GIE BUNEČNÝCH SYS Doc. RNDr. Kozubík Alois, CSc. - Doc. RNDr. Hofmanová Jiřina, CSc. ytokinetiky fliofyzikólní ústov HVČA, URNO f. ročníku fyziologie živočichů a obecné zoologie, mol. biologie, chemie životního rostředí a ekotoxikologie, výběrová přednáška pro dokfc - Negativní a pozitivní zpětná vazba -Základní pojmy, parametry cytokinetiky (proliferace, diferenciace, apoptóza) - Typy buněčných populací - Kmenové a diferencované kompartmenty. Totipotentní, pluripotentní, progenitorové, komitované diferencované buněčné populace - Autokrinní, parakrinní a endokrinní regulace - Buněčný cyklus a jeho regulace - Faktory ovlivňující buněčné dělení, cytokiny, růstové faktory a inhibitory, jejich specifita a rovnováha jejich působení - Struktura plasmatické membrány a její funkce v regulaci buněčné proliferace a diferenciace - Vysoce nenasycené mastné kyseliny a eikosanoidy - Transdukce signálů a exprese genetické informace - Úloha fosfolipidových komponet v transdukci signálů růst modulujících látek - Mechanismus účinku hormonů a tkáňových mediátorů ( cytokiny a "chalony"). - Regulace proliferace, diferenciace, apoptózy oberol ylokinetiky ihalní Ostav nVŽR. UNO Krvetvorný systém a jeho funkce i Hemopoéza (lymfopoéza, myelopoéza, erytropoéza, megakaryocytopoéza ) i Funkce diferencovaných krevních elementů - monocyty, makrofágy - fagocytóza; ľ B lymfocyty - imunita i Membránové rozpoznávací systémy buněk imunitní soustava i Tvorba protilátek ( mechanismus a dynamika vzniku, příprava monoklonálních protilátek ) i Sekreční a regulační funkce buněk imunitního systému i Vztah imunitního systému k dalším fyziologickým funkcím ( zánětu apod.) Homeostáza. zdraví a nemoc Organismus jako hierarchický systém, spolupůsobení nervové, endokrinní a humorální soustavy Příklady systémových reakcí jako jsou stres, zánět apod. a jejich význam z hlediska zdraví a nemoci Škodlivé faktorv vněišího prostředí a ieiich vliv na zdraví li j^igym« oborcit ytokineliky ikální ústav flVČfl. BRNO oporucena litera (starší tituly uceleně viz soubor samostatně) Cell Physiology Source Book, ed. N. Sperelakis Academic Press Inc., 1995 B. Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell, 3rd edition, Garland Publish. Inc., New York 1994 Biochemie, B., Voet, J.G. Voetová: Victoria Publishing, Praha, 1990 Molecular Cell biology, J.E. Darnell: Eds. Darnell, Lodish, Baltimore, 2nd editi Scientific American Books Inc., New York 1990 J. Neuwirt, E. Nečas: Kmenové buňky a krevní choroby, Avicenum Praha 1981 Základy buněčné biologie - úvod do molekulární biologie buňky, B. Alberts, D. Bray, A, Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Espero Publishing, (orig. 1998) Klinická imunologie, J. Krejsek, O. Kopecký, Nucleus HK, 2004 J. Vácha: Problém normálnosti v biologii a lékařství, Avicenum, Praha 19 J. Šterzl: Imunitní systém a jeho fyziologické funkce, Čs. Imunol. Společnost, Praha 1993 ciborot ylokinetiky ikälní úilov nVŽR. UNO „Moudrost člověka lze měřit podle starostlivosti, s níž myslí na věci budoucí nebo na konec." G. Ch. Lichtenberg oborator ytokinetiky Biofyzikálni ústav BVČB, BAŇO TOXICOLOGIE EKOTOXIKOLOGIE — ODHAD zdravotních/ RIZIK / \ / \ / \ / \ / \ 'matematické* ANALÝZY DAT BIOLOGICKÝCH REAKCÍ) ^ OPTIMALIZACE PROTINÁDOROVÉ \ TERAPIE experimentální „základna" REGULACE CYTOKINETIKY (PROLIFERACE, DIFFERENCIACE, APOPTOZY 1 - moleculární 2 - buněčná 3 - systémová úroveň (organismus, populace, ekosystém) GANISMUS HIE RAR Cr. iKO KOMPLE KÝ SYSTÉ JVJ organismální tkáňová buněčná molekulová Nelze oddělovat (naopak nutno usilovat) studium na jednotlivých úrovních organizace systému Obtížně realizovatelné v rámci jedné laboratoře ONKOGENEZE fáze: INICIAČNÍ PODPŮRNÁ (INITIATION) (PROMOTION) POPULACE NORMÁLNÍCH (NETRANSFORMOVANÝCH) BUNĚK „cell signalling" (cytokiny vs. eikosanoidy) ONKOTERAPIE POPULACE TRANSFORMOVANÝCH BUNĚK PROGRESIVNÍ FÁZE (PROGRESSION) . ytokinetik y Typy regulací růstu a buněčných funkcí) 1) Hormonální (endokrinní) regulace Regulátor ecí do krevního řečiště Ovlivňuje funkce buněk, které mohou být značně vzdáleny od míst syntézy hormonu. Hormon - je tedy produkován za účelem kontroly činnosti buněk než těch, které jej produkují 2) Parakrinní regulace Mechanismus působení spočívá v tom, že růstový faktor (regulátor) - tkáňový mediator (regulátor místního působení) -je syntetizován jedním typem buněk, poté je transporto ván do extracelulárního prostoru a ovlivňuje f-ce buněk v nejbližším okolí. často leama možno oločasu rozpadu) 3) Autokrinní regulace je možná tehdy, jestliže jsou buňky schopny jak syntetizovat tak i reagovat m regulátor. Pozn.: autokrinní model je součástí konceptu vysvětlujícího abnormální regulaci nádorového Předpokládá, že nádorově změněné buňky produkují stimulační růstové faktory v nadměrném ají. Tak se autostimulují ve smyslu aktivace proliferace. ApoptÓza: programovaná buněčná smrt, nevede k zánětu Nekróza: neprogramovaná buněčná smrt, je příčinou zánětu (odlišný průběh biochemických reakcí, rozdílná morfologie) Proliferace: je ekvivalentem buněčného dělení (tzn. zvýšení počtu kvalitativně to* Diferenciace: „rozrůzňování buněk" (vznik kvalitativně odlišných buněk) Růst zvětšení „objemu" buňky, buněčné populace (tkáně nebo organism Je důsledkem: a) zvětšení velikosti buněk při zachování konstantní velikosti populace b) zvětšení počtu buněk (proliferace) bez změn v objemu buněk c) zvýšení počtu buněk i jejich objemu d) odumírání apoptózou nebo nekrózou oberol ylokinetiky ihalní Ostav nVŽR. UNO TYPY BUNĚČNÝCH POPULACÍ podle Gilberta a Lajthy(1965) ciberciloř ytokinetiky expandující, neopouštějí populaci, množí se stacionární c. konstantní TYPYPFÍDLJFERUJJCÍ populace coby zdroj tijuál^pro jiné populace c. konstantní tranzitní populace ve které se buňky pomnoží c. konstantní TYPY NEPROLIFERUJICI stále ubývá typ průchozí (tranzitní) c. konstantní Tabulka 1 Dělení buněčných populací podle intenzity obnovy u dospělé myši 1. Statické populace bez známek obnovy během života: neurony všech typů srdeční svalové buňky odontoblasty Sertoliho buňky 2. Velmi pomalu se obnovující buněčné populace: Během života se obnoví jen část populace: hladké svalové buňky gliové buňky osteocyty buňky ledvinných tubulů buňky dřeně nadledvinek hlavní buňky žaludeční sliznice intersticiální buňky Leydigovy buňky hnědé tukové tkáně 3. Rychle se obnovující buněčné populace: A. Ne příliš rychle se obnovující populace. Populace, která se během života zcela obnoví, ale za dobu delší než 30 dní: hepatocyty a litorální buňky epitelová výstelka dýchacího traktu buňky slinných žláz buňky pankreatu buňky v kůře nadledvinek parietální buňky žaludeční sliznice pojivové buňky v kůži B. Velmi rychle se obnovující buněčné populace. Všechny se obnoví za dobu kratší než 30 dní: střevní epitel krvetvorné buňky, prekursory krevních buněk epiderm is kornea epitelová výstelka ústní dutiny a esofagu povrchový epitel žaludeční sliznice seminiferní epitelová tkáň C. Buňky nádorové ■ oborcito ytokinetik niofyzikälnf úslov AVČA, AAN MODELY: Buňky tzv. intenzívně proliferujících populací QUI Ř&mjmxvjgivijiuigmí s^msM, střevních epitelu). buňky nádorové oberol ylokinetiky ikälní úilov nVŽR. UNO The early acting growth factor which maximises host defense Myeloid Stem Cell GM-CSF IL-3 Proeryth ro b I a st Erythrocyte Megakaryocyte Platelets Neutrophilic Myelocyte I GM-CSF Ac-csf ô Polymorpho- nucleated Neutrophil Promonocyte GM-CSF |m-csf €> Monocyte I GM-CSF JM-CSF Macrophage Eosinophilic Myelocyte IGM-CSF llL-5 Eosinophil Basophilic Myelocyte I IL-3 / IL-4 é» Basophil IL-3 /IL-4 Mast Ce.i «obo ytokinetiky Riefyzikálni Oslov flVČR, ARNO Polyklonální charakter kostních buněk Přirovnání kmenové buňkv ke stromu: a - kmenová buňka v embryonální době b - kmenová buňka v dospělosti ytokineliky fyzikální úslctv flVČfl. BRNO Seznam používaných zkratek kmenových buněk: BFU-E - burst forming unit - erythroid (jednotka vytvářející explozivně vznikající kolonie erytroidní řady). Velmi nezralá kmenová buňka erytroidní řady. CFU-BL - colony forming cell -B- lymfocyte (buňka vytvářející kolonie lymfocytů B) CFU-C -(GM-CFC) Kmenová b H bílá řady, iff^lMft, 3tálo caoiáji používaná 2 m^m^^^j unit - erythroigu^ääSsiM ^ 1HI lv3 H11 ^ rj 1M fí 1111 riiVw - n íŕtlľt li■■tel« vi MiiEmm iJŘm nová buňka erytroidní řady. ianasi2i^iáTigiyAmj (jednotka vytvářející kolonie ve Is >ro hemoDoetickou Dlurioot m&Ě íiKiiiauMifiviiimiiiafii ÜÜÜC oborcit ytokineliky ikální ústav flVČfl. BRNO T.M.Dexter and M.Moore STEM CELL COMPARTMENT PROGENITOR CELL COMPARTMENT MATURE („END") CELL COMPARTMENT Pluripotent Self-renewing Stem Cells SELF-RENEWAL CAPACITY Pre-B cells CFU-E T-cells Eosinophils RBC -► Neutrophils Macrophages -► Megakaryocy tes/ Platelets "^ Basophils/Mast cells B-cells DIFFERENTIATION AND DEVELOPMENT Fig. 1. The structure of the hemopoietic system ylokineliky ikální ústav flVČfl. BRNO Kompartmenty rvků (složek). Důsledek kompartmentace: (existence jednotlivých kompartmentů) prvky (např. látky nebo buňky) jsou nerovnoměrně rozděleny. Příklady: všechny membránami ohraničené struktury mají (z hlediska rozdělení látek) „své vnitřní prostředí" a selektivně akumulují nebo zadržují určité látky proti koncentračnímu spádu. Už tímto prostým faktem jsou některé reakce umožněny, jiným může být zabráněno. Tato protientropícká distribuce molekul v buňce směřující proti neuspořádanosti má velký význam pro buněčný metabolismus a regulace. Umožňuje ji právě existence buněčných membrán -jeden ze základů biologických systémů Bude rozvedeno později oborcil ytokineliky ikální ústav flVČfl. BRNO a •o i >8 S O S 100% 50 % k 0% CFU-S "Pluripotentní buňka již neschopná vytvořit slezinnou kolonii BFU-E CFU-E CFU-C CFU-eozinofilů CFU-Meg CFU-makrofágů2 CFU-BL3 CFU-TL3 erytroblasty myelocyty megakaryocyty O t in ?H Ph Pluripotentní buňky Morfologicky rozpoznatelné buňky ■x- Proliferující buňky Neproliferující buňky Obr. 8. Schéma kvantitativního zastoupení různých prekurzorů krevních buněk v krvetvorné tkáni, ^odle Gregorové a Henkelmana (1977); 2podle MacVittieho a Porvaznika (1978); 3nejsou odvozeny od CFU-S. ciborol ylokineliky ■k«*lní ústav nVČA, BRNO h ■k. ; s Ta \ - i diferenciace zánik buněk (smrt apoptózou) (optimální rozsah regulace produkce buněk (intenzita dělení - proliferace) ciborciloř Ytokinetiky ffiofyzikalní ústav AVČR, BRNO „normalita") před iněčné populace vnováhy (vysoký ň. populace) c 0) o •3 a 3 í zvýšení úrovně lého dělení I!J =J E -^ s« c o 'S a a. s« c ÍJ o E 0) c o o 25 o £>§ c 0) i -L 5 E •c VE »• •* M 1 0) A E > L. o TJ C r s> s3 \ t) 0) 1* i & ji J J í ^^ > ,—-, \ < "i> ~Iz hľílľJJCB Z 0) A A (JjjjjjiyJ: —' "O — rrj zvýšení rizika ' ^ ~ ~ DpÍJjr/JÍiJjrjjhD rozn\3zl ^ ^ ^ ^ ^_^ optimum k )| i_____ i ^^_ 1 DpiJjr/JÍiJjľJjhD / / roziiiBzl Ej ° —' ci3 > ^ stí ■____J v 1 j [___ > r/___ nevratného poškození ■^ J J " Ju ' > i ľOVíJO st av nerovnovážný stav oborciloř ytokinetiky Biofyzikálni ústav DYCH, ARNO treatment: ovlivňovaný systém parametry cytokinetiky: 1 cytostatika, | ozařování, . proliferace 1 ]^ "black box" ^ ^^ Ire gula Ční II podněty, atd ^ s diferenciace * ^ "^ apoptóza 't)" r VSTUPY 1 modelové systémy in vitro, buňky 1 lišící se růstovou "strategií", pacient 1 VSTUPY differentiation ion apoptosis (necrosis) time (t) Biofyzikálni ústav fiVČR, BRNO Rovnováha (homeostáza) výsledek působení mnohocetných zpětných vazeb ytokinetiky Aiofyzikálni úslov llVČfi, BRNO FAKTORY SPECIFICKÉ + FAKTORY NESPECIFICKÉ membrána cytosol oborcil Vlokineliky ikÄlní ústav nVČA, BRNO REGULACE ..NORMÁLNÍHO" RŮSTU INHIBICE kumulace katabolitů vyčerpání živin transmem.pot. Em -70 až -90 mV limitní konc. Na+/K+, Ca2+, Mg2+ snížení cGMP~10-8-10-12 mol.ľ1 intracel. zvýšení cAMP 102-105 mol.ľ1 extr. katabolické steroidy interferon katecholaminy, adrenalin některé mitostat. hormony ACTH některé prostaglandiny inh. myeloidní leukémie inh. epid. karcinomu, ascitu inh. lymfomu, melanomu epidermální, intestinální inh. FGRF, MCIF inh. Atd. BSC-1, BHK-1 inh spec. inhibitory-chalony spec. endogenní inhibitory Startovací stimulátorová síla (odpověď vše nebo nic) ____i____ spec. intracel. stim. proteiny spec. růstové faktory růstové proteiny, kondic.média poietiny, CSF lektiny (A, conc. A) somatomediny některé prostaglandiny EGF, FGF, NGF, MSAatd. některé hormony - mitog< inzulín, serotonin hydrokortizon, noradrenalin anbolické steroidy zvýšení cGMP 10_3-10_6mol.ľ1 extr. snížení cAMP pod 10~8 mol.ľ1 i.e. dodání Ca2+ nad 1,8 mV transmem. pot. Em -10 až -70 mV proteázy, trypsinizace dodání živin odstranění katabolitů Mono- Oligo- Startovací inhibitorová síla (odpověď vše nebo nic) STIMULACE pozitivního nebo negativního signálu rozhoduje o podmínkách - viz text. Specifické růstové účinky znázornění stimulace a inhibice růstu specifickými a nespecifickými faktory. Převaha pozitivního nebo negativního si i nebo inhibiciů závisí na metaboluické a růstové aktivitě buněk, typu buněk a dalších podmínkách - viz text. Specific buněk zahajují specifické růstové faktory (specificko stimul8tory) a specifické endogenní inhibitory (chalony). ilující faktor, EGF-epidermální růstový faktor, FGF-fibroblastový růstový faktor, NGF-nervový růstový faktor, MS^ íAMP-cvklický 3'5 -guanosinmonofosfát, BSC-1, BHK-1, MCIF, F GRF-specifické inhibitory daných buněčných lin oberol ylokinetiky „normalita") před iněčné populace vnováhy (vysoký ň. populace) c 0) o •3 a 3 í zvýšení úrovně lého dělení I!J =J E -^ s« c o 'S a a. s« c ÍJ o E 0) c o o 25 o £>§ c 0) i -L 5 E •c VE »• •* M 1 0) A E > L. o TJ C r s> s3 \ t) 0) 1* i & ji J J í ^^ > ,—-, \ < "i> ~Iz hľílľJJCB Z 0) A A (JjjjjjiyJ: —' "O — rrj zvýšení rizika ' ^ ~ ~ DpÍJjr/JÍiJjrjjhD rozn\3zl ^ ^ ^ ^ ^_^ optimum k )| i_____ i ^^_ 1 DpiJjr/JÍiJjľJjhD / / roziiiBzl Ej ° —' ci3 > ^ stí ■____J v 1 j [___ > r/___ nevratného poškození ■^ J J " Ju ' > i ľOVíJO st av nerovnovážný stav oborciloř ytokinetiky Biofyzikálni ústav DYCH, ARNO diferenciace zánik buněk (smrt apoptózou) (optimální rozsah regulace produkce buněk (intenzita dělení - proliferace) ciborciloř Ytokinetiky ffiofyzikalní ústav AVČR, BRNO některá OBECNÁ VÝCHODISKA. DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO: Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázv na tkáňové úrovni. mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy. Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv. proliferativ n ich chorob fiiiii*TxsM*i«Mnnii«iuaros»i iii*j?jw«ra ao sMiälíí .iiimctjiii orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří. ■ ckborcitoř yfcokinetiky receptory molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády ytokinetiky niofyzikální úslov llVČfi, BRNO CSF-1 c-fms tvr tyr-P receptor substrates e.g. PI-3 kinase phosphor G proteins (ras/GAP?) äBv phospholipases nucleus PKC | PKC Fluid-phase pinocytosis Glucose orciloř Vtokifietiky Na+