va-paat radikaalit), vahingoittavat biomolekyylejä. Vapaiden radikaalien teoriaa on laajennettu ROS- ja RNA-teorioilla, joissa erityisten vapaiden happi- ja typpiradikaalien määrän lisääntymisen uskotaan vaurioittavan tiettyjä signalointireittejä ja edesauttavan haitallisten radikaalien syntyä. Biomolekyylien vaurioituessa solujen toimintakyky heikkenee, mikä aiheuttaa niiden vanhenemisen eli senesenssin. Solujen vanhenemiseen liittyy myös telomeeriteoria. Kromosomien päissä olevat alueet, telomeerit, lyhenevät joka kerta solun jakautuessa. Tämän teorian mukaan telomeerien kuluminen loppuun aiheuttaa solun vanhenemisen ja kuoleman (apoptoo-si). Tavalliset solut eivät uusiudu, vaan ne muodostuvat kantasoluista, joissa erityinen telomeraasientsyymi estää telomeerien lyhenemisen. Elämän aikana soluihin kerääntyy haitallisia aineita. Myös DNA kerää vauri-oita, mikä saattaa näkyä mm. geenien ilmentymisen ja entsyymitoiminnan häiriöinä. Kulumisteorian mukaan tämä aiheuttaa solun vanhenemisen. On olemassa myös lukuisia muita spesifisiä teorioita, mutta ne limittyvät suurempiin teorioihin ja selittivät niitä yksityiskohtaisemmin.

JohdantoSolut vanhenevat siinä missä kaikki muukin elä-vä. Esimerkiksi ihmissolu jakautuu keskimäärin 50 kertaa, minkä jälkeen mitoosit loppuvat ja solu vanhenee, menee senesenssiin. Senesens-sissä solut eivät enää jakaudu, geenien luenta vaimenee ja tiettyjen proteiinien eritys lisääntyy. Tätä seuraa tavallisesti apoptoosi, ohjelmoitu so-lukuolema, jossa solurakenne tuhoutuu ja solu pilkkoutuu erillisiksi solukalvon ympäröimiksi rakkuloiksi. Solutason vanheneminen on oikeas-taan puolustusmekanismi syöpää vastaan; solun kuollessa haitalliset geenimutaatiot eivät siirry tytärsoluihin eikä syöpä pääse etenemään. (Lai-ho ja Saksela 2007.)

Solujen vanhenemiseen johtavista tekijöistä on monia näkemyksiä. Ensimmäinen teoria on Harmanin radikaaliteoria vuodelta 1956, ja aina tähän päivään asti tutkimus on ollut kiivasta ja pinnalle on noussut uusia teorioita aina epige-neettisistä tekijöistä kantasoluihin. Itse asiassa kaikki teoriat ovat kuitenkin hyvin limittäisiä: esimerkiksi vapaat radikaalit saattavat aiheuttaa telomeerien lyhenemistä, mikä puolestaan saat-taa muuttaa DNA:n pakkautumista ja täten epi-geneettistä informaatiota aiheuttaen senesenssin. (Laiho ja Saksela 2007, Kierszenbaum ja Tres 2012.) Kyseessä on siis monien tekijöiden sum-ma, eivätkä yksittäiset teoriat sulje toisiaan pois – päinvastoin – ne tukevat toisiaan ja yhdessä auttavat ymmärtämään solujen vanhenemista en-tistä paremmin.

254

Kuva 1: Solun vanheneminen on monen tekijän summa (Laiho ja Saksela 2007).

Solujen vanhenemisteoriatSolun vanhenemisessa on usein kyse DNA:n vaurioitumisesta (kuva 1). Koska DNA koodit-taa proteiineja, vaurioitumisen seurauksena saat-taa syntyä virheellisiä tai jopa vääriä proteiineja ellei vauriota korjata (kuva 3). Tämä voi ilmetä toiminnallisina tai rakenteellisina häiriöinä, sillä proteiineilla on valtava merkitys solujen ja koko elimistön kannalta. DNA-vauriot eivät kuiten-kaan itsessään vanhenna solua, mutta ne aihe-uttavat muutoksia, jotka rasittavat ja aiheuttavat vanhenemista. Pohjimmiltaan moni solujen van-henemisteoria perustuu DNA:n vaurioitumiseen. Osa teorioista taas selittää solujen vanhenemis-ta hieman eri tavalla; esimerkiksi geeniteorian mukaan on olemassa tiettyjä geenejä, jotka no-peuttavat tai hidastavat solun vanhenemista ja telomeeriteorian mukaan solun vanhenemisen aiheuttaa kromosomien kahdentumisen rajalli-nen lukumäärä. Yhteistä näille on kuitenkin se, että viime kädessä kaikki teoriat nojautuvat pe-rimään, mikä taas korostaa DNA:n merkitystä solun elintoimintojen ylläpitäjänä.

Vapaiden radikaalien teoria

Vapaat radikaalit ovat atomeja tai molekyylejä, joiden ulkokuorella on pariton määrä elektrone-ja. Tämä on termodynaamisesti hyvin epävakaa tila, minkä takia ne reagoivat herkästi ja voivat aiheuttaa vaurioita soluille hapettamalla niitä. Vapaita radikaaleja syntyy elimistössämme mm. ilmansaasteiden, sairauksien ja UV-säteilyn seu-rauksena, mutta niitä muodostuu myös elimistön normaaleissa fysiologisissa prosesseissa (). On mielenkiintoista, että happi, joka on elämän kan-nalta tärkeä alkuaine, on toisaalta myös vaaral-linen; ilmakehän hapesta kehittyneet happiradi-kaalit aiheuttavat elimistössämme oksidatiivista stressiä mikä lopulta ilmentyy solujen vanhene-misena (Arking 2006).

255

Taulukko 1. Taulukossa esitetään 14 teoriaa solujen vanhenemisesta.

Vanhenemisteoria LyhyestiTelomeerien lyheneminen

Solu jakautuu kunnes telomeerialue kromosomien päissä kuluu loppuun.

Hayflickin raja Solu jakautuu tiettyyn, ”Hayflickin”, rajaan asti (40–60 kertaa).Telomeerikromatiini Telomeerihistonien vaurioituminen aiheuttaa solun vanhenemisen.Kulumisteoria Ympäristön aiheuttamat DNA-vauriot kuluttavat, vanhentavat, solua.Geeniteoria Tietyt geenit nopeuttavat tai hidastavat solujen vanhenemista.Vapaiden radikaalien teoria

Vapaat radikaalit (aineet joilla on pariton elektroni ulkokuorella), vaurioittavat biomolekyylejä.

ROS-/RNS-teoria Reaktiiviset happi- ja typpiradikaalit synnyttäävt haitallisia radikaaleja ja vaurioittavat solujen signalointireittejä.

Akkumulaatioteoria Solujen elinaikana soluun kertyy haitallisia aineita ja DNA:han vaurioita.Epigeneettinen teoria Epigeneettisillä muutoksissa (esim. DNA-ketjujen metylointi, kromatiinin

pakkaus) osuutta solujen vanhenemisessa.Oksidatiivinen stressi Liika hapettuminen vaurioittaa biomolekyylejä (esim. DNA, proteiinit,

lipidit)Lipofuscin-teoria Liukenematon lipofuscin-niminen aine kerääntyy liposomeihin ja

häiritsee solujen toimintaa.Mitokondrioteoriat Mitokondriot tuottavat reaktiivisia happiyhdisteitä, jotka voivat tuhota

mitokondrioiden omaa DNA:ta. Virheteoria Solun jakautuessa syntyvät DNA-virheet yleistyvät ja rasittavat solua.Immunologinen teoria Puolustusjärjestelmän solut (valkoiset verisolut) vähenevät, immuniteetti

heikentyy ja elimistöön kertyy vaurioituneita soluja

Harman 1956, Cox ja Nelson 2008, Rubtsova ym. 2012.)

Kuva 2: Antioksidantit neutraloivat vapaita radi-kaaleja ja täten suojelevat soluja niiden haitallisil-ta vaikutuksilta

Jos elimistön antioksidanttijärjestelmä (kuva 2) ei pysty inaktivoimaan vapaita radikaaleja tai estämään niiden vaikutuksia, oksidatiivinen stressi saa aikaan mm. proteiinien (proteolyysi), hiilihydraattien, ja soluorganellien hajoamista. Vapaat radikaalit reagoivat lipidien kanssa härs-kistäen niitä – niinpä solukalvojen fosfolipidi-kerrokset ovat alttiina radikaalireaktioille. Muut-tuneet solukalvot ovat uhaksi soluille. (Arking 2006)

Vapaat radikaalit reagoivat myös DNA- ja RNA-molekyylien kanssa aiheuttaen mutaatioita ja katkoen kromosomien telomeereja. DNA-kor-jausentsyymit kykenevät korjaamaan syntyneitä vaurioita, mutta oksidatiivisen paineen ollessa suuri niiden kapasiteetti ei riitä ja perimä vauri-oituu. Mutaatiot lisäävät materiaalia evoluutiol-le, mutta uskotaan, että perimään elämän varrella kertyneet mutaatiot ja telomeerien lyheneminen ovat keskeisiä tekijöitä tarkasteltaessa solujen vanhenemista. Proteiinien, DNA:n ja solukalvon vauriot sekä lipidien peroksidaatio aiheuttavat entsyymien toimintahäiriöitä, mikä lopulta joh-taa apoptoosiin eli ohjelmoituun solukuolemaan. (Hervonen 1994.)

256

Kuva 3: Harmanin teorian mukaan solukalvon läpi päässeet vapaat radikaalit aiheuttavat DNA-vauri-oita ja solujen vanhenemista

Uudempien tutkimusten mukaan reaktiivisten happiradikaalien (ROS) ja typpiradikaalijen (RNS) signaloinnilla on hyvin suuri merkitys solujen vanhenemisessa (Arking 2010). Kuvasta 4 nähdään yksinkertaistetusti, että ROS- ja RNS-pitoisuuksiin vaikuttavat monet aineenvaihdun-nalliset tekijät. Kyseisiä radikaaleja syntyy mi-tokondrioissa aineenvaihdunnan seurauksena, ja niiden oikea pitoisuus on hyvin elimistön nor-maalin toiminnan kannalta tärkeää, sillä ne osal-listuvat moniin tärkeisiin entsymaattisiin ja gee-niluennallisiin prosesseihin. Paitsi että ROS:n ja RNS:n liikatuotanto johtaa vaarallisten vapaiden radikaalien syntyyn, niin ROS:n lisääntyminen saattaa vaurioittaa erityisiä signalointireittejä; tällä lienee ainakin Porton artikkelin (2010) mu-kaan solujen vanhenemisen kannalta suurempi merkitys kuin vapaiden radikaalien ”suoralla hyökkäyksellä” biomolekyyleihin.

Yksissään Harmanin teoria on vajaa, mutta ROS- ja RNS-reitteihin yhdistettynä muodostuu nykyaikainen, suhteellinen luotettava ja kattava teoria solujen vanhenemisesta. (Porto 2010.)

Kuva 4: Monet tekijät lisäävät ROS:n tuotantoa (Porto 2010).

TelomeeriteoriaTelomeerit ovat toistuvia DNA-sekvenssejä, tan-demtoistoalueita, jotka sijaitsevat eukaryootti-solujen kromosomien molemmissa päissä (kuva 5). Telomeerit muodostavat renkaita tai silmu-koita. Telomeerien tehtäviin kuuluu esimerkiksi

kromosomien rakenteen stabiloiminen ja ketju-jen muodostumisen estäminen (Cox ja Nelson 2008). DNA-sekvenssin lisäksi telomeerit koos-tuvat tietyistä proteiineista, jotka järjestävät te-lomeerisekvenssit erityisellä tavalla muodostaen telomeeristä kromatiinia (Rubtsova ym. 2012.)

257

Kuva 5: Kuvassa näkyy telomeerien sijanti kromosomeissa ja suurennus kromosomipäistä.

Telomeerit koostuvat kolmesta osasta. Ensim-mäinen on toistuva osa, joka yhdistää telomeerit kromosomiin. Toinen, varsinainen osa koostuu kaksinauhaisesta DNA-ketjusta, jossa on paljon toistuvia ja siirtyneitä alueita. Kolmas, terminaa-liosa, on niin sanottu ”so-cap -alue”, joka suojaa kromosomipäitä hajoamiselta. (Rubtsova ym. 2012.) Toistuvat sekvenssit telomeerialueella koostuvat tymiiniemäksistä (T) ja guaniiniemäk-sistä (G) (Cox ja Nelson 2008).

Solun jakautuessa myös kromosomit kahdentu-vat. DNA-molekyyli koostuu kahdesta ketjus-ta. Molemmat toimivat mallina eli templaattina replikaatio-tapahtumaketjussa. Replikaatioon tarvitaan sekä templaatti että aluke, mutta kro-mosomien päissä ei ole templaatteja, joihin aluke voisi pariutua; viimeinen pätkä telomeerialueel-la jää kopioimatta. Tämän vuoksi telomeerit ly-henevät joka kerta, kun solu jakautuu. (Cox ja Nelson 2008.)

Telomeerien pituutta kuvaa se, kuinka monta kertaa solu voi jakautua ennen kuin se kuolee. Kun telomeerien lyhentyminen on jatkanut niin kauan, ettei solu enää voi jakautua, solun jakau-tuminen pysähtyy, ja solu kuolee (n. 50–70 ja-kautumiskertaa ihmisillä). Erään teorian mukaan telomeerien lyheneminen kestää niin kauan, että saavutetaan niin sanottu Hayflickin raja (Cherfas 2000). Sen jälkeen solu vanhenee ja jakautumi-nen pysähtyy (Rubtsova ym. 2012.)

Telomeraasientsyymi estää telomeerien lyhentä-mistä ituradan soluissa, kantasoluissa, ja suurim-massa osassa syöpäsoluista pidentämällä telo-meeriä kromosomien päihin (Rodriguez-Brenes ja Peskin 2010). Nämät solut eivät vanhene sa-malla tavalla kuin muut.

Kun telomeerit lyhenevät, DNA:n sekvenssiin voi syntyä vaurioita, jotka haittaavat histonien yhdistymistä. Tämä voi vähentää epigeneettistä (DNA:n ulkopuolista) tietoa, mikä omalta osal-taan selittää solun vanhenemista. (O’Sullivan ym. 2010.)

Kantasolut ja vanheneminen

Kantasolut ovat erilaistumattomia soluja, jot-ka kykenevät jakautumaan ja erilaistumaan eri solutyypeiksi. Kantasolujen osuutta vanhene-misessa on tutkittu suhteellisen vähän aikaa, ja uusimman teorian mukaan vanheneminen johtuu kantasolujen kyvyttömyydestä korvata vanhen-tuneita soluja. Kantasolut eivät vanhene samalla tavalla kuin muut solut, sillä niissä telomeraasi-entsyymi rakentavat uudelleen kromosomin päät, jolloin telomeerien lyheneminen ei aiheuta solun vanhenemista. (Daniel ja Smith 2012.) Tutki-musten mukaan kantasolut kuitenkin vanhenevat ympäristön vaikutuksesta; vanhat solut lähettä-vät signaaleita, jotka saavat kantasolut vanhe-nemaan (kuva 6). Lisäksi esimerkiksi erilaisten mutageenien vaikutus ulottuu kantasoluihinkin, ja toistuvat DNA-vauriot saattavat vaurioittaa kantasoluja jossakin määrin. (Rando 2006.)

Samaa teoriaa tukee myös suomalaisen Anu Wartiovaaran vetämä tuore tutkimus (2012), jossa osoitettiin, että mitokondraaliset toiminta-häiriöt muuttavat hiirten kantasolujen toimintaa; ne eivät enää uusi vanhoja soluja, mikä ilmenee hiirten varhaisena vanhenemisena. Täten van-henemiseen liittyvissä ilmiöissä voisi olla kyse kantasolujen energiantuotannon häiriöistä.

258

Kuva 6: A-kuvassa kyseessä on nuori solu – kantasolut jakautuvat ja uudistavat vaurioitunutta kudosta tehokkaasti. B-kuvassa lihassolun kantasolut uudistavat kudosta epätäydellisesti johtuen joko kanta-soluissa tai kasvualustassa tapahtuneista muutoksista. (Rando 2006.)

Kantasolujen suhteen ei ole vielä paljoa varmaa tietoa. Jotkin tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että kantasolut eivät vanhene ollenkaan, ja ne kykenevätkin vastustamaan apoptoosia ja muita vanhenemista aiheuttavia signaaleja ainakin ta-vallisia soluja enemmän. Toisaalta kantasolujen vanhenemisteoriaan liittyy myös omanlaisensa noidankehä – olisiko kantasolujen mahdollinen vanheneminen loppujen lopuksi syy vai seuraus? (Daniel ja Smith, 2012.)

Lähteet

Ahlqvist KA, Hämäläinen RJ, Yatsuga S, Uutela M, Terzioglu M, Götz A, Forsström S, Salven P, Angers-Loustau A, Kopra OH, Tyynismaa H, Larsson NG, Wartiovaara K, Prolla T, Trifunovic A, Suomalainen A. Kantasolujen energiantuotannon häiriö mahdollisesti vanhenemiseen liittyvän rappeutumisen taustalla. Duodecim, 2012. 128:533

Arking R. The biology of aging: observations and principles. Oxford university press, New york, 2006. s. 361, 381–390.

Daniel R, Smith JA. Stem cells and aging: a chicken-or-the-egg issue? Division of Infectious Diseases – Center for Human Virology, Department of Medicine, Thomas Jefferson University, Philadelphia. 2012;3(3):260–8.

Harman D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. J Gerontol. 1956 Jul;11(3):298–300.

Hervonen A. Oksidatiivinen stressi ja solun vanheneminen. Duodecim 1994; 110(17):1653. Kierszenbaum A, Tres L. Histology and cell biolody – an introducion to pathology. Saunders. 2012. s. 50–51.

Laiho M, Saksela E. Perimän vauriot, vanheneminen ja syöpä – erottamaton kolmikko. Duodecim 2007;123:1535–6.

Nelson D, Cox M. Lehninger. Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Company, Houndmills, Englanti, 2008. s. 739, 953, 1054

O’Sullivan RJ, Kubicek S, Schreiber SL, Karlseder J. Reduced histone biosynthesis and chromatin changes arising from a damage signal at telomeres. Nat Struct Mol Biol. 2010; 17(10): 1218–1225.

Porto R. Signaling and damaging functions of free radicals in aging – free radical theory, hormesis and TOR. Vitamin research institute, Moskova. 2010. Vol1; 75–88.

Rando T. Stem cells, ageing and the quest for immortality. NATURE. Vol 441, 2006.

Rodriguez-Brenes IA, Peskin CS. Quantitative theory of telomere length regulation and cellular senescence. Proc Natl Acad Sci Yhdysvallat. 2010 23; 107(12): 5387–5392.

Rubtsova MP, Vasilkova DP, Malyavko AN, Naraikina YV, Zvereva MI, Dontsova OA. Telomere Lengthening and Other Functions of Telomerase. Acta Naturae. 2012;4(2):44–61.

Terman A, Kurz T, Navratil M, Arriaga EA, Brunk UT. Mitochondrial turnover and aging of long-lived postmitotic cells: the mitochondrial-lysosomal axis theory of aging. Antioxid Redox Signal. 2010; 12(4):503–35.

259

C14 Luonnollinen immuniteetti – mikrobien torjunta onnistuu ilman opetteluakinAntti Hantula ja Dan KyrklundSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto19.9.2012Tarkastaja: Jenni Siivola

TiivistelmäLuonnollinen immuniteetti toimii puolustuksen eturintamassa, torjuen tehokkaasti ja nopeasti kehoon tulleita mikrobeja. Järjestelmä toimii tilanteissa, jossa adaptiiviseen immuniteettiin kuuluva T- tai B-solu välitteinen puolustus ei ole ehtinyt muodostumaan. Luonnollinen immuunijärjestelmä koostuu monista soluista ja pro-teiineista kuten muun muassa syöjäsoluista, luonnollisista tappajasoluista (NK-solut) ja muista veren leuko-syyteistä. Luonnollisessa immuniteetissa puolustuksen ensimmäinen vaihe on kohteen tunnistaminen, tähän elimistö käyttää monia erilaisia molekyylejä ja reseptoreita. Luonnollisen immuunijärjestelmään kuuluvia keskeisiä puolustusmekanismeja ovat kehoa suojaavat epiteelit ja limakalvot, komplementtijärjestelmä sekä fagosytoosi. Monet mikrobit ovat kuitenkin kehittäneet suojautumismekanismeja, joiden avulla ne pysyvät välttelemään luonnollista immuunipuolustusta.

JohdantoLuonnollinen immuniteetti on nopeutensa ansi-osta elimistön ensimmäinen ja tehokas puolus-tuskeino ulkopuolisia mikrobeja vastaan. Monet luonnollisen immuunipuolustuksen mekanismit ovat vielä osittain epäselviä, kuten reseptorien tai komplementin säätelyproteiinien toiminnot. Luonnollista immuniteettia tutkitaankin edelleen laajasti. Lisäksi täysin selvää jakoa luonnollisen ja hankitun immuunijärjestelmän välillä on han-kala tehdä, koska ne toimivat tiiviissä yhteistyös-sä. Kuitenkin luonnollisen immuunijärjestelmän peruslinjat voidaan selkeästi määritellä ja jaotel-la. Keskeisimpiä järjestelmän osia ovat fagosy-toosi ja muut tulehdussolut sekä komplementti. Näillä puolustusmekanismeilla ei ole vain yhtä tehtävää, vaan ne yhteistyössä koko elimistön kanssa taistelevat ulkopuolisia mikrobeja vas-taan. Mikrobien muuntaumiskyky ja immuuni-järjestelmän välttely asettavat kuitenkin immuu-nipuolustuksen suuren haasteen eteen.

Luonnollisen immuniteetin määritelmä ja solutMikrobinvastaisia puolustusmekanismeja, joi-den kehittymiseen ei tarvita aikaisempaa kontak-tia mikrobin kanssa, kutsutaan synnynnäiseksi tai luonnolliseksi immuniteetiksi (Hedman ym. 2011). Se estää mikrobien pääsyn elimistöön ja eliminoi mikrobeja sekä tunnistaa ja hajottaa

vaurioituneita ja tuhoutuneita elimistön omia so-luja. Lisäksi luonnollinen immuniteetti aktivoi ja tehostaa hankitun immuniteetin toimintaa. (Ab-bas ym. 2012)

Ihmisen luonnolliseen immuunipuolustukseen osallistuu useita eri soluja. Luonnollisen immu-niteetin kannalta keskeisimpiä soluja ovat muun muassa makrofagit (kypsyvät monosyyteistä), neutrofiilit, eosinofiilit, syöttösolut ja NK-solut (Hedman ym. 2011). Mononukleaariset fagosyytit syntyvät luuytimessä ja kehittyvät aluksi veressä kiertäviksi monosyyteiksi. Monosyytit kypsyvät makrofageiksi ja asettuvat kudoksiin eri puolille elimistöä, jolloin ne nimetään olinpaikan perus-teella. Makrofagit ovat fagosytoimalla tehokkaita mikrobien tuhoajia, mutta niillä on tärkeä rooli myös muun muassa soluvälitteisessä immuuni-puolustuksessa. (Huovinen ym.2003)

Neutrofiilit puolestaan ovat suurelta osin varas-toituneena luuytimeen, josta ne tarvittaessa tu-levat käyttöön. Useat tekijät voivat aktivoida ja houkutella neutrofiilejä tulehduspaikalle, jossa niiden tärkein tehtävä on tuhota fagosytoimalla mikrobeja akuutissa tulehdusreaktiossa. Eosino-fiileja on myös luuytimessä ja veressä. Ne ovat tärkeitä välittäjäsoluja allergisissa reaktioissa sekä puolustuksessa parasiittejä vastaan, jolloin ne eivät fagosytoi, vaan vaurioittavat parasiitte-jä lysosomaalisten rakkuloiden entsyymeillä ja proteiineilla. (Huovinen ym.2003)

260

Kudosten syöttösolut (mast cells) vapauttavat sytokiinejä ja välittäjäaineita tulehdusreaktion ja muiden ärsykkeiden, kuten allergian yhteydes-sä. Sytokiinit ja välittäjäaineet tehostavat muita puolustusmekanismeja. Syöttösolujen lisäksi ba-sofiilit toimivat samankaltaisesti osana luonnol-lista immuniteettia. (Huovinen ym.2003)

NK-solut ovat keskeisessä asemassa puolustau-tuessa muun muassa viruksia vastaan. Ne tun-nistavat infektoituneita soluja ja pystyvät tuhoa-maan niitä. NK-solut pystyvät myös tuottamaan sytokiinejä, jotka säätelevät immuunipuolustuk-sen muita soluja. (Goldsby ym. 2007)

Patogeenin tunnistusImmuunipuolustuksen ensimmäinen vaihe on kohteen tunnistaminen. Molekyylien tunnista-misessa luonnollisen- ja hankitun immuniteetin välillä on olennaisia eroja. Hankitussa immuni-teetissa T-solujen reseptorit ja vasta-aineet tun-nistavat spesifisesti vieraita tai omia rakenteita. Luonnollinen immuniteetti puolestaan käyttää tunnistukseen esimerkiksi toistuvia kuvioraken-teita. Hankitun immuniteetin lymfosyytit kyke-nevät tunnistamaan yli miljardi erilaista antigee-niä. Vastaavasti luonnollisessa immuniteetissa tunnistettavia rakenteita on luultavasti vain alle tuhat. (Abbas ym. 2012 ja Hedman ym. 2011)

Tunnistettavat rakenteet

Luonnollisessa immuniteetissä vieraiden raken-teiden tunnistus tapahtuu esimerkiksi toistuvien kuviorakenteiden perusteella. Näitä rakenteita nimitetään “pathogen associated molecular pat-tern” (PAMP) –rakenteiksi. PAMP-rakenteita tunnistavia reseptoreita puolestaan kutsutaan “pattern recognition” –reseptoreiksi (PRR) (Medzhitov ja Janeway 2000). Tunnistettavia toistokuvioita (”hahmoja”) voivat muodostaa erilaiset sokerit kuten mannoosi ja bakteerien polysakkaridit. Tunnistettavana ei pelkästään ole sellaiset sokerit joita ei ihmissoluista löydy, vaan myös normaalista poikkeava rakenteellinen jär-jestäytyminen. (Meri 2003, Hedman ym. 2011)

Reseptorit

PAMP-rakenteita tunnistavat reseptorit voivat olla sitoutuneen solukalvoon, ne voivat olla so-lulimassa tai ne voivat sijaita endosomaalisissa rakkuloissa (liukoisia hahmojentunnistusmo-

lekyylejä) (Kuva 1). Yleisesti tunnetut Toll-re-septorit voivat olla solukalvoon sitoutuneena tai endosomaalisen rakkulan kalvossa. Toll- resep-torit (TRL) käynnistävät transkriptiotekijöiden aktivaation (NFκB ja IRF-3), jotka johtavat gee-nin transkription aktivaatioon. Tämä puolestaan johtaa monien sytokiinien ekspressioon (Liite 1). Muita reseptoreja ovat muun muassa RGI-I-reseptorit, jotka tunnistavat virusten RNA raken-teita solujen sisällä (Yoneyama ja Fujita 2007). NOD-reseptorit vastaavat solujen sisällä mikro-bikomponenttien tunnistamisesta sekä toimivat välittäjämolekyyleinä (Kanneganti ym. 2007). Lektiinireseptorit vastaavasti tunnistavat mikro-bien pinnalla olevia sokeri rakenteita. Liitteessä 2 on esitelty luontaisen immuunipuolustuksen reseptorit. (Abbas ym. 2012)

Kuva 1. Hahmojentunnistus molekyylit.

Ihon ja limakalvojen puolustusmekanismitEnsimmäisessä vaiheessa mikrobien tunkeutu-mista elimistöön estävät ihon ja limakalvojen mekanismit ja toisessa vaiheessa kudosten me-kanismit. Ihon suoja perustuu tyvikalvon päällä olevaan tiiviiseen epiteelisolukkoon ja tämän muodostamaan keratiinikerrokseen. Ihon rauhas-ten eritteet (rasvahapot), matala pH ja suhteelli-sen vähäinen kosteus mahdollistavat vain joiden-kin mikrobien kasvun. Iholla on myös Langer-hansin soluja, jotka dendriittisoluina tunnistavat mikrobeja ja tämän jälkeen aktivoivat T-solujen toimintaa (Nairn ym. 2007). Ihon kyky vastus-taa mikrobeja heikkenee esimerkiksi vaurioiden ja kosteusolosuhteiden muutosten yhteydessä. (Hedman ym. 2011)

Ihmisen limakalvoilla mikrobien kasvua rajoit-tavat limakalvojen eritteiden pH, huuhteluvaiku-tus, entsyymit ja muut mikrobeja tuhoavat teki-jät. Yksi tärkeimmistä suojaavista entsyymeistä on lysotsyymi, joka kykenee pilkkomaan bak-

261

teerien pinnan rakenteita (Hedman ym. 2011). Ihmisen limakalvoilla normaalifloorassa elää lisäksi bakteereja, jotka ovat tottuneet elämään paikallisissa olosuhteissa. Ne ovat hyödyllisiä, koska ne estävät patogeenisten mikrobien kas-vua muun muassa kilpailemalla ravinteista ja sitoutumispaikoista sekä tuottamalla mikrobeja tuhoavia aineita. (Goldsby ym. 2007, Hedman ym. 2011) Hengitysteiden värekarvat ovat myös avuksi liikuttamalla limaa kohti nielua. Ruoan-sulatuskanavassa mahan happamuus tappaa lä-hes kaikki bakteerit ja sappihapot vaurioittavat mikrobien solukalvoja. (Hedman ym. 2011)

Puolustus kudoksissa

Puolustusmekanismit yleisesti

Kudoksissa tarvitaan erilaisia puolustusmekanis-meja kuin epiteelipinnoilla, jotta elimistön omat solut eivät vaurioituisi. luonnollisen immunitee-tin kannalta kudosten tärkeimmät puolustusjär-jestelmät ovat fagosytoosi ja muut edellä esitetyt tulehdussolut sekä komplementti. (Hedman ym. 2011) Fagosytoosia ja komplementtia käsitellään erillisissä kappaleissa.

Kudoksissa tapahtuu lisäksi muita luonnolliseen immuniteettiin liitettäviä puolustusmekanisme-ja. Epiteelien lisäksi lysotsyymiä tuottavat myös monet fagosyytit, joten lysotsyymi pilkkoo vau-rioituneiden että kuolleiden bakteerien raken-teita myös kudoksissa. Bakteerien ravinteiden saanti on elimistössä myös vaikeaa, koska vapai-den rauta-ionien määrä on elimistössä vähäinen. Tämä estää osaltaan infektioiden syntymistä. (Huovinen ym. 2003)

C-reaktiivinen proteiini (CRP) on keskeinen maksan tuottama tulehduksen akuutin vaiheen proteiini. CRP vaikuttaa puolustusmekanismeis-ta muun muassa komplementin aktivoitumiseen (Goldsby ym. 2007). Lisäksi kudosvaurioiden yhteydessä CRP todennäköisesti edesauttaa fago-sytoosia. Samankaltaisesti toimivat myös muut akuutin vaiheen proteiinit, kuten fibrinogeenit. Akuutin vaiheen proteiinien yleistehtävänä on tehostaa puolustusjärjestelmiä, estää merkittäviä kudosvaurioita (proteaasien estäjät) ja edesaut-taa paranemista. Myös veren hyytymisjärjestel-mä ja verihiutaleet osallistuvat puolustusmeka-nismeihin estämällä mikrobien leviämistä. Eli-mistön kykyyn välttää mikrobeja vaikuttaa myös mikrobien isäntäspesifisyys, jolloin esimerkiksi

mikrobien tarttumisrakenteen puuttuminen estää mikrobin kyvyn aiheuttaa infektio kudoksissa. (Hedman ym. 2011)

Fagosytoosi

Luonnollisen immuniteettiin tärkeä puolustuskei-no on taudinaiheuttajien fagosytointi eli solusyön-ti. Fagosytoosiin liittyy olennaisena osana solujen tunnistus. Mikrobien pintarakenteita (PAMP) tun-nistetaan joko suoraan tai tunnistusta välittävien molekyylien avulla (komplementti tekijät, vasta-aineet). Suorassa tunnistuksessa tunnistettavina rakenteina ovat yleensä sokeri, lipoproteiini tai li-popolysakkaridi. Komplementti- ja vasta- ainevä-litteinen tarttuminen (opsonisointi) on kapselillis-ten bakteerin tapauksessa tärkeää, näihin baktee-reihin ei suora fagosytoosi ja komplementtilyysi usein toimi. (Hedman ym. 2011)

Fagosyytit houkutellaan tulehduspaikalla niin sanotuilla kemotaksisilla aineilla ja aktivoidaan tarttumaan mikrobiin reseptorien välityksellä. Kemotaksisille aineille on fagosyyttien pinnalla omat reseptorit. Ligandin sitoutuessa reseptoriin aktivoituu fagosyytin sisäinen signaalijärjestel-mä. Signaalijärjestelmän aktivoituminen lisää fagosyyttien liikkumista ja muuttumista tartun-takykyisemmiksi myös solunsisäinen tappojär-jestelmä aktivoituu. (Hedman ym. 2011)

Fagosyytin sitouduttua opsonisoituun mikrobiin tapahtuu mikrobin nieleminen joko aktiivisen si-säänoton tai passiivisen absorbtion avulla. Kun mikrobi niellään fagosyytin sisään muodostuu solunsisäinen rakkula eli fagosomi. Fagosomiin liittyy lysosomirakkuloita, jolloin mikrobin ha-jotus käynnistyy entsyymien vaikutuksesta (Lii-te 3). Hapesta riippuvaiset tappomekanismit käynnistyvät fagosyyttien aktivoituessa ja näin tuotetaan mikrobeille myrkyllisiä reaktiivisia happiyhdisteitä (O2-, OH, H2O2,). (Hedman ym. 2011)

Komplementti

Komplementin määrittelyKomplementti on osa luonnollista immuniteet-tia ja vaikuttaa myös hankittuun immuniteet-tiin. Komplementti koostuu rasvaliukoisista proteiineista ja glykoproteiineista, joita tuo-tetaan pääasiassa maksasoluissa, mutta myös makrofageissa. Suurin osa näistä proteiineista

262

kiertää verenkierrossa ei-aktiivisessa muodos-sa. (Goldsby ym. 2007) Veren plasmassa olevat komp- lementin proteiinit tuhoavat vieraiksi tunnistamiaan kohteita vaiheittain etenevänä sarjana. Proteiineja on myös solukalvoilla, jos-sa ne toimivat joko reseptoreina komplementin aktivoituneille komponenteille tai kehon omien kudosten komplementtituhoa estävinä suoja-molekyyleinä. Komplementti auttaa merkittä-västi hankitun immuniteetin käynnistymistä ja toimii tehostavana tekijänä muun muassa vasta-aineiden vaikutuksille. Lisäksi komplementti auttaa fagosyyttejä poistamaan vaurioituneita ja vanhentuneita soluja. (Hedman ym. 2011) Komplementti aktivoituu kolmen eri aktivaa-tiotien kautta, joita ovat klassinen aktivaatiotie, lektiinitie ja oikotieaktivaatio Kaikki nämä liit-tyvät mikrobien pintamolekyylien tunnistami-seen. (Abbas ym. 2012)

AktivaatiotietLektiinitie ja oikotieaktivaatio voidaan lukea sel-keästi osaksi luonnollista immuniteettia. Klassi-nen aktivaatiotie voidaan puolestaan liittää myös hankitun immuniteetin mekanismiksi, vaikka se usein esitelläänkin osana luonnollista immu-niteettia. Käytännössä aktivaatioteiden alkuosa eroaa toisistaan, mutta aktivaatioiden myöhäiset vaiheet ovat samanlaisia. (Abbas ym. 2011)

Klassinen aktivaatiotie käynnistyy hankitun im-muniteetin vasta-aineiden kautta, jotka tunnista-vat mikrobien pintamolekyylejä. Vasta-aineista esimerkiksi lgG ja lgM voivat kiinnittyä anti-geeniin ja näihin kiinnittyy C1q, joka on veres-sä kiertävän C1- proteiinimolekyylin osa. C1q puolestaan aktivoi C1r-entsyymin, joka aktivoi C1s-entsyymin, jonka substraatteja C2 ja C4 ovat. C1s aiheuttaa C2 ja C4 jakautumisen, joka johtaa aktiivisen proteolyyttisen entsyymin C4c-C2a muodostumiseen. Tämä pystyy aktivoimaan C3- molekyylejä, josta jakautuu C3a- ja C3b-molekyylejä. (Banda ym. 2008)

C3a-molekyylit aiheuttavat tulehdusreaktiota. C3b puolestaan tarttuvat kovalenttisesti mikro-bin pintaan ja aktivoivat C5-molekyylejä, jot-ka jakautuvat C5a- ja C5b-molekyyleiksi. C5a aiheuttaa tulehdusreaktiota, ja C5b muodostaa C6, C7, C8 ja C9-molekyylien kanssa mikrobin solukalvoa tuhoavan kompleksin (MAC). (Ab-bas ym. 2011) Klassinen aktivaatiotie voi alkaa myös C-reaktiivisen proteiinin vaikutuksesta (Hedman ym. 2011).

Lektiinitien kohdalla komplementin aktivoitu-minen alkaa mannoosia sitovan lektiinin (MBL) kiinnittymisellä mikrobin pintaan. Vaihtoehtoi-sesti myös fikoliinit voivat kiinnittyä mikrobin pinnan sokerirakenteisiin (Hedman ym. 2011). Kiinnittyvät molekyylit muistuttavat C1- mo-lekyylin komponenttia ja aktivoivat klassisen aktivaatiotien tavoin C4-molekyyliä. Seuraavat lektiinitien vaiheet ovat pääasiassa klassista akti-vaatiotietä vastaavia. (Abbas ym. 2011)

Oikotieaktivaatio alkaa, kun plasman mukana kiertävästä C3-molekyylistä jakautunut C3b- molekyyli kiinnittyy kovalenttisesti mikrobin pinnan rakenteisiin. C3b toimii substraattina proteiinille B, josta pilkkoutuu Bb-entisyymi. Näiden yhdistyessä muodostuu C3bBb- komp-leksi, joka edelleen aktivoi C3-molekyylejä, ja sama reaktioketju jatkuu muodostaen uusia mik-robiin kiinnittyviä C3b- ja C3bBb-molekyylejä, jotka pilkkovat C5-molekyylejä. Tästä eteenpäin oikotieaktivaatio jatkuu klassisen aktivaatiotien kaltaisesti. (Abbas ym. 2011) Liitteessä 4 on esi-tetty aktivaatiotiet kaavakuvana.

Tyypillinen ominaisuus komplementille on reak-tion voimistuminen aktivaation edetessä. Eri ak-tivaatioteiden kautta syntyy membraaneja tuhoa-va kompleksi (MAC), joka näkyy reikänä mik-robin solukalvolla. Tämän johdosta solukalvo muuttuu ioneja läpäisevämmäksi, mikä aiheuttaa osmoottisen paineen muutoksen kautta solun tu-houtumisen. (Hedman ym. 2011)

Komplementin säätely ja muut tehtävätKomplementtia on tärkeä säädellä, koska sen lii-allinen aktivoituminen voi tuhota myös elimistön omia soluja. Säätely tapahtuu yksityiskohtaisen tarkasti, jotta komplementin toiminta vaikuttaa mikrobeihin, mutta ei aiheuta vaurioita elimis-tön omille soluille. Säätely saattaa kuitenkin epäonnistua, jos esimerkiksi mikrobit häiritsevät komplementin tunnistusmekanismeja. Pienetkin komplementin häiriöt voivat johtaa autoimmuu-nisairauksiin, kuten esimerkiksi hemolyyttis-ureemiseen syndroomaan (HUS). (Zipfel 2009)

Komplementin aktivaatiota estävät ja edistävät useat tekijät, joiden toiminnoista komplementin säätely muodostuu. C3/C5- konvertaaseilla on rajallinen elinikä sekä C4b, C3b ja C5b67 kyke-nevät vain lyhyen aikaa sitoutumaan solukalvol-le. Nämä ominaisuudet hillitsevät aktivaatiota. Lisäksi liiallista aktivaatiota rajoittaa estävät säätelijämolekyylit C1INH ja C4bp sekä tekijät

263

H ja I. (Hedman ym. 2011) Esimerkkinä H-tekijä on proteiini, jolla on tärkeitä toimintoja komple-menttijärjestelmässä. Mutaatiot H-tekijässä tai toimimattomuus H-tekijässä aiheuttavat useita vakavia sairauksia, kuten DDD (dense deposit disease). (Jessy ym. 2006) Lisäksi soluja erityi-sesti suojaavat myös solukalvojen suojamole-kyylit, kuten esimerkiksi DAF (decay accelera-ting factor) ja MCP (membrane co- factor pro-tein).

Komplementilla on mikrobien rakenteiden tu-hoamisen lisäksi muitakin tärkeitä tehtäviä. Komplementin proteiinit supistavat sileitä lihak-sia, lisäävät verisuonten läpäisevyyttä ja houkut-televat tulehduspaikalle neutrofiileja. Tärkeänä tehtävänä komplementilla on opsonisaatio eli mikrobin tekeminen helpommin fagosytoita-vaksi. Komplementti toimii myös vasta-ainevas-teiden voimistajana eli hankitun immuniteetin tehostajana, koska komplementti edistää anti-geenien kuljetusta ja sitoutumista B-soluihin. (Hedman ym. 2011)

Luonnollisen immuniteetin välttelyLuonnollisen immuniteetti solut toimivat te-hokkaasti monia mikrobeita vastaan estäen nii-den kasvua ja toimintaa. Monet patogeenit ovat kuitenkin kehittäneet suojautumismekanismeja, joiden avulla ne pysyvät kehon immuunipuolus-tuksen ulottumattomissa. Luonnolliselta immuu-nipuolustukselta suojautumisessa on monia stra-tegioita, joista muun muassa bakteerit, virukset ja parasiitit ovat evoluution edetessä kehittäneet omansa (Abbas ym. 2012).

Bakteeritaudeista tuberkuloosia aiheuttava My-cobacterium tuberculosis kykenee jakautumaan kehon omien solujen sisällä immuunipuolustuk-selta piilossa (Flynn ja Chan 2003). Salmonellaa aiheuttava bakteeri puolestaan muodostaa ympä-rilleen suojaavan kapselin, jolla se pystyy suo-jautumaan komplementtia ja fagosytoivia soluja vastaan (Raffatellu ym. 2006). Jotkin sienet ja bakteerit pystyvät muodostavat ympärilleen bio-filmin, joka suojaa immuunijärjestelmän soluilta ja proteiineilta (Otto 2006). Virusten tapauksissa esim. dengue virus pystyy inhiboimaan tyyppi-I -interferonin muodostumista ja välttelemään näin immuunipuolustusta (Morrison ym. 2012). Jotkin malariaa aiheuttavat Plasmoidium-lajin parasiitit puolestaan kykenevät sitomaan komplementille keskeisiä rakenteita estän kehon komplementti puolustuksen (Molina-Cruz ym. 2012).

Lähteet

Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S. Cellular and Molecular Immunology. Philadelphia: El- sevier Inc, 2012, s. 55–56, 68, 72–74.

Abbas AK, Lichtman AH. Basic Immunology. Philadelphia: Elsevier Inc, 2011, s. 159–166. Banda NK, Wood AK, Takahashi K, Levitt B, Rudd PM, Royle L, Abrahams JL, Stahl GL,

Holers VM, Arend WP. Initiation of the Alternative Pathway of Murine Complement by Immune Complexes Is Dependent on N-Glycans in IgG Antibodies. Arthritis and Rheumatism 2008, vol. 58, 10:3081–3089.

Flynn JL, Chan J. Immuneevasion by Mycobacterium tuberculosis: living with the enemy. Current Opinion in Immunology 2003, Vol. 15, 450–455.

Goldsby RA, Kindt TJ, Osborne BA. Kuby Immunology. New York: W.H. Freeman and Company, 2007, s. 68–69.

Hedman K, Heikkinen T, Huovinen P, Järvinen A, Meri S, Vaara M. Immunologia, Helsinki: Kustannus Oy Duodecim, 2011, s. 30–65.

Huovinen P, Meri S, Peltola H, Vaara M, Vaheri A, Valtonen V. Mikrobiologia ja infektiosai- raudet, Helsinki: Kustannus Oy Duodecim, 2003, s. 636–659.

Jessy JA, Quigg RJ. The simple design of complement factor H: Looks can be deceiving. Mo- lecular Immunology 2006, vol. 44, 123–132.

Kanneganti TD1, Lamkanfi M, Núñez1 G. Intracellular NOD-like Receptors in Host Defense and Disease. Immunity 2007, Vol. 27, 549–559.

Medzhitov R, Janeway C Jr. Innate immune recognition: mechanisms and pathways. Immunol Rev 2000, Vol.173, 89–97.

Meri S, Luontainen immuniteetti puolustuksen eturintamassa. Lääketieteellinen Aikakauskirja Duodecim, 2003 Vol. 119, 749–756.

Molina-Cruz A, Dejong RJ, Ortega C, Haile A, Abban E, Rodrigues J, Jaramillo-Gutierrez G, Barillas-Mury C. Some strains of Plasmodium falciparum, a human malaria parasite, evade the complement-like system of Anopheles gambiae mosquitoes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012, Vol. 109, 1957–1962.

Morrison J, Aguirre S, Fernandez-Sesma A. Innate Immunity Evasion by Dengue Virus. Vi- ruses 2012, Vol. 4, 397–413.

Nairn R, Helbert M. Immunology for medical students. Philadelphia: Elsevier Ltd, 2007, s.140–141.

Otto M. Bacterial Evasion of Antimicrobial Peptides by Biofilm Formation. Current Topics in Microbiology and Immunology 2006, Vol. 306, 251–258.

Raffatellu M, Chessa D, Wilson RP, Tükel C, Akçelik M, Bäumler AJ. Capsule-Mediated Immune Evasion: a New Hypothesis Explaining Aspects of Typhoid Fever Pathogenesis. In- fect. Immun. 2006, Vol. 74, 19–27.

Yoneyama M, Fujita T. Function of RIG-I-like Receptors in Antiviral Innate Immunity. The Journal of Biological Chemistry 2007, Vol. 282, 15315–15318.

Zipfel PF. Complement and immune defense: From innate immunity to human diseases. Im- munology Letters 2009, vol. 126, 1–7.

264

LIITE 1

1LR-reseptorin toiminta

 

LIITE 1

TLR-reseptorien toiminta.

265

LIITE 2

Reseptorit.

Reseptorit.

LIITE 2

Reseptori

Ligandi

Tehtävä Toll-reseptorit (TLR) TLR1 Grampositiivinen bakteeri (lipopeptidi) Toimii yhdessä TLR2:n kanssa

TLR2

Grampositiivinen bakteeri

(peptidoglygaani, lipopeptidi,

teikohappo), hiiva (zymosan)

Solujen ja sytokiinituotannon

aktivaatio TLR3

Virus, dsRNA

Solujen voimakas aktivaatio

Proinflamatoristen sytokiinien ja IFN-tuotannon akti-

vaatio TLR4

Grampositiivinen bakteeri (LPS)

Solujen voimakas aktivaatio

Proinflamatoristen sytokiinien ja IFN-tuotannon akti-

vaatio TLR5

Gramnegatiivisten bakteerien

flagellat (flagelliini-proteiini)

Solujen aktivaatio, proinflamatoristen sytokiinien

tuotannon aktivaatio TLR6

Grampositiivinen bakteeri

(teikohappo), hiiva (zymosan) Toimii yhdessä TLR2:n kanssa

TLR7

Virus, ssRNA

Solujen voimakas aktivaatio

Proinflamatoristen sytokiinien ja IFN-tuotannon akti-

vaatio TLR8

Virus, ssRNA

Solujen voimakas aktivaatio

Proinflamatoristen sytokiinien ja IFN-tuotannon akti-

vaatio TLR9

Bakteeri- ja virus-DNA

(CpG-toistojakso)

Solujen voimakas aktivaatio

Proinflamatoristen sytokiinien ja IFN-tuotannon akti-

vaatio TLR10 Tuntematon Tuntematon RIG-I-RNA-helikaasireseptorit (RLR) RIG-I Virus, ssRNA IFN-tuotannon aktivaatio MDA5 Virus, dsRNA IFN-tuotannon aktivaatio NOD-reseptorit NOD1

Peptidoglykaanin osat

(diaminopimeliinihappo, DAP) Inflammatorisen vasteen aktivaatio

NOD2

Peptidoglykaanin osat

(muramyldipeptidi, MDP) Inflammatorisen vasteen aktivaatio

NLRP3

Bakteeri-RNA, toksiinit, ATP,

MDP, Staphylococcus, Salmonella,

Shigelia

Solukuolema ja inflammasomin

aktivaatio NLRP1-2

NLRP4-14

Mikrobikomponentit

Inflammasomin aktivaatio

välitysmolekyylejä, kaspaasiaktivaation ja solu-

kouleman välittäminen NLRX1

Shigella, dsRNA

Inflammatorisen vasteen

aktivaatio mitokondriolla

Lektiinireseptorit Dectin-1 b-glukaanit (hiiva) Inflammatorisen vasteen aktivaatio Dectin-2 Hiivat ja sinet Inflammatorisen vasteen aktivaatio ManR

(soluissa) Mannoosirakenteet bakteereissa,

viruksissa ja hiivoissa Inflammatorisen vasteen aktivaatio

DC-SIGN

Virusten glykoproteiinit,

bakteerien mannoosirakenteita

sisältävät molekyylit

Tunnistaa mm. HIV:n, HCV:n, SARS:n, mykobak-

teereita ja Leishmanian

Mikrobien sisäänotto ja inflammatorisen vasteen ak-

tivaatio dendriittisolussa

266

LIITE 3

Fagosytoosin eri vaiheet.

Fagosytoosin eri vaiheet.

LIITE3

1. Opsonisaatio ja fagosyytin aktivoituminen

4. Lysosomin fuusio

lysosomi

2. Tartturninen

5.Mikrobin tappo

3. Nieleminen

6. Mikrobituotteiden vapauttarninen

267

LIITE 4

Klassinen aktivaatio, lektiinitie ja oikotieaktivaatio.

Klassinen aktivaatio, lektiinitie ja oikotieaktivaatio.

LIITE 4

(LA5 11'f.N -;; 1"\VMT\O IE.

0 1\o

G\f1B: .

LE. t<.\1IN\ \IE. DI\<. Oi\E.AKtiVI'.All 0

1' t::::t=o=Lu==KA-z::::::-v:-;

MAL

268

C15 Inflammaatio ja sen säätely – hyvä ja paha tulehdusSalmela Tiina ja Tertsonen MiiaSolu- ja kehitysbiologian esseeAnatomian ja solubiologian laitosOulun yliopisto16.9.2011Tarkastaja: Riina Myllylä

TiivistelmäInflammaatio on elimistön keino suojautua mikrobeilta ja vierasaineilta sekä edistää kudosvaurioiden parane-mista. Inflammaation voi aiheuttaa myös elimistön omat vahingoittuneet rakenteet. Inflammaation edetessä tapahtuu monimutkaisia reaktiosarjoja lukuisten liukoisten välittäjäaineiden ja vaurioituneen kudoksen solujen sekä tulehdussolujen välillä. Ne johtavat yleensä kudoksen paranemiseen tai toipumiseen infektiosta. Tuleh-dusreaktiota aktivoivien signaalien eliminoituminen on edellytys akuutin tulehdusreaktion vaimentumiselle. Jos tapahtumat eivät seuraa toisiaan oikealla tavalla ja järjestyksessä, inflammaation pitkittyminen voi johtaa erilaisiin kroonisiin sairauksiin.

JohdantoInflammaatio on elimistön tulehdusreaktio, jolla kudokset puolustautuvat haitallisten ärsykkeiden aiheuttamia vaurioita vastaan. Vauriot voivat ai-heutua fysikaalisista, kemiallisista ja biologisista tekijöistä. Inflammaatiolle on ominaista kudos-ten verenvirtauksen lisääntyminen, verisuonien seinämien läpäisevyyden kasvu, makrofagien ja valkosolujen hakeutuminen paikalle ja useiden immunologisten mekanismien käynnistyminen. Kliinisinä oireina tulehdusreaktioissa ovat pu-noitus, turvotus, kuumoitus ja kipu (Rang ym. 2007).

Inflammaatioreaktio on välttämätön elimistöl-le. Se on kudoksen puolustusmekanismi, jonka tarkoituksena on poistaa vahingollinen ärsyke ja aloittaa kudoksen paranemisprosessi. Se on osa kudosten luonnollista immuniteettia. Ilman in-flammaatiota haavat ja infektiot eivät pääse pa-ranemaan, mikä johtaisi vähitellen kudosten tu-houtumiseen ja vaikuttaisi eliön selviytymiseen. Inflammaation muuttuminen krooniseksi voi johtaa monenlaisiin sairauksiin, kuten astmaan ja reumaan (Nathan 2002). Uusissa tutkimuksis-sa on havaittu inflammaation hidastavan haavan paranemista ja lisäävän arpeutumista. Kroonise-na tilana se voi myös altistaa kudoksia syöväl-le. Näistä syistä inflammaatio on normaalisti elimistössä hyvin tarkkaan säädelty reaktiosarja (Eming ym. 2007).

InflammaatioKudoksen vaurioituessa seurauksena on inflam-maatio. Inflammaatio eli tulehdus on kudoksen ärsyyntymisreaktio. Sen voi aiheuttaa kemial-liset aineet, mekaaniset tekijät tai patogeenit. Kun inflammaation on aiheuttanut patogeeni, puhutaan infektiosta. Tulehdus on tarpeellinen kudosreaktioiden, korjausprosessien ja immuu-nivasteen käynnistämiseksi. Tulehdusreaktion laatu riippuu sen aiheuttajasta, välittävistä mo-lekyyleistä ja solutyypeistä. Tulehdusreaktion tarkoitus on eliminoida vieraita tai omia haitalli-seksi muuttuneita rakenteita, signaloida uhkasta ja käynnistyneistä reaktioista muille kehon osille sekä käynnistää vaurion paraneminen (Seppälä ym. 2011).

Tulehtuneen kudoksen verenkierto lisääntyy. Tu-lehduksen oireet (punoitus, kuumotus, turvotus ja kipu) aiheutuvat verisuonten lisääntyneestä läpäisevyydestä, kudosnesteen määrän kasva-misesta, tulehdussolujen kertymisestä ja liukois-ten viestiaineiden tuotannon kasvusta. Lisäksi inflammaatio luo olosuhteet, joissa sekundääri-nen immuunipuolustus voi kehittyä (Lodish ym. 2008). Kudoksen trauma aiheuttaa aina jonkin asteisen tulehduksen, esim. sydäninfarktissa sydänlihaksen hapen puute aiheuttaa kudosvau-rion, josta seuraa tulehdusreaktioiden aktivoitu-minen ja tulehdussolujen paikalle saapuminen (Seppälä ym. 2011).

269

Kudosvaurion seurauksena soluista vapautuu ai-nesosasia, jotka solun ulkopuolelle joutuessaan aiheuttavat tulehdusta. Tällaisia aineita ovat esim. solukalvojen ja mitokondrioiden fosfolipidit, so-lujen tukirangan säikeet sekä tumakomponentit. Yksi vahvimmin tulehdusta aiheuttavista mole-kyyleista on kromatiinia sitova HMGB1. Tuleh-dusreaktioihin osallistuvia välittäjäaineita on eri-laisia. Useat niistä ovat lyhytvaikutteisia peptidejä ja lipidimediaattoreita (Seppälä ym. 2011).

Elimistön homeostaasiin eli sisäiseen tasapai-noon liittyvät kaskadimaisesti toimivat moni-mutkaiset reaktiosarjat, kuten komplementti- ja hyytymisjärjestelmät. Reaktiosarjat kiihtyvät ja synnyttävät signaaleita, jotka aktivoivat sekä keräävät tulehdussoluja inflammaatioalueelle. Myös etäämmällä sijaitsevien kudoksien solut alkavat tuottaa signaalimolekyylien vaikutuk-sesta tulehdusreaktioissa tarvittavia proteiineita (esim. maksa ja monosyytit) tai ne vapauttavat tulehdussoluja, jotka vaeltavat tulehdusalueelle (luuydin) (Seppälä ym. 2011). Taulukkoon 1. on listattu tärkeimpiä tulehdusreaktioihin liittyviä soluja ja niiden vaikutuksia.

Taulukko 1. Tärkeimpiä tulehdussoluja ja niiden vaikutuksia.

Tulehdussoluja Solua aktivoi Eritettävät aineet Vaikutus tulehduksessa Tulehdusvaiheneutrofiiliset granulosyytit

endoteelisolujen tuhoutessa vapautuvat aineet, patogeenien ja makrofagien vapauttamat aineet (sytokiinit)

soluntappamiseen tarvittavia aineita, lysotsyymi, laktoferriini

fagosytointi ja aineiden hajotus, neutrofiilin itsensä kuollessa syntyy märkää

akuuttivaihe

eosinofiiliset granulosyytit

patogeenien ja muiden tulehdussolujen vapauttamat aineet

peroksidaasit,

neurotoksiinit

fagosytointi, aineiden hajotus

allergisessa ja loistulehduksissa

makrofagit endoteelisolujen tuhoutessa vapautuvat aineet, patogeenien ja muiden tulehdussolujen vapauttamat aineet

sytokiinejä (IL-1), kemokiinejä, TNF-α, PGE2, TXA2

vieraiden aineiden ja solujen sekä omien solujen jäänteiden fagosytointi ja aineiden hajoitus, muiden leukosyyttien houkuttelu, antigeenien esittely, aiheuttaa systeemisen tulehdusvasteen (esim. kuume), vasodilaatiota, tulehdusnesteen muodostus

myöhäisen vaiheen solu

mastsolut ja basofiiliset granulosyytit

IgE-vasta-aine, komplemetin osat C3a ja C5a, neuropeptidit

histamiini, hepariini, leukotrieenit, interleukiinit, prostaglandiinit

vasodilaatio, reaktion voimistaminen

akuutin vaiheen solu allergia- ja tulehdusreaktioissa

T-lymfosyytit dendriittisolujen antigeenin esittely

sytokiinit (IL-2, IL-4, IL-10, TNF-β, IFN-γ, TGF-β)

vieraiden solujen tappaminen, muiden lymfosyyttien auttaminen vapauttamalla hormoneja ja solunjakaantumisessa

myöhäisvaiheessa ja kroonisessa vaiheessa

B-lymfosyytit antigeenin kohtaaminen, auttaja-T-solut

vasta-aineet vasta-aineiden muodostus (plasmasolut) .

myöhäisvaiheessa ja kroonisessa vaiheessa

NK-solut sytokiinit IFN-γ, TNF-α tappavat soluja, joista puuttuu suojaava solukalvon pintaominaisuus (MHC)

virustulehdukset ja kasvaimet

dendriittisolut antigeenit interleukiinit esittelevät antigeenejä T-lymfosyyteille, T-solujen aktivointi

akuutissa vaiheessa

Lähteet: Rang ym. 2007, Salmi ym. 2007.

270

Akuutti inflammaatio

Akuutin inflammaation aikana imusuonisto pumppaa kudosnestettä voimakkaammin imus-olmukkeisiin kuin terveessä kudoksessa. Tällöin kudoksen nestekierto lisääntyy, jolloin alueelle pääsee enemmän immunoglobuliineja eli vasta-aineita ja komplementin osia. Yksi tulehdusre-aktioiden perusta on komplementtijärjestelmän aktivoituminen (Seppälä ym. 2011).

Sytokiinit ovat joukko proteiini- ja polypeptidi-välittäjäaineita kuten interleukiinit (IL), kemo-kiinit, interferonit (IF), tuumorinekroositekijät (TNF) ja kasvutekijät, joita tulehdussolut erittä-vät tulehduksen eri vaiheissa. Ne joko kiihdyttä-vät tai estävät tulehduksen etenemistä (Rang ym. 2007). Tulehdusreaktioissa vapautuvat aineet ovat usein kemotaktisia. Niiden avulla tulehdus-solut osaavat suunnistaa tulehduspaikalle. Ke-mokineettiset aineet puolestaan lisäävät tuleh-dussolujen liikettä, vaikka eivät ole apuna niiden suunnistuksessa (Seppälä ym. 2011).

Akuutin vaiheen proteiinit syntyvät sytokiinien vaikutuksesta maksassa (Rang ym. 2007). Esi-merkiksi C-reaktiivinen proteiini (CRP) reagoi bakteeri- tai sienipolysakkareiden kanssa, jolloin komplemettijärjestelmä aktivoituu. CRP:n akti-voima komplementti pysähtyy C3-tasolle, joten CRP rajoittaa liiallista tulehdusta, mutta ohjaa tulehdussoluja vioittuneiden rakenteiden fagosy-toosiin (Seppälä ym. 2011).

Kudoksissa ja plasmassa esiintyvästä kininogee-nistä muodostuu akuutin tulehdusreaktion aikana bradykiniiniä, joka aiheuttaa kipua ja turvotus-ta. Aktivoituneen hyytymisjärjestelmän fibriini hyytyy tulehduspaikkaan, jolloin mikrobien ete-neminen rajoittuu. Jotkut bakteerit erittävät fib-riiniä hajottavaa entsyymiä ja pääsevät näin le-vittäytymään laajemmalle alueelle (Seppälä ym. 2011). Kuvassa 1. on esimerkkinä tulehdussoluja ja niiden erittämien aineiden suhteita.

Kuva 1. Kudosvaurion ja infektion aiheuttamia reaktioketjuja tulehdussoluissa. Kudosten solujen vaurioitumisen seurauksena ekstrasellulaariseen matriksiin vapautuu soluista erilaisia aineita (kuten HMGB1 ja formyyli-peptidejä), jotka aktivoivat tulehdusta ja houkuttelevat paikalle tulehdussoluja. Tu-lehdusreaktion voivat käynnistää myös mikrobit tai niiden tuotteet. Paikalle saapuvat tulehdussolut erittävät lisää välittäjäaineita, jotka edelleen voimistavat tulehdussolujen toimintaan . (Nathan 2002)

271

Krooninen inflammaatio

Krooninen tulehdus syntyy, kun inflammaation rajoittaminen epäonnistuu. Tällöin tulehduspai-kalle on kertynyt lymfosyyttejä, makrofageja ja fibroblasteja. Fibroblastit tuottavat arpikudosta (Rang ym. 2007). Makrofagien happimetaboli-assa muodostuu peroksideja ja happiradikaaleja Th1-tyypin CD4-positiivisten solujen aktivoi-dessa niiden muodostumista. Lisäksi makrofa-geissa ja neutrofiileissä aktivoituu typpioksidin tuotanto. CD8-positiiviset T-solut tappavat mik-robien infektoimia soluja ja samalla tapahtuu ku-dostuhoa, joka aiheuttaa arpeutumista (Seppälä ym. 2011).

Krooninen tulehdus aiheuttaa tauteja, joissa tu-lehdusreaktion ainesosasia jää elimistöön vie-rasaineeksi. Yleensä nämä molekyylit ovat pro-teiineja, joissa esiintyy beetalaskostuneita pepti-dilevyjä. Jäämiä kertyy, koska akuutin vaiheen reaktioissa entsyymien estäjien tuotanto lisään-tyy. Niiden vaikutuksesta kudosten normaalien proteaasien toiminta voi häiriintyä, eivätkä ne kykene hajottamaan tehokkaasti vaurioituneita proteiineja ja rakenteita. Tällainen kertymätauti on esimerkiksi Alzheimerin tauti (Seppälä ym. 2011).

Krooninen inflammaatio ja AlzheimerAlzheimerin tauti (AD) on ikääntyneiden ihmis-ten yleistynyt sairaus, johon liittyy kognitiivis-ten taitojen progressiivinen heikkeneminen sekä etenevä dementia. Useat tutkimukset osoittavat AD:tä sairastavista aivoista löytyvän useita eri-laisia inflammaatiosta kieliviä merkkiaineita. Tällaisia ovat muun muassa eräiden sytokiini-en ja kemokiinien kohonneet tasot. Lisäksi AD aivoissa on havaittu aktivoituneiden mikroglia-solujen (magrofagien) kertymistä patologisen alueen reunamille. Koe-eläinmalleissa on osoi-tettu että lipopolysakkaridien (LPS) käynnistä-mä inflammaatio edesauttaa patologisen tilan muodostumista (Grammas 2011).

Alzheimerin taudissa normaaleista neuronien transmembraaniproteiineista (amyloid pecursor protein) pilkkoutuu A-beetaproteiineja (Aβ). A-beetaproteiinit aggregoituvat eli kasautuvat muodostaen plakkeja. Plakit aiheuttavat ja yllä-pitävät kroonista tulehdusta, jonka seurauksena solunulkoisten aggregoituneiden proteiinivyyh-tien kertyminen lisääntyy. Plakit aiheuttavat

muutoksia muun muassa neuronien ionikanavien toiminnassa ja johtavat lopulta solujen kuole-maan (Barrett ym. 2010).

Eräiden niin kutsuttujen anti-inflammatoris-ten lääkeaineiden onkin osoitettu ehkäisevän AD:hen sairastumisen riskiä elinaikana huomat-tavasti. Vaikka eläinkoetulokset ja kliinisten me-tafyysitutkimusten tulokset ovat olleet lupaavia AD:n ehkäisyssä, ei anti-inflammatorisilla lää-keaineilla ole onnistuttu pysäyttämään tai pa-rantamaan jo puhjennutta taudin kulkua. Tämän on uskottu viittaavan siihen, että inflammaation rooli on kriittinen pikemmin AD:n puhkeamises-sa kuin sen etenemisessä (Grammas 2011).

Inflammaation säätely

Inflammaation etenemistä voidaan pohtia sen eri tarkastuspisteiden kautta. Yhtäaikaiset tai kor-keamman tason signaalit ensin edistävät inflam-maatioreaktioita ja lopulta laukaisevat niiden lopetussignaaleja. Samat molekyylit, jotka ovat mukana inflammaatioreaktioiden käynnistykses-sä, voivat myös estää reaktioita riippuen ajoituk-sesta ja tilanteesta. Tulehdusvapaatila ei aiheudu ainoastaan inflammaatiota edistävien signaalien puuttumisesta vaan lisäksi inflammaatiota ehkäi-sevien geenituotteiden ilmentämisestä terveessä kudoksessa (Nathan 2002).

Inflammaatiopaikalla sekä tulehtuneen kudok-sen että immuunipuolustuksen solut erittävät sytokiinejä ja muita tulehdusta edistäviä välit-täjäaineita (Rang ym. 2007). Näiden tekijöiden tuotantoa säädellään sekä transkriptio- että post-transkriptiotasoilla lukuisin eri mekanismein. Transkriptiotasolla tulehdusgeenien aktivaatiota säätelevät muun muassa solujen välittäjäaineita sitovien pintareseptorien määrät ja aktivoitumi-nen sekä transkriptiotekijöiden muodostuminen ja kulkeutuminen tumaan (Cuenda ym. 2007).

Translaatiotason säätelyä on muun muassa in-flammaation seurauksena eritettävä tristetrapro-liini (TTP). Se sitoutuu useiden eri inflammaa-tioon vaikuttavien geenien mRNA molekyylien 3`-päähän estäen niiden translaation ja näin ol-len proteiinituotteen ilmentymisen (Anderson 2010). Translaatiotasolla säätelyyn vaikuttavat myös useat eri mikroRNA-molekyylit, jotka si-toutuvat kohde mRNA-molekyyleihin joko estä-en niiden translaation tai edistäen niiden hajotus-ta (Sonkoly ym. 2008).

272

Asetyylikoliinin erittymisen maksassa ja pernas-sa uskotaan vähentävän makrofagien sytokiini-en eritystä. Tulehdusreaktion aikana kudoksissa kuolleita neutrofiilejä syöneet makrofagit alka-vat lopulta tuottaa itseään ja muita valkosoluja inhiboivia välittäjäaineita, kuten TGF-β ja IL-10. Tämän jälkeen makrofagit muuntuvat ku-dosvaurioita korjaaviksi tyypin 2 makrofageik-si. Arakidonihaposta valmistettavat lipoksiinit vähentävät neutrofiilien pääsyä verenkierrosta kudoksiin. Paranemisvaiheessa kudoksissa syn-tetisoidaan inhibitorisia prostaglandiineja, jot-ka estävät makrofagien kemokiinien eritystä ja neutrofiilien happiradikaalituotantoa. Lisäksi verisuonten adheesiomolekyylien ekspressio vä-henee ja verisuonten läpäisevyys palaa normaa-litasolle (Hänninen 2011).

Lähteet

Anderson P. Post-transcriptional regulons coordinate the initiation and resolution of inflammation. Nat. Rew. Immunol 2010; 10, 24–35

Barrett KE, Barman SM, Boitano S, Brooks HL. Ganong`s Review of Medical Physiology. 23th ed. McGraw-Hill Companies. 2010 s. 294–295

Cuenda A, Rousseau S. p38 MAP-kinases pathway regulation, function and role in human diseases. Biochim Biophys Acta 2007; 1773, 1358–1375

Eming SA, Krieg T, Davidson JM. Inflammation in Wound Repair: Molecular and Cellular Mechanisms. J Invest Dermatol 2007; 127, 514–525

Grammas P. Neurovascular dysfunction, inflammation and endothelial activation: Implications for the pathogenesis of Alzheimer’s disease. J Neuroinflammation 2011; 8/26

Hänninen A. Akuutin tulehdusreaktion immunologinen säätely. Duodecim 2011; 127, 1679–1687

Lodish H, Berk A, Kaiser C.A, Krieger M, Scott M.P, Bretscher A, Ploegh H, Matsudaira P. Molecular cell biology. 6th ed. New York. W. H. Freeman and Company. 2008 s. 1061–1062

Nathan C, Points of control in inflammation. Nature 2002; 420, 846–852

Rang HP, Dale MM, Ritter JM, Flower RJ. Rang and Dale`s Pharmacology, Philadephia: Churchill Livingstone Elsevier, 2007, s. 202–225

Salmi M, Meri S. Immunijärjestelmän anatomia: solut ja kudokset Kirjassa: Hedman K, Heikkinen T, Huovinen P, Järvinen A, Meri S, Vaara M toim. Immunologia, (mikrobiologia, immunologia ja infektiosairaudet, kirja 2). Helsinki, Kustannus Oy Duodecim 2001, s. 18–29

Seppälä IJT, Meri S. Tulehdusreaktio Kirjassa: Hedman K, Heikkinen T, Huovinen P, Järvinen A, Meri S, Vaara M toim. Immunologia, (mikrobiologia, immunologia ja infektiosairaudet, kirja 2). Helsinki, Kustannus Oy Duodecim 2001, s. 198–209

Sonkoly E, Ståhle M, Prvarcsi A. MicroRNAs and immunity: Novel players in the regulation of normal immune function and inflammation. Semin Cancer Biol 2008; 18, 131–140

273

C16 Tulehdusreaktion hallintamekanismit – elimistö rajoittaa tulehdusta tehokkaastiTölli, Mikko & Toivanen, SamuliSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto11.9.2013Tarkastaja: Roni Pernu

Tiivistelmä Tulehdusreaktiota säätelevät hienovaraiset solu- ja kudostason mekanismit ovat avainasemassa akuuttia tulehdusreaktiota aktivoivana ja hillitsevänä järjestelmänä. Pitkittyvä ja puutteellisesti säädelty tulehdus-reaktio johtaa useisiin kroonisiin tulehdussairauksiin, kuten reumaan ja psoriaasiin. Tulehdusreaktion sää-telyn kannalta keskeisimpiä mekanismeja ovat komplementtikaskadia kontrolloivat proteiinit ja erinäisten viestiaineiden tuotantoa ohjaavat solut. Komplementtijärjestelmän säätely perustuu lähinnä sen konvertaa-sientsyymien stabilointiin ja hajottamiseen, ja sytokiiniviestiketjujen pro- & anti-inflammatoriset sytokiinit määrittelevät tulehdusreaktion voimakkuutta lisäämällä ja vähentämällä tulehdusvasteita aiheuttavien syto-kiinien määrää kudoksissa.

JohdantoTulehdus on ärsyyntymisreaktio ulkoisiin tai si-säisiin ärsykkeisiin. Sen tarkoitus on eliminoida vieraita tai omia haitallisia rakenteita, ilmoittaa reaktioista kehon muille osille ja käynnistää pa-raneminen. Tulehduksen voi aiheuttaa mm. mik-robi, vieraat aineet, esineet tai fysikaalinen ärsy-ke. Tulehdusreaktio voi olla paikallinen tai yleis-tynyt ja sen tunnusmerkkejä iholla ovat punoi-tus, turvotus, kipu ja kuumotus. Muiden elinten tulehdusten tunnusmerkit voivat vaihdella mutta yleisesti verenkierto ja verisuonten läpäisevyys lisääntyvät ja kudokseen kertyy tulehdussoluja ja nestettä. Yleistyneen tulehduksen oireina ovat mm. kuume ja huonovointisuus. Reaktion hallin-ta on olennainen osa immuunipuolustusta, koska puutteellinen reaktio ei poista taudinaiheuttajaa ja liian voimakas reaktio taas vahingoittaa kehon omia kudoksia.

Tulehdusreaktiot voidaan jaotella akuuttiin- ja krooniseen tulehdukseen. Akuutissa tulehduk-sessa tavataan runsaasti neutrofiilisiä granulo-syyttejä kun taas kroonisessa tulehduksessa on enemmän lymfosyyttejä ja makrofageja. (Hed-man, 2011; s. 198, 199, 207)

TulehdusreaktioAkuutissa tulehdusreaktiossa immuunipuo-lustus perustuu kudokseen tulevien mikrobien toistokuvioiden tunnistamiseen. Toistokuvioita tunnistavat hahmontunnistusreseptorit (pattern recognition receptors, PRR), joista osa kuuluu komplementtijärjestelmään ja osa käynnistää sy-tokiinituotannon.

Komplementtijärjestelmä

Komplementti on järjestelmä, jonka pääasial-liset tehtävät ovat verisuonten läpäisevyyden lisääminen, valkosolujen houkuttelu tulehdus-alueelle, solusyönnin stimulointi opsonisoimal-la mikrobeja ja mikrobien itsensä tuhoaminen. Tulehdusreaktion tärkeimmät komplementit C3 ja C5 muodostuvat a ja b –komplekseista. Ana-fylatoksiinit C3a ja C5a vaikuttavat verisuonten seinämien läpäisevyyteen ja ovat kemotaktisia aineita, eli ne houkuttelevat tulehduspaikalle neutrofiilisia granulosyyttejä, kun taas C3b on tärkeä opsoniini ja C5b-9 toimii osana komplek-sia, joka kykenee puhkaisemaan mikrobien solu-kalvoja. (Ehrnthaller, 2011)

274

Komplementin inhibointiIlman aktiivista säätelyä komplementtikaskadi kuluttaisi itsensä nopeasti loppuun, joten sitä säädellään useiden proteiinien avulla. Joukko proteiineja toimii C3b ja C4b –komplekseja inaktivoivan tekijä I:n kofaktoreina (C4bp, te-kijä H, MCP). C4bp inhiboi C4:n kompleksien toimintaa, sitoo C3b:tä ja kiihdyttää C3-konver-

taasion hajoamista (Agarwal, 2012). Tekijä H es-tää liiallista komplementin kulutusta liuostilassa ja MCP estää komplementtia vahingoittamasta kehon omia soluja. Näiden kofaktoreiden lisäksi komplementtia hillitsevät myös C1-inhibiittori (C1INH), C3/C5 –konvertaaseja purkava DAF (decay accelerating factor) ja solukalvon tuhoa estävä protektiini CD59 (Hedman, 2011; s. 62–64).

Kuva 1: Komplementin aktivoitumisreitit ja niitä inhiboivat punaisella merkityt proteiinit

Komplementin aktivointiKaikki komplementtijärjestelmää säätelevät pro-teiinit eivät ole kuitenkaan yksinomaan prosessia inhiboivia, vaan kaskadin aktivointia edistävät C-reaktiivinen proteiini (CRP), Properdiini (P) ja C3-nefriittitekijä (C3Nef). CRP kykenee rea-goimaan pneumokokin pinnan C-polysakkaridin kanssa, mikä johtaa komplementin klassisen tien aktivaatioon ja edistää fagosytoosia kudosvau-rioalueilla, joiden fosfolipideihin CRP sitoutuu. Properdiini ja C3Nef stabiloivat C3/C5-konver-taasia ja estävät C3bBb-konvertaasientsyymin hajoamista, joskin C3-nefriittitekijää erittyy vain tietyissä munuaissairauksissa (Hedman, 2011; s. 34, 65).

Sytokiinit

Komplementin lisäksi tulehdusreaktion saavat aikaan erilaiset kudosmakrofagit, dendriittisolut ja mastsolut, mitkä käynnistävät erinäisten syto-kiinien tuotannon. Sytokiinit ovat joukko prote-iinirakenteisia solujen välisten viestien välittäjä-aineita joihin kuuluvat kemokiinit, interleukiinit, interferonit, erilaiset kasvutekijät ja tuumorinek-roositekijä TNF-α. Viestimolekyylien toiminta välittyy niille ominaisten sytokiinireseptorien kautta ja reseptoriin sitoutuminen saa aikaan sy-tokiinivasteen.

275

Tulehdusreaktiota edistävät sytokiinitTulehdusreaktion alkuvaiheessa merkittäviä viestimolekyylejä ovat kemotaktiset sytokiinit eli kemokiinit ja proinflammatoriset sytokiinit. Kemokiinien valikoiva toiminta perustuu eri valkosolujen pinnallaan ilmentäviin spesifisiin kemokiinireseptoreihin. Niihin liittyessään ke-mokiini aikaansaa valkosolussa muutoksen, joka mahdollistaa sen kulun verisuonen seinämän en-doteelisolujen välistä kudokseen. Varsinaista tu-lehdusreaktiota kiihdyttävistä proinflammatori-sista sytokiineista tärkeimmät ovat interleukiinit

1 ja 6, sekä TNF-α. Ne sitoutuvat kohdesolujensa reseptoreihin ja aktivoivat nämä tuottamaan lisää kemokiineja ja proinflammatorisia sytokiineja, sekä pyrogeenisina aineina säätelevät kuumeen nousua. IL-1 lisää valkosolujen kudosläpäise-vyyden aikaansaavien adheesiotekijöiden eli selektiinien ilmentämistä, lisää vasodilaatiota ja aiheuttaa kipuherkkyyttä sekä hypotensiota. (Contassot, 2012). IL-6 kiihdyttää neutrofiilituo-tantoa luuytimissä ja erilaistaa T- ja B-soluja, ja TNF-α lisää neutrofiilituotantoa tulehdusalueella ja aiheuttaa myös niiden apoptoosin.

Kuva 2: Adheesiokaskadin vaiheet. (Hedman, 2011; s.68)

Tulehdusreaktiota hillitsevät sytokiinitTulehdusreaktion voimakkuutta vaimentavat an-ti-inflammatoriset sytokiinit IL-4, IL-10, TGF-β ja IL-1Ra suojaavat kehon omia soluja estämällä tulehdusta aiheuttamasta liiallista kudosvauriota. Nämä sytokiinit estävät myös proinflammatoris-ten sytokiinien eritystä. Interleukiini 4 vähentää E-selektiinin ilmentämistä ja näin granulosyyt-tien adheesiota kudoksiin (Nelms, 99). Interleu-kiini 10 estää aktivoituneiden dendriittisolujen ja makrofagien toimintaa yhdessä TGF-β:n kanssa (Sabat, 2010). IL-1Ra taas kilpailee IL-1:n kans-sa sitoutumalla tämän kohdereseptoriin.

Psoriaasin hoito sytokiinisalpaajillaPsoriaasi on krooninen ihotulehdustauti, jossa T-lymfosyytit vaeltavat ihokudokseen ja käynnis-tävät siellä hallitsemattoman sytokiinituotannon. Ihokudoksessa sytokiinit saavat aikaan tuleh-dusreaktion ja ylimääräisten ihosolujen nopean tuotannon. (Bak, 2010). Eräs psoriaasin keskei-simpiä sytokiinejä on kliinisessä tutkimuksessa havaittu olevan tuumorinekroositekijä alfa, joka kiihdyttää T-solujen sytokiinituotantoa, ja siten TNF-α estäjien käytön on huomattu lievittävän taudin oireita tehokkaasti (Mälkönen, 2010).

276

TNF-alfan estäjinä käytetään kolmea biologista lääkettä infliksimabi, adalimumabi ja etanersep-ti, joita on käytetty psoriaasin lisäksi menestyk-sekkäästi Crohnin taudin ja nivel- ja selkäranka-reuman hoidossa. Monoklonaaliset vasta-aineet infliksimabi ja adalimumabi sitoutuvat solun pinnalla olevaan TNF-alfaan ja fuusioproteiini etanersepti sitoutuu TNF-alfaa vastaanottavaan reseptoriin estäen näin tämän toiminnan. Estäjä-lääkkeiden käyttöön liittyy myös useita potenti-aalisia haittavaikutuksia, kuten vaikeat infektiot, sydämen vajaatoiminnan paheneminen, syöpä ja verenkuvan muutokset (Laipio, 2007).

Lähteet

Agarwal V, Hammerschmidt S, Malm S, Bergmann S, Riesbeck K, Blom A. Enolase of Streptococcus pneumoniae Binds Human Complement Inhibitor C4b-Binding Protein and Contributes to Complement Evasion. The Journal of Immunology 2012; 189: 3575–3584.

Bak R O, Mikkelsen J G. Regulation of cytokines by small RNAs during skin inflammation. Journal of Biomedical Science 2010; 17:53

Contassot E, Beer H, French L. Interleukin-1, inflammasomes, autoinflammation and the skin. Swiss Medical Weekly 2012; 142:w13590

Ehrnthaller C, Ignatus A, Gebhard F, Huber-Lang M. New Insights of an Old Defence System: Structure, Function and Clinical Relevance of the Complement System. Mol Med 17(3–4) 317–329, March-April 2011.

Hedman K, Heikkinen T, Huovinen P, Järvinen A, Meri S, Vaara M. Immunologia – Mikrobiologia, immunologia ja infektiosairaudet. Duodecim 2011.

Laipio J, Jeskanen L, Karvonen S. Tuumorinekroositekijä alfan estäjän laukaisema psoriaase – paradoksaalinen lääkeainereaktio? Duodecim 2007; 95–100

Mälkönen T. Psoriaasin patogeneesi ja uudet hoidot. Suomen Lääkärilehti 2010; 65(17): 1511–1520

Nelms K, Keegan A D, Zamorano J, Ryan J J, Paul W E, THE IL-4 RECEPTOR: Signaling Mechanisms and Biologic Functions. Annu. Rev. Immunol. 1999; 17: 701–38

Sabat R, Grutz G, Warszawska K, Kirsch S, Witte E, Wolk K, Geginat J. Biology of interleukin-10. Elsevier, Cytokine & Growth Factor Reviews 2010; 21: 331–344

277

C17 Kantasolut immuunivaste – esimerkki tulehdusvasteen muokkauksestaOllanketo, Miia & Prusti, JuliaSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitos, Oulun yliopisto11.9.2012Tarkastaja: Kokkonen, Hanna

TiivistelmäKantasolut ovat erilaistumattomia soluja, jotka aikuisessa ihmisessä esiintyvät mm. veren kantasoluina ja eri kudoksia muodostavina mesenkymaalisina kantasoluina. Kantasolujen (eritoten mesenkymaalisten) merkitys immuunivasteessa on suppressiivinen eli hillitsevä. Immuuniteetti tarkoittaa elimistön kykyä puolustautua tau-dinaiheuttajia vastaan. Se voidaan jakaa luonnolliseen ja hankinnaiseen immuniteettiin. B- ja T-soluvälitteinen immuniteetti ovat osa elimistön hankinnaista immuniteettiä. T-solujen toiminta perustuu antigeenien esitteli-jäsoluihin, jotka käynnistävät T-solujen aktivaation. Mesenkymaaliset kantasolut vaikuttavat T-solujen esitte-lijäsoluihin, etenkin dendriittisoluihin, inhiboiden eli niiden toimintaa estäen. Tämä vaikutus estää T-solujen toimintaa patogeenejä (taudinaiheuttajia) vastaan, jolloin elimistön immuunivaste heikkenee.

JohdantoKantasolujen tutkimus on nostanut esille uusia mahdollisuuksia eri sairauksien hoitoon. Näihin sairauksiin kuuluvat mm. autoimmuunisairau-det. Autoimmuunisairauksissa kantasolut hei-kentävät elimistön immuunivastetta. Samalla periaatteella kantasoluilla voitaisiin hoitaa elin-siirroista johtuvia hyljintäreaktioita (Beyth ym. 2005). Myös lähes tappava GVHD eli graft ver-sus hose deseas, jossa siirretyt kantasolut (esim. leukemian hoidossa) hyökkäävät elimistön omia soluja vastaan liian voimakkaasti, voisi mah-dollisesti olla hoidettavissa. GVHD:n hoidossa kantasolut, tarkemmin mesenkymaaliset kanta-solut, kouluttaisivat siirrettyjä soluja toimimaan oikein. (Lehenkari) Kaiken kaikkiaan kantasolut jatkuvan tutkimuksen kohteena mahdollistavat uusia, entistä parempia hoitokeinoja.

KantasolutKantasolut ovat erilaistumattomia soluja, jotka voivat ärsykkeen saadessaan erilaistua eri ku-dostyypeiksi. Ärsykkeenä voi toimia esimerkiksi solun tai bakteerin pintarakenne tai sytokiini eli viestimolekyyli. Kantasolut voivat jakautua ja silti säilyttää erilaistumattomuutensa todella pit-kiä aikoja. Kantasolujen erilaistumiskyky vaih-telee niiden alkuperän mukaan. (www.biotekno-logia.info)

Totipotentit eli kaikkikykyiset kantasolut (alki-ossa) voivat eilaistua miksi tahansa solutyypiksi ja näin kudokseksi. Pluripontentit kantasolut (al-kiossa 4–7 päivää) taas ovat lähes kaikkikykyi-siä. Niistä ei voi enää kasvaa uutta alkiota, mutta ne pystyvät erilaistumaan miksi tahansa elimis-tön kudokseksi. (www.tiede.fi/artikkeli/252/) Multipotentti eli monikykyinen solu pystyy puo-lestaan erilaistumaan moneksi eri kudokseksi (www.bioteknologia.info). Tälläisiä soluja ovat esimerkiksi mesenkymaaliset kantasolut. Mesen-kymaaliset kantasolut (MSC) syntyvät gastrulaa-tiossa eli alkionkehityksen alkuvaiheessa, jossa alkiokerrokset muodostuvat (www.solunetti.fi). Mesenkymaalisista kantasoluista erilaistuvat kaikki ihmisen kudokset lukuunottamatta veren soluja. Unipotentit kantasolut voivat erikoista vain yhdeksi tietyksi solutyypiksi, esimerkkinä lihaksen satelliittisolut. Aikuisella kantasolut esiintyvät monina erilaistumisasteina, mutta pääasiassa ne voidaan jaoitella verta ja muita ku-doksia muodostaviksi kantasoluiksi, ja molem-pia löytyy mm. luuytimestä. (Lehenkari)

Veren kantasolut jakautuvat kahteen linjaan: my-eloidisiin kantasoluihin ja lymfosyyttisarjan kan-tasoluihin. Myeloidisista kantasoluista erilaistuu mm. granulosyyttejä, myeloidisia dendriittisoluja, megakaryosyyttien kautta verihiutaleita, mega-erytroplasteja, joista erilaistuu retikulosyyttejä ja edelleen punasoluja ja monosyyttejä, jotka eri-laistuat makrofageiksi. Lymfosyyttisarjan kanta-

278

soluista erilaistuu mm. plasmasytoideja dendriit-tisoluja, natural killer -soluja (NK-soluja), T-lym-fosyyttejä ja B-lymfosyyttejä, jotka erilaistuvat puolestaan plasmasoluiksi. (Hedman ym. 2011)

Immuniteetti

Ulkoinen puolustus

Terve iho ja limakalvot estävät taudinaiheutta-jien pääsyn elimistöön mm. mekaanisen esteen, eritteiden, happamahkon pH:n, normaaliflooran (iholla, limakalvolla ja suolistossa symbiootteina elävien mikrobien), entsyymien, limanerityksen ja aineen virtauksen (esim. virtsateissä) avulla. (Hedman ym. 2011)

Sisäinen puolustus

B-solutVasta-ainevälitteisen immuniteetin toiminta ta-pahtuu vasta-aineiden eli immunoglobuliinien (Ig) välityksellä. Immunoglobuliineja tuottavat B-lymfosyytit, jotka syntyvät ja kypsyvät luuyti-messä. Kypsällä B-solulla on solukalvon pinnal-la kiinni olevia vasta-aineita, antigeenille spesifi-siä reseptoreita. (Hedman ym. 2011) Antigeenin kiinnityttyä reseptoriin B-solu muuttuu plasma-soluksi, joka alkaa tuottaa immunoglobuliineja. Osa B-soluista erikoistuu antigeenikontaktin seurauksena muistisoluiksi, minkä ansiosta im-muunivaste on vastaavalle anigeenille seuraavan kerran altistuttaessa nopeampi ja voimakkaampi. (opinnot.internetix.fi ja Hedman ym. 2011)

T-solutT-solut syntyvät luuytimessä, kypsyvät kateen-korvassa ja siirtyvät imusuoniin ja -solmukkei-siin. T-auttajasolut eli antigeenin esittelijäsolut kiihdyttävät vasta-ainetuotantoa ja houkuttele-vat paikalle syöjäsoluja. Kun antigeeni sitoutuu T-auttajasoluun (esim. dendriittisoluun), se erit-tää sytokiinejä, jotka puolestaan käynnistävät T-solujen aktivaation (Hedman ym. 2011). Osa T-soluista erikoistuu muistisoluiksi, mikä no-peuttaa immuunivasteen muodostumista seuraa-valla kerralla. T-tappajasolut tuhoavat mikrobeja ”poraamalla” niiden solukalvoon reikiä erittä-mällä aineita. Ne voivat aktivoida makrofage-ja solusyöntiin. T- ja B-solut toimivat toistensa kanssa vuorovaikutuksessa. (opinnot.internetix.fi ja Hedman ym. 2011)

Muut valkosolutMuita valkosoluja ovat makrofagit ja granulo-syytit, joihin kuuluvat basofiilit, neutrofiilit ja eosinofiilit. Makrofagit ja suurin osa granulo-syyteistä ovat syöjäsoluja. Syöjäsolut tuhoavat kaikkia taudinaiheuttajia, eivätkä voi erikoistua mihinkään tiettyyn taudinaiheuttajaan. Ne muo-dostavat ulkoisen puolustuksen kanssa elimistön luonnollisen immuniteetin. Imusolut (B- ja T-solut) ovat osa hankittua immuniteettiä. B-solut muodostavat vasta-ainevälitteisen ja T-solut so-luvälitteisen immuniteetin. (Hedman ym. 2011)

Mesenkymaalisten kantasolujen vaikutus dendriittisoluihin ja immuunivasteeseen

Dendriittisolut (DC)

Dendriittisolut toimivat osana immuunijärjestel-mää. Ne ovat tärkeitä osallisia niin luonnollises-sa kuin myös adaptiivisessa immuniteetissa ku-ten B- ja T-lymfosyyttien aktivaatiossa. Niille on ominaista monikykyisyys taudinaiheuttajien kä-sittelyssä: ne toimivat tunnustelijoina tunnistaen patogeenien rakenteita ja muokkaavat lopulta niistä antigeenejä ja kuljettavat ne imusolmuk-keisiin lymfosyyteille esiteltäviksi. (Hänninen & Vakkila 2003)

Verenkiertoon vapautuu dendriittisolujen esias-tetta, joka kudoksissa ja imusolmukkeissa kyp-syy epäkypsäksi dendriittisoluksi ja toimii niin sanottuna tunnustelijana. Normaalitilanteessa dendriittisolut ovatkin tässä epäkypsässä muo-dossaan. Kohdatessaan patogeenin epäkypsä dendriittisolu kypsyy eli aktivoituu ja esittelee antigeenin esimerkiksi T-solulle. (Hänninen & Vakkila 2003)

Esittelijäsoluista dendriittisolut ovat merkittä-vimpiä ja niiden rooli korostuu T-solujen sti-mulaatiossa. Etenkin mesenkymaalisten solujen yhteydessä tapahtuu muutoksia dendriittisoluis-sa ja näin ollen niiden aiheuttamassa immuuni-vasteessa.Tällöin mm. TNFβ-sekreetio ja IL-10 tuotto lisääntyivät kun taas IFNγ-tuotanto vähe-ni. TNFβ on esimerkki inhiboivasta sytokiinista. Vaikutukset ilmenivät lymfosyyttien alentunee-na immuunivasteena. (Zhang ym. 2009)

279

Mesenkymaaliset kantasolut

Kantasoluilla ja immuunivasteella on monia yhteyksiä. MSC:t estää ja rajoittaa tulehdusvas-tetta. Tulehduksellisessa ympäristössä MSC:t vaikuttavat sytokiinien eritykseen DC1:ssa, DC2:ssa ja T-soluissa. Immuunivastetta ei muo-dostu joitakin soluja/antigeenejä kohtaan, jos MSC- solut ovat osallisena immuunireaktioissa. MSC:n vaikuttaessa voidaan saada toleranssi vieraita kudoksia kohtaan, joka on taas merkit-tävä askel elinsiirtojen hyljinnän estämisessä tai autoimmuunisairauksissa. (Beyth ym. 2005)

MSC ja vaikutus dendriittisoluihin

Beythin ja hänen kollegoiden (2005) tutkimusten lisäksi myös muuta näyttöä on MSC:den merki-tyksestä immuunivasteiden muokkaamisessa: esimerkiksi Aggarwallin ja Pittengerin tutki-muksessa (2005) MSC:n vaikutuksesta dendriit-tisolut, T-solut ja luonnoliset tappajat (natural

killer, NK) tulivat sietokykyisimmiksi antigee-nejä kohtaan. MSC-T-soluvuorovaikutuksessa ja myös MSC-NK-soluvuorovaikutuksessa tapah-tui merkittävää vähenemistä IFNγ-tuotannossa. MSC-DC-vuorovaikutuksessa tapahtui TNFα-sekreetion eli erityksen vähenemistä. MSC-solut voivat vaikuttaa immuunivasteeseen estämällä sytokiinien TNFα ja IFNγ (interferon-gamma) tuotannon ja lisäämällä ehkäisevien sytokiinien (eli viestiaineiden) kuten IL-10 tuotantoa. TNFα ja IFNγ ovat pro-inflammatorisia eli immuuni-vastetta lisääviä sytokiineja kun taas IL-10 on anti-inflammatorinen eli immuunivastetta hei-kentävä sytokiini. Erityisesti TNFα sekreetion väheneminen estää dendriittisolujen kypsymisen ja siirtymisen imusolmukkeeseen ja näin ollen kyvyn stimuloida T-soluja, jolloin immuuni-vastetta ei synny. Tutkimukset tehtiin in vitro (koeputkiolosuhteissa). (Aggarwall & Pittenger 2005) Chiesan ja kollegoiden (2011) myöhem-min julkaistussa tutkimuksessa selvisi, että vai-kutukset dendriittisoluihin tapahtuvat myös in vivo (elävässä organismissa). (Chiesa ym. 2011)

Kuva 1. Kaavio mesenkymaalisten kantasolujen vaikutuksesta immuunivasteeseen.Mukailtu Petri Lehenkarin Solubiologian luennosta (Kantasolut, 2012).

280

IDO ja PGE2

IDO (indoleamine 2,3-dioksygenaasi) on yksi keskeinen MSC:den immunosuppressiivisia vaikutuksia selittävä teoria. IFNγ aiheuttaa MSC:iden IDO-ekspressiota eli IDO geenin lu-entaa. IDO hajottaa tryptofaania kynureniiniksi. Tämä reaktio inhiboi antigeenin esittelijäsolu-ja, jolloin vaikutus näkyy T-solujen immuuni-vasteen heikkenemisenä. Tryptofaani stimuloi T-soluja ja esimerkiksi tryptofaanin ollessa alle 1µM T-soluvaste estyy. Myös kynureniinin ai-neenvaihduntatuotteiden metabolia inhiboi T-soluja. IDO:n merkityksestä hyljintäreaktioiden hoitamisessa on näyttöä: IDO:n ilmentyminen kasvaimessa estää T-soluvälitteistä hyljintää in vivo. (Meisel ym. 2004)

Aggarwallin ja Pittengerin tutkimuksissa ilme-ni myös muita mahdollisia molekyylejä, joiden välityksellä MSC:t näyttäisivät vaikuttavan T-solujen aktivaatioon: IL-6, IL-8 ja verisuonten endoteelin kasvutekijä (VEGF) prostaglandiini-E2 (PGE2). PGE2 on ilmeisemmin yksi suuri tekijä in vitro. Tutkimuksessa huomattiin selkeä MSC:n suppressiivisten vaikutusten vähenemi-nen, kun PGE2 tuotto estettiin. Kuitenkin tut-kimus kyseenalaisti PGE2:n toiminnan in vivo. (Aggarwall & Pittenger 2005)

Lähteet

http://bloodjournal.hematologylibrary.org/search?author1=Sudeepta+Aggarwal&sortspec=date&submit=Submit

Aggarwal S, Pittenger MF. Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses. Blood 2005; 4: 1815–1822

Beyth S, Borowsky Z, Mevorach D, Liebergall M, Gazit Z, Aslan H, Galun E, Rachmilewitz J. Human mesenchymal stem cells alter antigen-presenting cell maturation and induce T-cell unresponsiveness. Blood 2005; 5: 2214–2219

Chiesa S, Morbelli S, Morando S, Massollo M, Marini C, Bertoni A, Frassoni F, Bartolomé ST, Sambuceti G, Traggiai E, Uccelli A. Mesenchymal stem cells impair in vivo T-cell priming by dendritic cells. PNAS 2011; 42: 17384–17389

Hedman K, Heikkinen T, Huovinen P, Järvinen A, Meri S, Vaara M (toim.). Immunologia: Mikrobiologia, immunologia ja infektiosairaudet, kirja 2. Duodecim 2011. s. 14–17, 61, 101–105, 243–245

Hänninen A, Vakkila J. Dendriittisolu –immuunivasteen kapellimestari. Lääketieteellinen aikakausikirja Duodecim 2003; 8: 763–772

Lehenkari P. Anatomian ja solubiologian luento kantasoluista. 2012.

Meisel R, Zibert A, Laryea M, Göbel U, Däubener W, Dilloo D. Human bone marrow stromal cells inhibit allogeneic T-cell responses by indoleamine 2,3-dioxygenase–mediated tryptophan degradation. Blood 2004; 12: 4619–4621

Zhang B, Liu R, Shi D, Liu X, Chen Y, Dou X, Zhu X, Lu C, Liang W, Liao L, Zenke M, Zhao RCH. Mesenchymal stem cells induce mature dendritic cells into a novel Jagged-2–dependent regulatory dendritic cell population. Blood 2009; 1: 46–57

ht tp : / /www.bioteknologia . info /e tus ivu/ terveys /K a n t a s o l u t / f i _ F I / m i t a _ k a n t a s o l u t _ o v a t / Luettu 10.9.2012

http://www.bioteknologia.info/etusivu/terveys/Kantasolut/fi_FI/sanasto/ Luettu 10.9.2012

http://opinnot.internetix.fi/fi/muikku2materiaalit/l u k i o / b i / b i 4 / 5 _ _ t e r v e y s / 0 1 _ e l i m i s t o n _p u o l u s t u s j a r j e s t e l m a ? C : D = h N c D .gWtQ&m:selres=hNcD.gWtQ Luettu 10.9.2012

http://www.solunetti.fi/fi/kehitysbiologia/kolmas_viikko/ Luettu 10.9.2012

http://www.tiede.fi/artikkeli/252/lupaava_pulmallinen_kantasolu Luettu 10.9.2012

281

C18 Verihyytymä – muodostuminen ja hajoaminen kudoksissaLappalainen, Krista & Järvistö, TiiaSolu-ja kehitysbiologian kurssin kirjoitelmaAnatomian ja solubiologian laitosOulun yliopisto29.08.2014Tarkastaja Haapsamo, Oskari

TiivistelmäVeren hyytymiseen osallistuu lukuisia eri tekijöitä, joista tärkeimpiä ovat trombosyytit, trombiini ja fibriini. Verihyytymän muodostuminen käynnistyy, kun suonen endoteeli vaurioituu. Hyytymiskas- kadiksi kutsutaan ketjureaktiota, joka johtaa hyytymän muodostumiseen eri tekijöiden aktivoidessa toisiaan. Hyytymiskaskadi jaetaan sisäiseen ja ulkoiseen järjestelmään. Sisäinen järjestelmä käynnistyy endoteelin alaisen negatiivises-ti varautuneen pinnan ollessa kosketuksissa hyytymisteki- jään. Ulkoinen järjestelmä käynnistyy verisuonen ulkopinnan erittäessä kudostekijää kudosvaurion yhteydessä. Sisäinen ja ulkoinen järjestelmä eivät toimi eril-lään vaan aktivoivat toinen toisiaan. Trombiinin aktivoimana veren hyytymisen yhteydessä käynnistyy myös fibrinolyysi eli verihyyty- män liukeneminen. Normaalissa tilanteessa veren hyytyminen ja fibrinolyysi ovat tasapainossa. Liukeneminen on hyytymisen tapaan ketjureaktio, jossa tekijät aktivoivat toinen toisiaan. Fibri-no- lyysi rajaa hyytymisreaktiot verisuonivaurion alueelle. Lopulta fibrinolyysin tuloksena verihyytymä liuke-nee tarpeettomana.

JohdantoVeren hyytyminen on kehon suojareaktio, jonka käynnistää suonivauriosta vapautuvat aineet. Ve-rihyytymän muodostuminen on monimutkainen ketjureaktio, johon useat kymmenet hyytymiste- kijät vaikuttavat aktivoiden toinen toisiaan. Yksi tärkeimmistä hyytymisjärjestelmän käynnistä-jistä ovat verihiutaleet. Verihiutaleet eli trombo-syytit ovat tumattomia verisoluja, jotka osallis-tuvat veren hyytymistapahtumaan. Niiden koko sekä verivolyymi on huomattavasti pienemmät kuin erytrosyyttien eli punasolujen. Suonivauri-on alueella trombosyyttien aktivaatio saa aikaan muiden hyytymistekijöiden aktivaation. Veri-hyytymän muodostuminen on tasapainossa hyy-tymän hajoamisen eli fibrinolyysin kanssa, joka käynnistyy välittömästi hyytymän muodostumi-sen käynnistyessä ja lopulta liuottaa hyytymän. Yhdenkin hyytymistekijän puute sekä hyyty-misjärjestelmän epätasapaino aiheuttaa erinäisiä tautitiloja.

Verihyytymän muodostuminen ja hyytymän säätely

Hyytymisen käynnistyminen

Trombosyyttien adheesio ja aktivaatioVerisuonen vahingoittuessa vaurion syvyys vaikuttaa siihen kuinka voimakkaita hyytymis-tekijöitä aktivoituu. Verisuonen vaurioitues-sa endoteelin alta, tunica intimasta, paljastuu hyytymisen käynnistäviä tekijöitä. Keskeisessä asemassa hyytymisreaktion käynnistymisessä ovat von Willebrand-tekijä (vWF) ja kollageeni IV. Endoteelin alaisten rakenteiden paljastuessa trombosyyttien reseptoreista glykoproteiini Ib/IX/V-kompleksi kiinnittyy von Willebrand-teki-jään ja gkykoproteiini Ia/IIa kollageeni IV:ään, joka aikaansaa trombosyyttien aktivaation sekä solukalvon muodonmuutoksen. Muodonmuutos aikaansaa muutoksia trombosyyttien solukalvol-la, kuten fosfolipidien paljastumisen sekä resep-toreiden määrän kaksinkertaistumisen alkuperäi-seen tilanteeseen verrattuna. Kyseiset muutokset kiihdyttävät hyytymistapahtumaa.

282

Trombosyyttien adheesion seurauksena niiden aktivaatio käynnistyy. Aktivaation seurauksena trombosyyttien eriterakkuloista vapautuu välit-täjäaineita, kuten serotoniinia ja tromboksaani A2:ta. Nämä välittäjäaineet osallistuvat trom-bosyyttien aktivaation lisäksi verisuonen supis-tamiseen suonivaurion alueella. Yhdessä aden-osiinifosfaatin (ADP) kanssa ne lisäävät trombo-syyttien aggregaatiota. (Ruutu T. 2007)

Trombosyyttien aggregaatioTrombosyyttien pinnalla on GPIIb/IIIa- resepto-reja, jotka toimivat yhdistävänä tekijänä trombo-syyttien aggregaatiossa eli tarttumisessa toisiin-sa. Jotta aggregoituminen olisi mahdollista, tar-vitaan fibrinogeeniä ja von Willebrand-tekijää, joita löytyy veriplasmasta. Verihiutaleet erittävät myös itse näitä molekyylejä kudos alueelle suu-remman pitoisuuden takaamiseksi. Jotta fibrino-geeni ja von Willebrand-tekijä tunnistaa resep-torin, tulee verihiutaleiden erittämien hyytymis-tekijöiden (ADP, tromboksaani ja serotoniini) muuttaa reseptorin muotoa. Reseptorin muodon muutos kiihdyttää aggregaatiota. Trombosyyt-tien aggregaation myötä syntyy löyhä veritulppa kudosvaurion alueelle. (Ruutu T. 2007)

Hyytymiskaskadi

Veren hyytymisjärjestelmää kutsutaan hyyty-miskaskadiksi, sillä edellinen vaihe aktivoi aina seuraavaa ja hyytymistekijä muuttuu aktiiviseen muotoon. Hyytymisjärjestelmän ketjureaktiois-sa tuotetaan trombiinia (tekijä IIa), joka aktivoi veressä olevia liukoisia fibrinogeenimolekyyle-jä muuttumaan säikeiseksi fibriiniksi. Säikeinen fibriini sitoo verihiutaleet kudosvaurion kohdalle tiiviiksi verihyytymäksi. Trombiini aktivoi hyy-tymistekijöitä, joka kiihdyttää myös lisää trom-biinin muodostusta verihiutaleiden ja muiden solujen pinnalla. Trombiinia on pieniä määriä elimistössä valmiina, mutta kudosvaurion yhtey-dessä sen muodostukseen osallistuu kaksi eri hyytymiskompleksia: tenaasikompleksi ja prot-rombinaasikompleksi. Hyytymisjärjestelmän ak-tivoiduttua trombiini aktivoi myös fibrinolyysin eli verihyytymän liukenemisen.

Solukalvojen fosfolipidipinnat ja kalsium ak-tivoivat useimpia hyytymistekijöitä, jotka ovat seriiniproteaaseja. Osa hyytymistekijöistä tuote-taan maksassa ja niiden valmistukseen tarvitaan K- vitamiinia. K-vitamiinista riippuvaisia hyyty-mistekijöitä ovat protrombiini (tekijä II), tekijä VII, tekijä IX ja tekijä V. Osa hyytymistekijöistä on kofaktoreja, jotka ovat glykoproteiineja ra-kenteeltaan. Kofaktorina toimivat tekijät V ja VIII löytyvät veriplasmasta inaktiivisina muo-toina.

Hyytymisjärjestelmä jaetaan sisäiseen ja ulkoi-seen reittiin. Kudosvaurion tapahtuessa veri-suonen sisäpinnalla, aktivoituu sisäinen reitti. Ulkoinen reitti aktivoituu kun suonen ulkoseinän eli adventitian solut alkavat tuottaa kudostekijää (TF), joka aktivoi hyytymisjärjestelmän seuraa-via vaiheita. Sisäinen ja ulkoinen järjestelmä ei-vät toimi itsenäisinä, vaan aktivoivat toinen toi-siaan. (Ruutu T. 2007)

283

Kuva 1: Hyytymiskaskadi. Kuvassa on esitetty vesiputousmalli hyytymiskaskadista, joka kuvaa yksin-kertaisesti eri hyytymistekijöiden aktivoitumista hyytymistapahtumassa. Nuolet kuvaavat toisen tekijän aktivoimista, usein yhdessä kalsiumin (Ca2+) ja fosfolipidien kanssa (PL). *= trombiini aktivoi tekijää aktivoiden samalla omaa tuotantoaan (Chatterjee M. 2010). (Mukailtu http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2947981/)

284

Sisäinen aktivaatioVerisuonen endoteelin vaurioiduttua aktivoituu sisäinen järjestelmä. Negatiivisesti varautunut pinta aktivoi tekijän XII (Hagemanin tekijä). Aktiivinen tekijä XIIa aktivoi plasmassa olevan Prekallikreinin (PKK) Kallikreiniksi (KK). Ko-faktorina toimiva suurimolekyylinen kininogee-ni (HMWK) ja Kallikrein muodostavat yhdessä kompleksin, joka aktivoi tekijän XI (Berne R. 1993). Tekijä XI aktivoituu tekijäksi XIa myös trombiinin aktivoidessa sitä (Rodak B. 2012). (Kuva 1)

Ulkoinen aktivaatioAdventitian solut alkavat kudosvaurion yhtey-dessä tuottaa kudostekijää (TF),jota ei ole nor-maalisti veressä. Kudostekijä muodostaa komp-leksin tekijä VII:n kanssa. Aktiivinen kudosteki-jä- VIIa- kompleksi aktivoi yhdessä fosfolipidi-en ja kalsiumin kanssa tekijöitä XI ja X. (Kuva 1) (Rodak B. 2012)

Sisäisen ja ulkoisen reitin yhteinen osaMolemmat reitit aktivoivat tekijää IX tekijäksi IXa. Kofaktori VIIIa yhdessä von Willebrand-te-kijän kanssa muodostaa kompleksin, joka yhdes-sä aktiivisen tekijän XIa kanssa aktivoi tekijää X (Stuart factor). Trombiini aktivoi tekijää VIII, kiihdyttäen samalla omaa muodostustaan. Ulkoi-sen reitin tekijät vaikuttavat myös suoraan teki-jän X aktivoimiseen. Tekijän IX aktivoinnista te-kijän X aktivointiin välillä olevaa ketju reaktiota kutsutaan tenaasikompleksiksi. (Kuva 1) (Rodak B. 2012)

Aktiivinen tekijä Xa toimii yhdessä kofaktori Va:n kanssa aktivoiden inaktiivista protrombii-nia (tekijä II) kalsiumin ja fosfolipidien ollessa mukana reaktiossa. Protrombiini aktivoidaan trom- biiniksi protrombinaasikompleksissa ja trombiini myös kiihdyttää tekijän V aktivaatiota. Trombiini (tekijä IIa) aktivoi tekijää XIII, sekä liukoisen fibrinogeenin muuttumista säikeiseksi fibriiniksi. Aktivoitu tekijä XIIIa stabiloi fibrii-nin yhdessä kalsiumin kanssa. (Kuva 1) (Ruutu T. 2007)

Hyytymisen säätelyVerihyytymän muodostumisen säätelyyn osallis-tuu aktiivisesti endoteelin solut, plasmaproteiinit sekä trombiini. Endoteeli rajaa hyytymän vain kudoksen vauriokohdalle trombiinin avulla; en-

doteelisolut alkavat erittämään trombiinin muo-dostumisen vuoksi sekä antitrombiittisia että vasodilatoivia aineita. Antitrombiini inaktivoi trombiinin toimintaa endoteelisolujen solukal-volla sijaitsevat hepariinisulfaatin tehostaessa antitrombiinin toimintaa (Liu J. 2007). Antit-rombiini inaktivoi myös tekijöitä IXa, Xa, XIa, ja XIIa. Antirombiini toimii plasmassa tärkeim-pänä säätelyyn osallistuvana tekijänä. Trombii-ni pystyy säätelemään myös omaa toimintan-sa kolmella eri mekanismilla endoteelisolujen avulla: trombomoduliinilla, hepariinisulfaatilla sekä kudostekijäperäisen hyytymisen estäjällä. Kun trombiini tarttuu trombomoduliiniin, akti-voituu proteiini C (Kalafatis M. 1997). Proteii-ni C inaktivoi tekijöiden Va ja VIIIa toimintaa, jolloin myös uuden trombiinin muodostumi- nen hidastuu. Proteiini S toimii proteiini C:n apuna inaktivaatiossa (Koopman J. 1986). Trombiinin vaikutuksesta endoteelisolut alkavat muodosta-maan TFPI:tä eli kudostekijävälitteistä hyytymi-sen estäjää. TFPI puolestaan inaktivoi aktiivista tekijää X, kudostekijää sekä VIIa kompleksia (Rodak B. 2012). Tekijä X:n aktivaatioon puo-lestaan vaikuttaa tekijä VIII, joka on aktiivinen von Willebrand-tekijästä irrotessaan. Myös fib-rinolyysi osallistuu verihyytymän muodostumi-sen säätelyyn, kun valmistuva plasmiini inakti-voi tekijöitä V ja VIII. (Ruutu T. 2007)

Endoteelisolut tuottavat antitromboottisten ai-neiden lisäksi myös trombosyyttien tekijöitä, jotka vaikuttavan trombosyyttien aggregaation sekä aktivaatioon. Trombosyyttien aggregaation estoon vaikuttavat typpioksidi ja prostasykliini, jotka aiheuttavat vasodilataation Vasodilataatio aiheuttaa trombosyyttiadheesion rajoitusta vä-hentämällä verivirran nopeusgradientteja. Typpi-oksidi ja prostasykliini nostavat myös kynnystä trombosyyttien aktivaatiolle. Tekijä V vaikuttaa trombosyytin solukalvolla aiheuttaen trombo-syyttien aktivaation. (Ruutu T. 2007)

Fibrinolyysi

Liukeneminen

Fibrinolyysi eli verihyytymän liukeneminen ku-doksessa alkaa välittömästi veihyytymän muo-dostumisen käynnistyessä. Fibrinolyyttisen jär-jestelmän keskeisenä tarkoituksena on pilkkoa verihyytymää koossa pitäviä fibriinisäikeitä, mikä johtaa liukenemiseen. Liukeneminen käyn-nistyy, kun endoteelisoluista vapautuu tPA:ta

285

trombiinin ja fibriinin toimesta. Plasminogee-nin kudosaktivaattorina toimiva tPA on kiinni verihyytymän fibriinissä ja se muuttaa plasmi-nogeenin fibriiniä hajottavaksi plasmiiniksi. Vä-littömästi fibriinin muodostuessa plasminogeeni tarttuu fibriiniin ja fibriinissä tPA aktivoi plasmi-nogeenin. Plasminogeenin aktivoitumiseen vai-kuttaa myös erinäisiä muita tekijöitä, kuten XII, prekalliini ja kininogeeni. Nämä plasminogeenin aktivaattorit saavat aikaan muutoksen, jonka tuloksena plasminogeeni on muuttunut fibrino-geeniä pilkkovaksi plasmiiniksi. (Ruutu T. 2007) Plasmiini on kiinnittyneenä fibriiniin, jotta se olisi suojassa sitä inhiboivilta tekijöiltä, kuten α

2

-antiplasmiinilta (Rodak B. 2012).

Fibrinolyysin säätely

Jotta fibrinolyysi olisi tasapainossa verihyyty-män muodostumisen kanssa, tulee fibrinolyysin säätelyn toimia moitteettomasti. Fibrinolyysin säätelytekijät ovat päasiassa plasmiinin inhibiit-toreita. Tärkeimpänä inhibiittorina toimii plas-minogeenin inhibiittori PAI-1, jota erittää trom-

bosyytit. Inhibiittori PAI-1 estää plasminogeenin aktivoitumista plasmiiniksi ja näin hidastaa liu-kenemistapahtumaa. Trombosyytit erittävät PAI-1:n lisäksi myös antiplasmiini α

2:ta sekä tekijä

XIIIa:ta.

Myös plasmassa on antiplasmiini α2:ta. Antiplas-

miini α2:n tehtävänä on inaktivoida hyytymän

ulkopuolella olevaa plasmiinia, joka aiheuttaa muun muassa MMP:n (matriksimetalloprotei-naasi) aktivoimista. Aktivoitu MMP hajottaa ve-risuonen seinämän fibrinonektiiniä ja kollagee-nia. Tekijä XIIIa vahvistaa fibriiniä ristisidoksin. Mitä enemmän tekijä XIIIa on ehtinyt fibriiniä vahvistaa, sitä hitaammin plasmiini pystyy ha-jottamaan fibriiniä. Yksi fibrinolyysin säätely-järjestelmä on myös plasman karboksipeptidaasi B, jonka esiaste, TAFI, estää plasminogeenin tarttumista fibriiniin poistamalla fibriinistä kar-boksterminaalisia lysiiniaminohappotähteitä. TAFI:n aktivoimiseen tarvitaan trombomodulii-nia. Kun hyytymä on muodostunut, supistavat trombosyyttien ulokkeet hyytymän pienemmäk-si ja estävät fibrinolyysiä mekaanisesti. (Kuva 2) (Ruutu T. 2007)

Kuva 2: Fibrinolyysin säätelyn yksinkertaistettu vesiputousmalli. Kuvassa on eritelty tekijöitä, jotka ovat osallisina fibrinolyysin säätelyssä.

286

Lähteet

Berne R, Levy M. Physiology. Mosby- Year Boo, Inc. 1993. S.344–345

Chatterjee M, Denney W, Jing H, Diamond S. Systems Biology of Coagulation Initiation: Kinetics of Thrombin Generation in Resting and Activated Human Blood. Saatavissa http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2947981/. Luettu 17.09.2014

De Fouw NJ, Haverkate F, Bertina RM, Koopman J, van Wijngaarden A, van Hinsberg VW. The cofactor role of protein S in the acceleration of whole blood clot lysis by activated protein C in vitro. Saatavissa http://www.bloodjournal.org/content/67/4/1189.short?-checked=true&sso- checked=true Luettu 15.09.2014

DeLoughery T. Hemostasis and Trombosis. Landes Bioscience 2004. S.4–5

Kalafatis M, Egan JO, vant’t Veer C, Cawthern KM, Mann KG. The regulation of clotting factors. Saatavissa www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9399073 Luettu 15.09.2014

Lebegue C, Tondre R. Handbook of Hematology Research. Nova Biomedical Books 2010. S.36

Liu J, Pedersen L. Anticoagulant heparan sulfate: structural spesificity and biosynthesis. Saatavissa www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1876722/ . Luettu 16.09.2014

Rodak B, Fritsma G, Keohane E. Hematology, Clinical Principles and applications. Elsevier 2012. S.626–646

Ruutu T, Rajamäki A, Krusius T. Veritaudit. Duodecim 2007. S 450–460

Vilpo J. Ilmari Palvan Veritaudit. Medivil Oy 2010. S. 159–171