solusyklin vaiheita

tyypillistä eukaryoottista solusykliä kuvaavat viljelmässä olevat ihmisen solut, jotka jakautuvat noin 24 tunnin välein. Mikroskoopilla tarkasteltuna solusykli jakautuu kahteen perusosaan: mitoosiin ja interfaasiin. Mitoosi (ydinjakauma) on solusyklin dramaattisin vaihe, joka vastaa tytärkromosomien erottumista ja päättyy yleensä solunjakautumiseen (sytokineesi). Mitoosi ja sytokineesi kestävät kuitenkin vain noin tunnin, joten noin 95% solusyklistä kuluu interfaasissa eli mitoosien välisessä ajassa. Interfaasin aikana kromosomit dekondensoituvat ja jakautuvat koko tumaan, joten Tuma näyttää morfologisesti yhtenäiseltä. Molekyylitasolla interfaasi on kuitenkin aika, jonka aikana sekä solujen kasvu että DNA: n replikaatio tapahtuvat järjestäytyneesti solunjakautumista valmisteltaessa.

solu kasvaa tasaisesti koko interfaasin ajan, ja useimpien jakautuvien solujen koko kaksinkertaistuu yhden mitoosin ja seuraavan välillä. Sen sijaan DNA: ta syntetisoidaan vain osan interfaasista aikana. DNA-synteesin ajoitus jakaa siis eukaryoottisolujen kierron neljään diskreettiin faasiin (Kuva 14.1). Syklin M-vaihe vastaa mitoosia, jota seuraa yleensä sytokineesia. Tätä vaihetta seuraa G1-vaihe (gap 1), joka vastaa mitoosin ja DNA: n replikaation aloittamisen välistä aikaväliä (gap). G1: n aikana solu on metabolisesti aktiivinen ja kasvaa jatkuvasti, mutta ei kopioi DNA: taan. G1: tä seuraa S-vaihe (synteesi), jonka aikana tapahtuu DNA: n replikaatio. DNA-synteesin valmistumista seuraa G2-vaihe (gap 2), jonka aikana solujen kasvu jatkuu ja proteiinit syntetisoidaan mitoosia varten.

Kuva 14.1

solusyklin vaiheet. Useimpien eukaryoottisten solujen jakautumissykli jakautuu neljään diskreettiin faasiin: M, G1, S ja G2. M-vaihetta (mitoosi) seuraa yleensä sytokineesia. S-vaihe on ajanjakso, jonka aikana DNA: n replikaatio tapahtuu. Solu kasvaa (lisää…)

näiden soluvaiheiden kesto vaihtelee huomattavasti eri solutyypeissä. Tyypillisessä nopeasti lisääntyvässä ihmissolussa, jonka kokonaissyklin kesto on 24 tuntia, G1-vaihe saattaa kestää noin 11 tuntia, S-vaihe noin 8 tuntia, G2 noin 4 tuntia ja M noin 1 tunti. Muut solutyypit voivat kuitenkin jakautua paljon nopeammin. Esimerkiksi orastavat hiivat voivat edetä solusyklin kaikkien neljän vaiheen läpi vain noin 90 minuutissa. Vielä lyhyempiä solusyklejä (30 minuuttia tai vähemmän) esiintyy varhaisissa alkiosoluissa pian munasolun hedelmöityksen jälkeen (kuva 14.2). Tällöin solujen kasvua ei kuitenkaan tapahdu. Sen sijaan nämä varhaiset alkion solusyklit jakavat munasolun sytoplasman nopeasti pienempiin soluihin. G1-tai G2-faasia ei ole, ja DNA: n replikaatio tapahtuu hyvin nopeasti näissä varhaisissa alkion solusykleissä, jotka siis koostuvat hyvin lyhyistä S-faaseista vuorotellen M-faasien kanssa.

Kuva 14.2

Alkiosolusyklit. Varhaiset alkiosolusyklit jakavat munasolun sytoplasman nopeasti pienempiin soluihin. Solut eivät kasva näiden syklien aikana, joista puuttuvat G1 ja G2 ja koostuvat yksinkertaisesti lyhyistä S-vaiheista, jotka vuorottelevat M-vaiheiden kanssa.

toisin kuin alkiosolujen nopea lisääntyminen, jotkin täysikasvuisten eläinten solut lakkaavat jakaantumasta kokonaan (esim.hermosolut) ja monet muut solut jakaantuvat vain satunnaisesti, mikä on tarpeen vamman tai solukuoleman vuoksi menetettyjen solujen korvaamiseksi. Jälkimmäisen tyypin soluja ovat ihon fibroblastit sekä monien sisäelinten, kuten maksan, munuaisten ja keuhkojen solut. Kuten seuraavassa jaksossa käsitellään tarkemmin, nämä solut poistuvat G1: stä siirtyäkseen G0-sykliin, jossa ne pysyvät metabolisesti aktiivisina, mutta eivät enää lisäänny, ellei asianmukaisia solunulkoisia signaaleja tarvita.

solusyklin analysointi edellyttää solujen tunnistamista edellä kuvatuissa eri vaiheissa. Vaikka mitoottiset solut voidaan erottaa mikroskooppisesti, syklin muissa vaiheissa (G1, S ja G2) olevat solut on tunnistettava biokemiallisin kriteerein. S-vaiheen solut voidaan helposti tunnistaa, koska ne sisältävät radioaktiivista tymidiiniä, jota käytetään yksinomaan DNA-synteesiin (Kuva 14.3). Esimerkiksi, jos populaatio nopeasti leviäviä ihmisen solujen viljelmässä altistetaan radioaktiiviselle tymidiini lyhyen aikaa (esim., 15 minuuttia) ja sitten analysoidaan autoradiografia, noin kolmasosa solujen havaitaan radioaktiivisesti merkitty, vastaa murto solujen s-vaiheessa.

Kuva 14.3

s-vaiheen solujen tunnistaminen lisäämällä radioaktiivista tymidiiniä. Solut altistettiin radioaktiiviselle tymidiinille ja analysoitiin autoradiografialla. Merkityt solut on merkitty nuolilla. (D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Cell Biol. 11: 4053.) (enemmän…)

tällaisten solujen merkintäkokeiden variaatioita voidaan käyttää myös solusyklin eri vaiheiden pituuden määrittämiseen. Ajatellaanpa esimerkiksi koetta, jossa solut altistetaan radioaktiiviselle tymidiinille 15 minuutin ajan, minkä jälkeen radioaktiivinen tymidiini poistetaan ja soluja viljellään eripituisia aikoja ennen autoradiografiaa. Radioaktiivisesti merkittyjä interfaasisoluja, jotka olivat s-vaiheessa altistuksen aikana radioaktiiviselle tymidiinille, havaitaan useita tunteja niiden edetessä S: n ja G2: n loppuosan läpi. Sen sijaan radioaktiivisesti merkittyjä mitoottisia soluja havaitaan vasta 4 tunnin kuluttua merkinnästä. Tämä 4 tunnin Viive vastaa G2: n pituutta—vähimmäisaikaa, joka tarvitaan soluun, joka yhdisti radioaktiivisen tymidiinin s-vaiheen lopussa mitoosiin.

solusyklin eri vaiheissa olevat solut voidaan erottaa myös niiden DNA-pitoisuuden perusteella (Kuva 14.4). Esimerkiksi G1: n eläinsolut ovat diploidisia (sisältävät kaksi kopiota kustakin kromosomista), joten niiden DNA-pitoisuutta kutsutaan nimellä 2n (n tarkoittaa genomin haploidista DNA-pitoisuutta). S-vaiheen aikana replikaatio lisää solun DNA-pitoisuutta 2n: stä 4n: ään, joten s-solujen DNA-pitoisuus vaihtelee 2n: stä 4n: ään. DNA-pitoisuus jää sitten 4N: ään G2: n ja M: n soluille, ja se laskee 2n: ään sytokineesin jälkeen. Kokeellisesti solun DNA-pitoisuus voidaan määrittää inkuboimalla soluja fluoresoivalla väriaineella, joka sitoutuu DNA: han, minkä jälkeen analysoidaan yksittäisten solujen fluoresenssin intensiteetti virtaussytometrissä tai fluoresenssilla aktivoidussa solulajittelussa, jolloin solut erotetaan solusyklin G1 -, S-ja G2/m-vaiheissa.

Kuva 14.4

solun DNA-pitoisuuden määrittäminen. Solupopulaatio merkitään fluoresoivalla väriaineella, joka sitoo DNA: ta. Solujen läpi kulkee virtaussytometri, joka mittaa yksittäisten solujen fluoresenssin intensiteettiä. Tiedot piirretään soluksi (lisää…)