Solun säätely

Jyrki Turunen

Solun säätely, BIK 113

Kotitehtävät 2009

1.      Mistä löytyvät ja mikä merkitys on solusyklin tarkistuspisteillä (checkpoints)? Mitä eroa niillä on retinoblastoomaproteiinin (Rb) säätelemään G1/S- säätelykohtaan (restriction point) nähden?

Solunjakautuminen (solusykli) noudattaa tiettyä rytmiä, jossa solunjakautuminen (mitoosi) ja välivaihe (interfaasi) vuorottelevat. Interfaasi käsittää vaiheet G1, S ja G2. Mitoosi jaetaan viiteen vaiheeseen, jotka ovat profaasi, metafaasi, anafaasi, telofaasi ja sytokineesi eli soluliman jakautuminen.

Solusyklin tarkistuspisteitä ovat G1 -vaiheen, G2 -vaiheen ja metafaasin tarkistuspisteet.  Niillä tarkoitetaan solusyklin vaiheita, joissa siirtyminen seuraavaan vaiheeseen keskeytyy, jos edellinen vaihe ei ole toteutunut tai mikäli sisäiset/ulkoiset olosuhteet eivät ole suotuisat. Kun solusyklissä havaitaan häiriö, se pysähtyy.  Häiriön ollessa paha se johtaa solukuolemaan. Kasvunrajoitegeeni p53 saattaa siis laukaista apoptoosin eli ohjatun solukuoleman. Tarkistuspisteiden tarkoituksena on usein määrittää, onko DNA vaurioitunut:

Kriteereitä:

G1: S–vaiheeseen tulo: Ovatko ympäristöolosuhteet kunnossa?

G2: M–vaiheeseen tulo: Onko kaikki DNA replikoitunut? Ovatko ympäristöolosuhteet kunnossa?

Metafaasin tarkistuspiste: Ovatko kaikki kromosomit tarttuneet sukkularihmoihin?

Rb–proteiini estää solusykliä etenemästä niin kauan, kunnes solu on valmis jakautumaan. Solusyklin tarkistuspisteissä taas tarkistetaan, että kaikki solujakautumisen toiminnot ovat tapahtuneet, kuten on tarkoitus. Kun G1-tarkistuspisteessä havaitaan, että solu on saavuttanut kasvuvaiheensa päätepisteen ennen S-vaihetta (DNA:n jakautuminen), niin Rb-proteiini fosforyloidaan.

Rb–proteiini estää solusyklin etenemistä G1-vaiheesta S-vaiheeseen sitomalla transkriptiotekijöitä ja estämällä niitä toimimasta. pRb (retinoplastoomaproteiini) sitoutuu transkriptiotekijä E2F:ään, jolloin solusyklin eteneminen estyy. Kun solusyklin on aika siirtyä G1-vaiheesta S-vaiheeseen pRb fosforyloituu ja menettää aktiivisuutensa tuumorisupressorigeeninä toimimiseen. Kinaasientsyymit (fosforylaatio) ja fosfataasit (defosforylaatio) toimivat prosessissa säätelemällä fosforylaatiomekanismin avulla Rb-proteiinin aktiivisuutta. Sykliinistä riippuvaiset kinaasit (cdk-proteiinit) sitoutuvat sykliineihin ja siten ohjaavat proteiinien fosforylaatiota. Sykliinien nimi tulee siitä, että ne tuotetaan ja hajotetaan yhden solusyklin aikana. pRb on fosforyloituneessa (ei-aktiivinen) tilassa S, G2 ja M-vaiheiden ajan.

2. Selitä selvästi (eli milloin, miten ja miksi muodostuu):

a)     MPF-tekijä

M-vaiheen eli mitoosin (meioosin) käynnistymisen saa aikaan M-vaihetta edistävän tekijän (MPF, M-phase promoting factor tai maturation promoting factor) aktivoituminen. Mitoosin alussa tarvitaan monia sytoplasmisia muutoksia, joita säädellään MPF:n indusoimalla proteiinien fosforylaatiolla.  MPF edistää solusyklin siirtymistä G2-vaiheesta mitoosiin. MPF aktivoituu G2-vaiheen lopussa fosfataasin vaikutuksesta, joka poistaa siihen aiemmin lisätyn toimintaa ehkäisevän fosfaattiryhmän.

b)     Mitoosisukkula

Mitoosin keskeisimpänä tehtävänä on muodostaa S-vaiheen loppuun mennessä kromosomista kaksi identtistä kopiota. Kromosomin segregaatio (erottuminen kahdeksi) tapahtuu mitoosisukkulan avulla. Mikrotubulukset tarttuvat kromatitidien kinetokooreihin vetäen ne erilleen. Mitoosisukkula muodostuu mitoosin profaasivaiheessa.

c) APC-tekijä

Tuumorisupressorigeeni, jonka aktiivisuuden menettäminen altistaa K-ras onkogeenille ja paksusuolensyövän synnylle.

d) Synaptoneemakompleksi

Vastinkromosomit tunnistavat toistensa identtisiä DNA-jaksoja ja konjugoituvat keskenään. Konjugaation rakenne on synaptoneemakompleksi, joka muodostuu meioosin I profaasin tsygoteenissä, on täydellinen pakyteenissä ja purkautuu diploteenissä (profaasi jakautuu viiteen vaiheeseen). Synaptoneemakompleksi muodostaa kolmikerroksisen rakenteen vastinkromosomien välille (keskuselementti, lateraalielementit). Synaptoneemakompleksiin sitoutuneessa DNA:ssa tapahtuu katkoksia ja sekvenssitunnustelu vastinkromosomien välillä, materiaalin vaihtoa. Pakyteenissa homologiset kromosomit alkavat pakkaantua ja vastinkromatidien välillä tapahtuu tekijäinvaihto paternaalisen ja maternaalisen kromosomin välillä (=kromosomin sisäinen rekombinaatio). 

e) MOS-proteiini

Toimivat ylläpitäen MPF –tekijää solusyklin aktiivisessa vaiheessa, jolloin niillä on proteiini-treoniini/seriinikinaasiaktiivisuutta. Onkogeenisiä muutoksia esiintyy, kun c-mos proteiinia tuotetaan väärään aikaan.

2.      Apoptoosi voi käynnistyä solunsisäisellä aktivaatiomekanismilla tai solunulkopuolisen tekijän laukaisemana. Selitä nämä molemmat apoptoosin aktivaatiomekanismit.

Ulkopuolelta tulevat viestit välitetään soluun spesifisten kuolonreseptorien välityksellä. Sisäinen aktivaatio käynnistyy puolestaan mitokondrioissa. Molemmissa tapauksissa aktivaatio johtaa apoptoosille ominaisten entsyymien (kaspaasien) aktivoitumiseen. Apoptoosia indusoivien käskyjen lisäksi solu saa jatkuvasti myös solukuolemaa ehkäiseviä viestejä (esim. kasvutekijät) ja signaalien yhteissumma ratkaisee lopulta kohtalon.

Apoptoosikoneisto sisältää joukon entsyymejä (kaspaaseja), jotka lopulta hajottavat solun sisältäpäin. Apoptoosissa solu kutistuu, menettää kontakstinsa toisiin soluihin, solukalvo kuplii ja solukalvo pilkotaan apoptoosille tyypillisiin n. 200 emäsparin pituisiin pätkiin. Lopulta solun jäännökset jäävät kalvon ympäröimiin rakennelmiin, jotka viereiset solut tai makrofaagit fagosytoivat.

Solu on jatkuvasti valmiina kuolemaan, toisten solujen erittämät selviytymistekijät pitävät sitä hengissä. Mikäli solu saa riittävästi apoptoosia indusoivia viestejä käynnistyy solussa solukuolemaan johtava koneisto. Apoptoosi käynnistyy spesifisten proteaasien, kaspaasien vaikutuksesta. kaspaasiaktivaation estämisen on tutkimuksissa todettu suojaavan solua solukuolemalta.

Inaktiivisia prokaspaaseja, valmiiden kaspaasientsyymien esiasteita, on valmiina kaikissa soluissa. Aktiivinen kaspaasi kykenee aktivoimaan toisia prokaspaaseja. Siksi prokaspaasien aktivaatio johtaa yhä uusien kaspaasien aktivaatioon ja lopulta peruuttamattomasti solun kuolemaan. Yli 10 erilaista kaspaasia on tunnistettu. Osa kaspaaseista toimiin yksinomaan kaspaasikaskadin käynnistyksessä, osa solun proteiinirakenteiden hajotuksessa.

Prokaspaaseja aktivoiva, solun ulkopuolinen viesti välittyy soluun sen pinnalla sijaitsevien kuolonreseptorien kautta. Eräs kuolonreseptori on Fas. Kun Fas-reseptoriproteiini sitoo Fas-ligandin solun ulkopuolella, siihen sitoutuu solun sisällä soviteproteiini. Samalla kolme Fas-reseptoria kertyy yhteen muodostaen trimeerin. Kuolonreseptoriin sitoutuneet soviteproteiinit sitovat edelleen prokaspaaseja, jotka lähekkäin tuotuina aktivoivat toinen toisensa ja kaspaasikaskadi käynnistyy. Muita hyvin tunnettuja kuolonreseptoreita ovat TNF- ja TRAIL –reseptorit.

Solustressi ja DNA-vaurio voi käynnistää apoptoosin solunsisäisesti. Tässä säätelyreitissä keskeisessä asemassa on mitokondrioiden solulimaan vapauttama proteiini, nimeltään sytokromi c. Sytokromi c sijaitsee normaalisti mitokondrion sisä- ja ulkokalvojen välitilassa, missä se toimii osana elektroninsiirtoketjua. Solulimaan vapautuneena sytokromi c aktivoi apoptoosia. Se sitoo itseensä adaptoriproteiinin ja samassa adaptoriproteiinit alkavat aggregoitua. Adaptoriproteiinit sitovat edelleen prokaspaaseja, jotka yhteen tuotuina aktivoivat toinen toisensa.

4. Oheisiin kaavioihin perustuen: Selitä mitä muutoksia tapahtuu syövän kehittymisen eri vaiheissa. Huomaa, että muutokset eivät välttämättä selkeästi lokeroidu yhteen kohtaan, vaan esim. kromosomimutaatioita voi tapahtua useammassa eri vaiheessa.

A.    Ulkoiset tekijät, kuten ionisoiva säteily, kemialliset karsinogeenit ja eräät virukset pystyvät aiheuttamaan solun pahanlaatuisen muutoksen eli transformaation.

B.    Transformaatio johtaa sellaisten uusien proteiinien tuotantoon, jotka johtavat syöpämuutokseen

C.    Kasvaimen muuttuminen pahanlaatuiseksi: Syöpäsolut alkavat tuottaa mm. verisuonitusta lisääviä kasvutekijöitä. Etäpesäkkeiden lähettämiseksi syöpäsolun täytyy tunnistaa verisuonen endoteelisolu, pystyttävä kiinnittymään siihen ja läpäistävä sen alla oleva tyvikalvo.

D.    Metastasoivat syöpäsolut tuottavat metalloproteinaaseja (MMP) tunkeutuaakseen tyvikalvon läpi. Soluinvaasion seurauksena syntyy etäpesäkkeitä.

5. Mitä eroja on syöpägeenillä (onkogeenillä) ja kasvunrajoite (tuumori-supressorigeenillä)? Selitä mikä on toiminnan vahvistumismutaatio ja toiminnan menetysmutaatio. Määrittele käsitteet resessiivinen ja dominoiva mutaatio.

Proto-onkogeenit eli esisyöpägeenit ovat geenejä, jotka koodaavat välttämättömiä solun kasvua ja jakautumista kontrolloivia tekijöitä. Esisyöpägeenin aktivaatio on tapahtuma, jossa proteiinin normaali toiminta tai sen ilmentymisen säätely muuttuu, koska sitä koodaavassa geenissä tapahtuu mutaatio, jonka seurauksena syntyy syöpägeeni eli onkogeeni.

Toiminnan vahvistumismutaatiolla tarkoitetaan dominoivaa mutaatiota, mutaatio toisessa esisyöpägeenin alleelissa riittää proliferoimaan (lisäämään) solujen kasvua.

Toiminnan menetysmutaatiossa mutaatiotapahtuma inaktivoi tuumorisupressorigeenin. Yhdessä geenin kopiossa mutaatiolla ei vielä ole merkitystä, mutta seuraavan mutaation tapahduttua se inaktivoi myös toisen geenin kopion. Nämä kaksi mutaatiota riittävät eliminoimaan tuumorisupressorigeenin ja mahdollistaa solun proliferoinnin. Kyseessä on tyypillisesti resessiivinen (peittyvä) mutaatio, mutaation on siis tapahduttava molemmissa alleeleissa, koska toinen alleeleista riittää suojaamaan solua syövän ilmenemiseltä.

Resessiivisellä ominaisuudella tarkoitetaan (perinnöllisyystieteessä) ominaisuutta, joka tulee esille yksilön fenotyypissä eli ilmiasussa vain, jos sitä ei ole peittämässä dominoivan ominaisuuden omaavaa alleelia. Resessiivinen ominaisuus siis peittyy, mikäli jokin alleeleista sisältää dominoivan ominaisuuden. Dominoivan ominaisuuden mutaation seurauksena se saattaa menettää ominaisuutensa ja solu proliferoi.

Mikäli tuumorisupressorigeeni menettää ominaisuutensa, se ei esimerkiksi enää ohjaa solua apoptoosin virheellisen solunjakautumisen yhteydessä, vaan solu pääsee proliferoimaan.

Mutaatiot solusykliä edistävässä (syöpägeenit), että etenemistä jarruttavassa geenissä (kasvunrajoitegeenit) johtavat lopulta solun kasvun säätelyn pettämiseen.

6. Kerro alle listatuista geeneistä (vinkki: tee vastaukset taulukkomuotoon):

Mikä on esisyöpägeenin/kasvunrajoite koodittaman proteiiniin merkitys/toimintamekanismi normaalissa solussa

Miten syöpägeenin/kasvunrajoite koodittaman proteiiniin toimintamekanismi on muuttunut syöpäsolussa

Syöpägeeneistä: mikä on aktivoitumismekanismi

Kasvunrajoitegeeneistä: mikä on inaktivoitumismekansimi

Onko kyseessä toiminnan vahvistumismutaatio vai toiminnan menetysmutaatio

Onko mutaatio resessiivinen vai dominoiva

Geenit:

c-Myc

·       onkogeeni

·       transkriptiotekijä, jolla säädellään G1 –vaiheeseen, että S-vaiheeseen siirtymiseen tarvittavien proteiinien ilmentymistä

·       siirtyy immunoglobuliinigeenien vahvojen säätelyalueiden ohjattavaksi, seurauksen amyc –proteiinin ylituotto

·       proteiinin ylituotto edistää syövän kehittymistä

·       ei mutaatioita

·       saattaa monistua

Ras

·       onkogeeni

·       Tärkeitä kasvutekijöiden aktivoimissa signaalin välitysreiteissä

·       Mutaation seurauksena jatkuvasti aktiivinen, välittää solunjakautumissignaalia eteenpäin ilman, että kasvutekijä sitoutunut reseptoriin

·       Tyypillinen aktivaatiomekanismi aminohappovaihdokseen johtanut pistemutaatio

·        

p53

·       kasvurajoitegeeni

·       koostuu neljästä alayksiköstä, yksi mutatoinut alayksikkö estää proteiinin tuotannon

Pten

·       kasvunrajoitegeeni

·       fosfataasi

·       jos puuttuu ei PIP3 defosforyloidu PIP2:ksi

·       akt-proteiini pysyy aktiivisena kokoajan

Bcl-2

·       onkogeeni

·       antiapoptoottinen proteiini

·       ylituotetaan kromosomien translokaation seurauksena

·       sytokromi c välitteinen apoptoosireitti ei aktivoidu

Pdgf

·       platelet-derived growth factor

·       kasvutekijäreseptori pdgfR

·       aminoterminus korvautuu tel-transkriptiotekijän  amino-terminuksella

·       Tel:n aminoterminuksessa on dimerisaatioon tarvittava helix-loop-helix rakenne, joka johtaa fuusioproteiinin dimerisaatioon

·       Pysyvän dimeroitumisen  seurauksena PDGF-reseptorin sytoplasman puoleinen tyrosiinikinaasi on pysyvästi aktiivinen: jatkuva stimulus solun jakautumiseen

Rb

·       kasvunrajoitegeeni

·       estää solusyklin etenemistä G1 –vaiheesta S –vaiheeseen

·       kasvainsolusta puuttuvat Rb –geenin molemmat alleelit

·       alleelien oltava toimimattomia, että retinoblastooma syntyisi

·       periytynyt alleelin puuttuminen ja somaattinen mutaatio

c-Myc
Ras
Bcl-2
p53
Pten
Pdgf
Rb