FYZIOLOGIE BUNEČNÝCH SYSTEM Doc. RNDr. Kozubík Alois, CSc. - Doc. RNDr. Hofmanová Jiřina, CSc. ^ v oborciloř ytokinetik y Aiofyzikólní ústav AVČA, AANO ročníku fyziologie živočichů a obecné zoologie, mol. biologie, chemie životního ostředí a ekotoxikologie, výběrová přednáška pro doktorandy ■ - 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 cibercileř ylekinelikv nioFyzikůlni úilav RVCR. ARNO Krvetvorný systém a jeho funkce ■ Hemopoéza (lymfopoéza, myelopoéza, erytropoéza, megakaryocytopoéza ) ■ Funkce diferencovaných krevních elementů - monocyty, makrofágy - fagocytóza; T B lymfocyty - imunita ■ Membránové rozpoznávací systémy buněk imunitní soustava ■ Tvorba protilátek ( mechanismus a dynamika vzniku, příprava monoklonálních protilátek ) ■ Sekreční a regulační funkce buněk imunitního systému ■ 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 faktory vnějšího prostředí a jejich vliv na zdraví lidské populace cibercileř ylekinelikv nioFyzikůlni úilav HVČR. ARNO oporučená literatur 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 edition, 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 1980 J. Šterzl: Imunitní systém a jeho fyziologické funkce, Čs. Imunol. Společnost, Praha 1993 cibercileř ylekinelikv nioFyzikůlni úilav HVC«, ARNO množství informace (kvantita) x (kvalita) využitelnost informace cas „Moudrost člověka lze měřit podle starostlivosti, s níž myslí na věci budoucí nebo na konec." G. Ch. Lichtenberg Cboborciloř ytokinetiky Nefyzikální ústav AVČA, BRNO TOXICOLOGIE i EKOTOXIKOLOGIE - aboratory ylokinetics experimentální „základna" REGULACE CYTOKINETÍKY (PROLIFERACE, DIFFERENCIACE, APOPTÓZY 1 - moleculární 2 - buněčná 3 - systémová úroveň (organismus, populace, ekosystém) ORGANISMUS JAKO KOMPLEXNÍ HIERARCHICKÝ SYSTÉM organismální, tkáňová buněčná molekulová Nelze oddělovat (naopak nutno usilovat) studium na jednotlivých úrovních organizace systému Obtížně realizovatelné v rámci jedné laboratoře ylokineliky VÝZKUMNÉ CÍL PRAKTICKÉ POPULACE NORMÁLNÍCH (NETRANSFORMOVANÝCH) BUNĚK „cell signalling" (cytokiny vs. eikosanoidy) POPULACE ITRANSFORMOVANÝCH BUNĚK Ck oboroloř ytokinetiky niofyzikólní ústav AVČA, AANO ytokinetikv niofv»k«iní úsiov nvcn, rrno Typy regulací růstu a buněčných funkcí) 1) Hormonální (endokrinní) regulace Regulátor- hormon je produkován buňkami žláz s vnitřní sekrecí 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 mediátor (regulátor místního působení) - je syntetizován jedním typem buněk, poté je transportován do extracelulárního prostoru a ovlivňuje f-ce buněk v nejbližším okolí. (často jediná možnost vzhledem k velmi krátkému poločasu rozpadu) 3) Autokrinní regulace je možná tehdy, jestliže jsou buňky schopny jak syntetizovat tak i reagovat na určitý (růstový) regulátor. Pozn.: autokrinní model je součástí konceptu vysvětlujícího abnormální regulaci nádorového růstu. Předpokládá, že nádorově změněné buňky produkují stimulační růstové faktory v nadměrném ají. Tak se autostimulují ve smyslu aktivace prolifer 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 totožných buněk) Diferenciace: „rozrůzňování buněk" (vznik kvalitativně odlišných buněk) Růst zvětšení „objemu" buňky, buněčné populace (tkáně nebo organismu). Je důsledkem: a) zvětšení velikosti buněk při zachování konstantní velikosti populace b) zvětšení počtu buněk (proliferace) bez změn v objemu buněk c) zvýšení po čtu buněk i jejich objemu d) odumírání apoptózou nebo nekrózou cibercileř Vlekineliky nioFyzikůlni úilav HVČR. ARNO TYPY PROLIFERUJICI TYPY BUNĚČNÝCH POPULACÍ podle Gilberta a Lajthy (1965) 1 ciborcilor ytokinetiky iofyzikolní Oslov AVČR, BRNO expandující, neopouštějí populaci, množí se B. C.N.S. stacionární c. konstantní populace coby zdroj buněk 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: C střevní epitel krvetvorné buňky, prekursory krevních buněk epiderm is kornea epitelová výstelka ústní dutiny a esofagu povrchový epitel žaludeční sliznice seminiferní epitelová tkáň Buňky nádorové K voborciloř ytokinetiky RioFyzikálni ústav flVČR, BRNO MODELY: Buňky tzv. intenzívně p rol iterující ch populací (zejména b. krvetvorné a b. střevních epitelů). a buňky nádorové oboroloř ylokineliky fliefyzikólní úslov I1VCI1, AANO K wob orot or ytokinetiky Riofyzikelni üstav AVCR, ARNO The early acting growth factor which maximises host defense Myeloid Stem Cell gm-csf IL-3 gm-csf IL-3 CFU-G tary< k Megakaryoblast gm-csf 3 EPO Proerythroblast Megakaryocyte I EPO © I cfu-M GM-CSF g-csf CFU-Eo gm-csf m-csf 1 gm csf IL-5 Myeloblast Monoblast gm-csf g-csf I gm-csf m-csf Neutrophilic Myelocyte I gm-csf IC-csf Promonocyte Myeloblast gm-csf jlL-5 Erythrocyte Platelets Pol y m orpho- nucfeated Neutrophil I; i IOC P gm-csf m-csf Eosinophilic Myelocyte 1GM-csf jlL-5 Monocyte I gm-csf Lm-csf Eosinophil "pgr Ma c ro p ha g e CRJ-Bas IL-3/1L-4 m w • Myeloblast IIL-3/IL-4 m Basophilic Myelocyte IIL-3/IL-4 m Basophil IL-3/IL-4 Mast Ceii Polyklonální charakter kostních buněk Přirovnání kmenové buňky ke stromu: a - kmenová buňka v embryonální době b - kmenová buňka v dospělosti b 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 - colony forming unit - culture (jednotky vytvářející kolonie v kultuře). (GM-CFC) Kmenová buňka bílé řady, v poslední době stále častěji používaná zkratka GM-CFC - granulocyty macrophage-colony forming cell (buňka vutvářející kolonie pro granulocyty a makrofágy). CFU-E - colony forming unit - erythroid (jednotka vutvářející kolonie erytroidní řady.). Kmenová buňka erytroidní řady CFU-Meg- colony forming unit - megakaryocyte (jednotka vytvářející kolonie megakaryocyte!) Kmenová buňka erytroidní řady. ly forminc oleen (jednotka vytvářející kolonie ve Isezir á zkratka pro hemopoetickou pluripotentní T.M.Dexter and M.Moore STEM CELL COMPARTMENT PROGENITOR CELL COMPARTMENT MATURE („END") CELL COMPARTMENT Pluripotent Self-renewing Stem Cells CFU-S CFC-Mix SELF-RENEWAL CAPACITY Fig. 1. The structure of the hemopoietic system Pre-T cells Eos-CSF HI ^Eos-CFC BPA HI ßFU-E GM-CSFs III T-cells GM-CFC Meg-CSF's Pre-B cells ^o CFU-E Eosinophils RBC -► Neutrophils Macrophages -► Megakaryocy tes/ Platelets Basophils/Mast cells B-cells DIFFERENTIATION AND DEVELOPMENT Kompartmenty funkčně nebo prostorově oddělené soubory prvků (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 protientropická 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 oboroloř ylokineliky Aiefyzikólní úslov I1VCI1, ARNO >4J s O >fl 5 •PN O O 0> 100 °/d 50 % - 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 f ~Z. m Regulatory proteins A^achiíonatóan,i,^0r, «**"• /A PG TX A DG IP3^[Ca2+]i PKC PK(?) Calmodulin Jí_A_± 1 { [pH]i I ? CAMP^; 1 ' PKA ~ RNA/protein synthesis DNA synthesis c o \— m According to: G.Powis: TiPS; 12: 188 -194, 1991 O- ciborotoř ytokinetiky Riefyzikální ústov AVČA, AANO Epigeneticky působící faktory, které mohou modulovat rychlost dělení, diferenciaci anebo zánik buněk Faktory, které mohou ovlivnit cytokinetiku změnami 1) exprese anebo funkce molekul zapojených v přenosu signálů přímo regulujících proliferaci, diferenciaci a buněčnou smrt (apoptózou), včetně exprese protoonkogenů a nádorově-supresorových genů 2) signálů, které tyto funkce ovlivňují do určité míry nepřímo, jako jsou inhibice mezibuněčných spojení, ovlivnění funkce enzymů reparujících DNA, metylace DNA apod. ^^L«uor«toř cibercileř ^^^h ylekinelikv nioFyzikůlni úilav HVČR. ARNO Modulace cytokinetiky látkami tukové povahy Lipidy a zejména jejich složky vysoce nenasycené kyseliny (PUFA), včetně jejich metabolitů eikosanoidů, patří mezi významné epigeneticky působící faktory schopné ovlivnit jak dělení a zánik normálních, ale i transformovaných buněčných populací, tak proces maligní transformace. oboroloř ylokineliky fliefyzikólní úslov I1VCI1, ftflMO Hlavní mechanismy působení PUFAs 1) přímé ovlivnění aktivity transkripčních faktorů regulujících expresi genů významných z hlediska cyto kin etiky 2) produkce eikosanoidů působících na přenos signálů cytokinů a imunitní systém 3) produkce reaktivních kyslíkových metabolitů vznikajících peroxidací lipidů. oboroloř ylokineliky fliefyzikólní úslov I1VCI1, ftflMO Význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs v produkci jednotlivých jejich metabolitů ciborolor ^^^h ylokineliky fliefyzikólní úslov flVČIl, RRNO J CYCLOOXYGENASES TXA2 TXB2 J PGG2 PGH2 MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS PLA2 PGI2 PGD2 PGE2 o OH I v=A= •COOH EPOXYGENASES (P450) EPOXYACIDS, DIOLS, etc. ^C5Hii PGE2: LTC4: COOH OH ' s LIPOXYGENASES LTA4 LTB4 COOH CH2 CH CO NH CH2 COOH NH COCH2CH2CHCOOH NH2 LTC4 Lte. UP OH Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations ■ MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS ■ INDOMETHACIN DICLOPHENAC ETYA ARACHIDONIC ACID CYCLOOXYGENASES f SKF525A. 9-HE PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS P450-MONOOXYGENASES abbreviations: ETYA = 5,8,11,14-eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiaretic acid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9-HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A = proadifen 12-LIPOXYGENASE 5-LIPOXYGENASE -L^^. 12-HETEs 77 12-HPETEs FLAP MK - 886 (15-LIPOXYGENASE; I yfeokinetik v l?ioFVzik*lni Üslov AVCR, ARNO According to: A. Seilmayer et al.: Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids ; 57: 353 -357, 1997. growth factors hormones receptorl PLA 2 PLA P AAAMAAA *WWWW I AA cyclooxygenases lipoxygenases CP450 monooxygenases eicosanoids -ion channel activity - guanylate cyclase - adenylate cyclase - protein kinase C -protein kinase A - tyrosine kinase - MAP kinase - G-proteins transcription factors gene expression cell growth 2 studium na j ednotlivých úrovních organizace systému rotor etiky ftiofyzikální ústav AVČA, AANO