Johdanto

kasvun mahdollistamiseksi ja ihmiskehon korjaus, vanhemmat vanhenevat solut on poistettava ja korvattava nuoremmilla, tehokkaammilla. Tämän prosessin ytimessä on solujen jakautuminen, joka on välttämätöntä paitsi fyysisen kehon ylläpitämiseksi myös geenien periytymisen ja geneettisen monimuotoisuuden varmistamiseksi.

muutostila

on yleinen harhaluulo, että muodostuttuaan kehon elimet pysyvät staattisina ja kuluvat vain vähitellen vanhetessamme. Todellisuudessa useimmat elimet muodostavat kudokset ovat pysyvässä muutostilassa, sillä vanhemmat solut käyvät jatkuvasti läpi apoptoosin (ohjelmoitu solukuolema) ennen kuin ne hajoavat ja korvataan uusilla (Elmore, 2007).

tämän solujen korvautumisprosessin ytimessä on solunjakautuminen, joka takaa nuorten ”tytärsolujen” jatkuvan saannin uupuneiden ”vanhempien” tilalle. Tämä vanhenevien solujen korvaaminen varmistaa elinten optimaalisen toiminnan koko elämämme ajan, vaikka lopulta vanhenemisprosessi alkaa vaatia veronsa.

kehon eri osien solut uusiutuvat eri tahtiin; esimerkiksi epiteelisolut ja neutrofiilit jakautuvat nopeasti, kun taas maksasolut ja adiposyytit jakautuvat hitaasti. Muutamien solutyyppien, kuten joidenkin neuronien ja silmän linssisolujen, arvellaan kestävän eliniän. Tämä tarkoittaa, että eri kudoksilla ja elimillä on eri ikä (kohta 1).

Interfaasi

milloin tahansa, useimmat elimistön solut eivät ole aktiivisessa jakautumistilassa vaan interfaasissa – vakaassa tilassa solujen jakautumisen vaiheiden välillä. Tämä on aika, jolloin solut kasvavat, kypsyvät ja suorittavat normaaleja fysiologisia tehtäviään. Tyypillinen ihmissolu viettää noin 95% ajastaan interfaasissa (Cooper and Hausman, 2015).

interfaasin aikana solun tuma on kromatiinin läsnäolon vuoksi rakeisen näköinen (KS.tarkemmat tiedot osasta 1). Tällä hetkellä deoksiribonukleiinihappo (DNA) on melko löyhästi järjestynyt, eikä ydinkuoressa ole näkyviä kromosomeja. Juuri ennen solunjakautumista tapahtuu DNA: n replikaatio – näin varmistetaan, että identtinen kopio geneettisestä piirustuksesta (genomista) voidaan siirtää tuleviin tytärsoluihin.

DNA-replikaatio

tämän sarjan ensimmäisessä artikkelissa tutkittiin nukleotidien emäspariutumista ja kuvattiin puriini-ja pyrimidiiniemästen komplementaarisuutta (Knight and Andrade, 2018). DNA: n komplementtiemäksen pariutumissääntö on:

• adeniini pariutuu aina tymiinin (A-T) kanssa
• sytosiini pariutuu aina guaniinin (C-G) kanssa

tämä komplementtiemäksen pariutuminen muodostaa perustan DNA: n replikaatiolle interfaasin aikana.

DNA: n replikaatio perustuu kahteen soluentsyymiin:

• helikaasi – tämä irrottaa pienen osan DNA: n kaksoiskierteestä, jolloin se on yksijuosteinen. Tätä prosessia kuvataan usein analogiseksi zip: n purkamiseksi; kun DNA on yksijuosteinen, kantanauhan nukleotidiemäkset altistuvat;
• DNA-polymeraasi – tämä täyttää altistuneet aukot komplementaaristen emäsparisääntöjen avulla. Tuloksena on kaksi uutta DNA: n tytärjuostetta, jotka ovat geneettisesti identtisiä emojuosteen kanssa.

DNA: n replikaatiota kutsutaan usein ”puolikonservatiiviseksi”, sillä jokaisessa tytär-DNA: n kaksoiskierteessä on yksi juoste, joka on johdettu alkuperäisestä emäslierixistä, ja yksi upouusi juoste, joka on rakennettu nukleotideista, jotka DNA-polymeraasi on vetänyt komplementaariseen emäspariasentoonsa (Kuva 1).

DNA: n replikaatio on uskomattoman nopea ja satunnaisia virheitä esiintyy usein. DNA-polymeraaseilla on oikolukukyky, jonka avulla ne voivat tarkistaa uusien tytärsäikeiden tarkkuuden ja korjata mahdolliset virheet (Reha-Krantz, 2010); virheitä kuitenkin joskus unohdetaan, mikä saattaa johtaa geneettisiin mutaatioihin, jotka voivat johtaa erilaisiin sairauksiin, kuten maligniteettiin.

mitoosi

Solunjakautuminen tapahtuu joko mitoosin tai meioosin kautta. Mitoosi, jota usein kutsutaan ”normaaliksi” solunjakautumiseksi, on välttämätön ihmiskehon kasvulle ja korjaamiselle. Useimmissa nukleoituneissa ihmissoluissa on 46 kromosomia, jotka näkyvät solunjakautumisen aikana – tätä kutsutaan diploidiseksi luvuksi (KS.osa 1). Mitoosin aikana diploidiluku säilyy tiukasti ja mikäli DNA: n replikaatiovirheitä ei ole, kaikki tytärsolut saavat identtisen DNA: n komplementin emosolujen kanssa.

mitoosi tapahtuu neljässä vaiheessa: profaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi (kuva 2).

Profaasi

profaasissa proteiinisynteesiin tarvittava DNA: n normaali transkriptio ja translaatio (KS.osa 3) pysähtyy ja interfaasille ominainen tumassa oleva löyhästi järjestetty DNA kiinnittyy tiiviisti entsyymeihin, kuten DNA-polymeraasi-topoisomeraaseihin. Tällöin DNA tiivistyy kromosomeiksi (KS.osa 1).

kromosomien ilmaantuminen tumaan profaasin aikana viittaa siihen, että solut jakaantuvat välittömästi. Tässä vaiheessa, koska DNA on jo monistunut, jokainen kromosomi koostuu kahdesta identtisestä sisarkromatidista (replikoidun kromosomin tarkasta kopiosta), jotka ovat liittyneet yhteen keskusalueella, centromeerissä.

ydinkalvo hajoaa vähitellen, jolloin kromosomit leijuvat vapaina sytoplasmassa.

Metafaasi

sytoplasmaiset organellit, joita kutsutaan sentrioleiksi, tuottavat ohuita supistuvia karatubuluksia, jotka kiinnittyvät kuhunkin kromosomiin sentromeerinsa kohdalta muodostaen tukirangan. Sentriolit ja karan tubulukset siirtävät jokaisen kromosomin solun keskialueelle (päiväntasaajalle).

anafaasi

karan tubulukset supistuvat, jolloin jokainen kromatidi irtoaa identtisestä sisarestaan kohti solun vastakkaisia napoja.

Telofaasi

erotetut kromatidit eristetään nyt solun kahteen vastakkaiseen napaan, joissa ne muodostavat kummassakin kaksi 46 kromosomin joukkoa. Jokaisen diploidisen kromosomijoukon ympärille alkaa muodostua uusia ydinkalvoja. Kahden uuden tuman välinen sytoplasma alkaa hajota sytokineesiksi kutsutussa prosessissa, joka lopulta johtaa täydelliseen erottumiseen kahdeksi uudeksi soluksi.

Sytokineesi varmistaa, että jokainen tytärsolu saa osan sytoplasmasta, mukaan lukien sen välttämättömät organellit, kuten mitokondriot ja endoplasmainen retikulumi. Näin varmistetaan, että jokaisella uudella solulla on solunsisäiset komponentit, jotka rakentavat omia molekyylejään ja sitoutuvat solun aineenvaihduntaan, jolloin se voi kasvaa, kypsyä ja selviytyä itsenäisesti.

vähitellen jokaisen tuman kromosomit muuttuvat vähemmän erottuviksi tiivistyessään, jolloin syntyy vähemmän tiheästi järjestynyttä DNA: ta. Nukleoplasman rakeinen ulkonäkö palautuu, mikä viittaa siihen, että solu on palaamassa interfaasiksi. Tuman löyhästi järjestyneeseen DNA: han koodatut geenisekvenssit voidaan nyt vapaasti transkriboida ribonukleiinihapoksi (RNA) ja lopulta muuntaa solukasvun mahdollistaviksi ja solujen aineenvaihduntaa edistäviksi proteiineiksi (KS.osa 3).

mitoosin kontrollia

mitoosia seurataan ”tarkastuspisteiden” avulla, joilla varmistetaan solunjakautumisen jokaisen vaiheen tarkka koordinaatio. Valitettavasti vaikka käytössä on tiukat laadunvalvontamekanismit, solujen jakautumisprosessi voi muuttua säännönvastaiseksi ja hallitsemattomaksi, mikä joskus johtaa maligniteettiin (British Society for Cell Biology).

meioosi

toinen solunjakautumistyyppi, meioosi, koskee vain kivesten ja munasarjojen sukusoluja. Se on välttämätöntä sukusolujen – siittiöiden ja munasolujen – muodostumiselle, ja se on vastuussa geneettisen vaihtelun käyttöönotosta ”sekoittamalla” meidän ”geenipakkaamme” varmistaen, että siittiöiden ja munasolujen kuljettamat geenit ovat hyvin vaihtelevia.

meioosin aikana diploidinen kromosomiluku (46) puolitetaan siittiöiden ja munasolujen haploidinen kromosomiluku (23) niin, että hedelmöityksen aikana haploidisen spermatozoon tunkeutuessa haploidiseen munasoluun diploidiluku palautuu. Se myös varmistaa, että jokainen jälkeläinen saa suunnilleen puolet geeneistään äidiltä ja puolet isältä. Toisin kuin mitoosissa, tytärsolut eivät saa identtistä DNA: n komplementtia emosoluistaan.

meioosi esiintyy kahdessa vaiheessa, meioosissa I (kuva 3) ja MEIOOSISSA II (Kuva 4), joista jokainen käsittää neljä vaihetta (profaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi).

meioosi i

Profaasi I. kuten mitoosissakin, DNA replikaatio tapahtuu interfaasin aikana, joten profaasi I: n alussa jokainen kromosomi koostuu kahdesta identtisestä kromatidista. Jokaisessa soluissamme olevassa 23 kromosomiparissa yksi kromosomi on tullut äidiltä ja yksi isältä. Nämä homologiset kromosomit pariutuvat hyvin tiiviisti, jolloin vierekkäisten sisarkromatidien segmenttejä voidaan vaihtaa ”crossing over” – nimisessä prosessissa. Ylityksen aikana äidin ja isän kromosomien osat leikataan, vaihdetaan ja liitetään paikoilleen, jolloin uusilla kromosomeilla on erilaiset geenilajit. Tämä prosessi varmistaa geneettisen vaihtelun ja on suurelta osin vastuussa geneettisestä ja fyysisestä monimuotoisuudesta populaatiossa. Ylikulun jälkeen ydinkuori hajoaa vähitellen, jolloin kromosomit jäävät sytoplasmaan.

Metafaasi I. Kara tubulukset muodostavat ja kiinnittyvät kromosomit niiden centromeers. Kromosomit ohjataan solun keskialueelle (päiväntasaaja).

anafaasi I. karan tubulukset supistuvat vetäen jokaisen homologisen kromosomiparin jäsenen erilleen vastakkaisiin Naviin solussa. Äidin ja isän kromosomien järjestely metafaasi I: n aikana ja niiden myöhempi eriytyminen anafaasi I: n aikana on täysin satunnaista. Tämä itsenäinen kromosomivalikoima varmistaa, että siittiöt ja munasolut saavat hyvän yhdistelmän äidin ja isän kromosomeja.

Telofaasi I. Kromosomiluku solun jokaisella navalla on vähentynyt puoleen 46: sta (diploidisesta luvusta) 23: een (haploidisesta luvusta). Jokaisen haploidisen kromosomijoukon ympärille muodostuu vähitellen Uusi ydinkalvo, ja sytokineesi johtaa sytoplasman pilkkoutumiseen. Tämä tuottaa lopulta kaksi uutta haploidista tytärsolua.

meioosi II

jokainen uusi haploidi tytärsolu käy nyt läpi solunjakautumisen toisen vaiheen, meioosi II: n (kuva 4). Meiosis II: n vaiheet ovat suurimmalta osin identtiset mitoosin kanssa:

• Profaasi II – ydinkalvo hajoaa jättäen kromosomit suspendoituneiksi sytoplasmaan;
• Metafaasi II – karatubulukset muodostuvat, kiinnittyvät kunkin kromosomin sentromeeriin ja siirtävät kromosomit Päiväntasaajan alueelle;
• Anaphase II – karatitubulukset supistuvat vetäen jokaisen kromatidin erilleen sisarkromatidista kohti solun vastakkaisia napoja;
• Telofaasi II – jokaisen ympärille muodostuu uusi ydinkuori haploidinen kromosomijoukko, ja sytokineesi johtaa solun pilkkoutumiseen; tämä tuottaa kaksi uutta haploidista tytärsolua.

sukusolujen muodostuminen

miehillä siittiöt muodostuvat kivesten siemenaiheisiin tubuluksiin. Sukusolut kiveksissä (spermatogonia) synnyttävät diploidisia primaarisia spermatosyyttejä, jotka sitten läpikäyvät meioosin tuloksena neljä haploidista siittiötä. Aikuiset miehet tuottavat valtavia määriä siittiöitä nopeudella 80-300 miljoonaa päivässä.

naisten lisääntymisvuosiensa aikana tuottamien munasolujen määrä on huomattavasti pienempi. Munasarjojen sukusolut (oogonia) synnyttävät diploidisia primaarisia oosyyttejä, jotka sitten läpikäyvät meioosin muodostaen haploidisia munasoluja (oosyyttejä). Syntyessään munasoluja on noin kaksi miljoonaa, mutta useimmat niistä rappeutuvat vähitellen iän myötä. Tämä tarkoittaa sitä, että hedelmällisinä vuosinaan nainen vapauttaa keskimäärin vain noin 400 elinkelpoista munasolua (VanPutte et al, 2017).

Nondisjunktio

meioosin keskeinen tehtävä on luoda sukusoluja, joiden haploidiluku on 23 kromosomia. Iän myötä meioosin aikana tapahtuva homologisten kromosomien erottaminen toisistaan heikkenee, jolloin ylimääräiset kromosomit saattavat siirtyä sukusoluihin. Tätä ilmiötä kutsutaan nondisjunktioksi.

Nondisjunktio johtaa yleensä siihen, että vanhempien naisten munasoluissa on ylimääräinen kopio kromosomista 21. Kun siittiösolu hedelmöittää tällaisen munasolun, se tuottaa oman kopion kromosomista 21, jolloin syntyy trisomia 21 ja vauva, jolla on Downin syndrooma (KS.osa 1).

vaikka äidin ikä on yleisesti mainittu suurimpana riskitekijänä kromosomihäiriöisen vauvan saamisessa, nyt tiedetään, että Downin syndroomaa ja muita esimerkkejä aneuploidiasta (ylimääräisiä tai puuttuvia kromosomeja) esiintyy rutiininomaisesti myös siittiösolujen muodostumisen aikana tapahtuvan ei-solunimun seurauksena.

vaikka äidin ikä mainitaan yleisesti pääasiallisena riskitekijänä Downin syndroomaa tai muita aneuploidian muotoja sairastavalle lapselle, tiedämme nyt, että myös isän ikä on riskitekijä, koska nämä geneettiset olosuhteet ilmenevät myös siittiösolujen muodostumisen aikana tapahtuvan häiriöttömyyden seurauksena (US National Downin syndrooma Society). Tämänhetkinen näyttö osoittaa, että noin 90% trisomia 21-tapauksista johtuu ylimääräisestä kopiosta kromosomista 21 munasolussa, noin 4% ylimääräisestä kopiosta spermatozoonissa ja loput tapaukset solunjakautumisessa prenataalisen kehityksen aikana tapahtuneista virheistä (US National Institute of Child Health and Human Development).

johtopäätös

geenit ovat perimän perusyksiköitä. Kromosomien risteytyminen meioosin aikana ja kromosomien itsenäinen Lajitelma varmistavat, että siittiöillä ja munasoluilla on satunnainen yhdistelmä äidiltä ja isältä periytyviä geenejä. Tämä takaa geneettisen monimuotoisuuden. Geenit lopulta koodaavat tietoa rakentaa proteiineja, jotka rakentavat kehomme ja entsyymejä, jotka ohjaavat meidän biokemia. Osa 3 tutkii DNA-sekvenssien muuntumista proteiineiksi.

• tämän artikkelin luettuasi testaa tietosi NT-itsearvioinnilla. Jos saat 80% tai enemmän pisteitä, voit ladata henkilökohtaisen sertifikaatin ja tallentaa NT-portfolioosi todisteena CPD: stä
• ota NT-itsearviointi tähän artikkeliin