Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

Week 3

Hoorcollege 1

Om alle processen in een cel goed te coördineren is er communicatie door middel van signalen tussen de cellen nodig. Deze communicatie heet signaaltransductie. Als een cel geen enkel signaal van zijn omgeving krijgt, sterft hij af. Als hij signalen krijgt om te delen of te differentiëren, moet hij hierop gehoorzamen. Kanker is een ziekte waarbij de cellen niet meer gehoorzamen aan de signalen. Door een ophoping aan kankercellen in een weefsel kan het desbetreffende weefsel zijn functie niet meer uitvoeren en hieraan kan de patiënt overlijden.

Als een kankercel deelt, is zijn dochtercel ook een kankercel. Dit betekent dat er een verandering in het DNA is opgetreden die zorgt voor het ongehoorzame gedrag. De belangrijkste eigenschappen van een tumor zijn: niet reageren op signaalstoffen die de groei onderdrukken, blijvende snelle groei en uitblijvende celdood. Een veel voorkomende mutatie in het DNA dat kanker als gevolg heeft is de mutatie in één van de base van het gen voor het RAS-eiwit.

Deze moleculaire schakelaar kon normaal uit- en aangezet worden. De kankercel bleek een mutatie te hebben in een bepaald gen dat ervoor zorgde dat er een blokkade optrad waardoor de moleculaire schakelaar in actieve stand, niet meer uitgezet kon worden. De schakelaar staat continu aan en krijgt voortdurend een stimulus. Normaal gesproken is het Ras-eiwit als ingeschakeld als GTP is gebonden. Zodra GTP echter veranderd in GDP doordat een fosfaatgroep is gehydroliseerd, staat het eiwit uit. Later verlaat het GDP het GTP-bindend eiwit, zodat een nieuw GTP-molecuul er aan kan koppelen om het eiwit weer te activeren. Door de mutatie kan het GTP niet een fosfaatgroep loskoppelen en blijft daardoor na de binding aan GTP in de actieve toestand. De mutatie in het gen heeft tot gevolg dat er defecten zijn in de signaaltransductie en in de celcyclus controle. De communicatie tussen de cellen vindt niet meer goed plaats. Dit leidt tot kanker. Het krijgen van kanker is een kansproces. Hoe ouder je wordt, hoe meer kans je hebt op het krijgen van kanker. Oncogenen zijn gemuteerde genen die een positieve bijdrage leveren aan het ontstaan van kanker. Tumorsuppressie genen zijn genen die het ontstaan van kanker tegenwerken. Inactiveren van deze genen draagt ook bij aan het ontstaan van kanker.

Er zijn vier verschillende vormen van celcommunicatie.

1. Endocriene signalen: Hormonen die via de bloedbaan naar andere cellen toegaan. De signaalstof wordt hierdoor verspreid door het hele lichaam, maar is alleen werkzaam in bepaalde cellen met de juiste receptoren.

2. Paracriene signalen: Signalen van een cel naar de naaste omgeving toe die daar voor een verandering zorgen. Er is sprake van een lokaal effecyt.

3. Neuronale signalen: Het neuron maakt contact met een andere cel waardoor het signaal van het neuron op de andere cel wordt overgedragen.

4. Contact-afhankelijke signalen: Een signaalstof op de ene cel (ligand) maakt contact met de receptor op de buurcel en geeft zo het signaal door.

Veel van de signaleringsmoleculen kunnen niet door het membraan heen. Daarom binden ze aan een receptor. De receptor transduceert het signaal vervolgens naar binnen. Dit gebeurt in verschillende stappen. De receptor activeert verschillende intracellulaire signaal moleculen, die de effector eiwitten activeren. Uiteindelijk zal er een verandering in de cel optreden. Dit is voor elk signaalmolecuul specifiek.

Er zijn drie soorten receptoren die het signaal allemaal op een andere manier door het membraan heen vertalen. Een van deze receptoren zijn de enzym gekoppelde receptoren. Zodra een ligand bindt aan de receptor, verandert deze receptor aan de binnenkant van het membraan van vorm. Dit zorgt voor het activeren van de enzymatische activiteit. Aan bepaalde aminozuren van het eiwit worden dan fosfaatgroep gehangen. Je verandert op die manier het oppervlak van het eiwit en daarmee ook de eigenschappen en de functie. Door de verandering kunnen intracellulaire signaleringsmoleculen gebonden worden, zodat deze ook geactiveerd worden. Deze geactiveerde intracellulaire signaleringsmoleculen kunnen een reeks van reacties laten plaatsvinden. Uiteindelijk grijpt het doorgegeven signaal aan op een effector-eiwit dat zorgt voor een verandering in de cel. Na een tijdje moet de fosfaatgroep er ook afgehaald kunnen worden om het enzym weer te inactiveren. Kinases zijn verantwoordelijk voor het aanhechten van een fosfaatgroep en fosfatases voor het verwijderen ervan.

Dit proces kan ook plaatsvinden wanneer twee receptoren door binding van een signaalmolecuul dimeriseren. Hierdoor wordt de enzymatische activiteit aan de binnenkant van de cel gestart. Vaak is de enzymatische activiteit bij dit soort receptoren een kinase activiteit. Het eiwit is werkzaam en de receptor kan gekruist fosforyleren. Aan de receptor binden eiwitten, waaronder een adaptoreiwit. Aan dit eiwit kan een Rasactiverend eiwit zich binden. Dit zorgt ervoor dat het inactieve Raseiwit een signaal ontvangt, waardoor het GDP afsplitst en GTP eraan kan binden. Vervolgens kan het signaal verder overgedragen worden.
Deel II
Er zijn 3 typen receptoren:

• Enzym-gekoppelde (GF)

• Ionkanaal-gekoppelde (NTM): na de binding van een extracellulair signaalmolecul de receptor direct in staat ionen de cel binnen of uit de cel te loodsen

• G-eiwit-gekoppelde (GPCR=G-protein coupled receptors). Deze receptor activeert bij binding aan een signaalmolecuul een G-eiwit. Het G-eiwit bestaat uit een α-deel, een β-deel en een y-deel. De α-subunit wordt geactiveerd doordat GDP wordt afgesplitst en GTP wordt gebonden. Daarbij wordt ook het βy-complex geactiveerd. Zowel de geactiveerde α-subunit als het geactiveerde βy-complex laten los van de receptor en produceren second messengers waardoor er een reactie in de cel plaatsvindt. De second messengers kunnen vetzuren, calcium of cyclische nucleotiden zijn. Vaak produceert een geactiveerd eiwit een grote hoeveelheid second messengers. Hierdoor wordt het signaal versterkt. Dit proces wordt amplificatie genoemd. Een voorbeeld is het proces waarbij door binding van adrenaline het G-eiwit adenylaatcyclase wordt geactiveerd. Dit enzym zet ATP om in cAMP (een second messenger). cAMP activeert een protein kinase A, dat op zijn beurt weer allerlei processen reguleert. Een andere voorbeeld van een second messenger is calcium. De concentratie van calcium binnenin een cel is heel laag ten opzichte van de buitenkant, waardoor het een goed reguleringsmiddel is. Het wordt onder andere gebruikt bij spiercontractie, neurotransmitter release en oocyte activatie.

Een vierde vorm van signaaltransductie gaat via hormonen die het plasmamembraan kunnen passeren en direct aan transcriptiefactoren kunnen binden.

Cellen ontvangen vaak meerdere signalen die ze moeten combineren. Ze integreren de signalen van buiten om zo tot een reactie te komen. Zo kun het zijn dat de cel pas een reactie geeft, wanneer twee verschillende signaalmoleculen een reactie hebben veroorzaakt. Er moet dus op het juiste moment een combinatie van signalen zijn om de cel een bepaalde functie te laten uitoefenen.
Tijdens mitose wordt je DNA gedupliceerd en gelijk verdeeld over de twee dochtercellen. Dit moet gereguleerd worden. De celcyclus houdt in dat de cel deelt en twee dochtercellen krijgt. Een cel moet weten wanneer hij moet delen. De celcyclus bestaat uit verschillende stappen. De eerste stap is de G1 fase, dit is een rustfase om de cel te laten beslissen of hij wel of niet gaat delen. Alles moet namelijk in orde zijn, voordat de cel gaat delen. Dan komt de S-fase, waarin het DNA wordt gedupliceerd. Essentiële eiwitten voor de regulatie van de celcyclus zijn de cyclin-dependent kinases (CDK’s). Deze worden sterk gereguleerd door extracellulaire signalen. Vervolgens komt er weer een rustfase, de G2-fase. Tenslotte wordt het celmateriaal over twee dochtercellen verdeeld en deelt de cel zich: de M-fase. De rustfases zijn voor checkpoints/beslismomenten bedoeld. Net voor de S-fase is er een checkpoint. Er wordt dan gekeken of het DNA niet beschadigd is en of de cel groot genoeg is. Na de S-fase is er weer een checkpoint. Hier wordt gekeken of het DNA goed gerepliceerd is en of er geen DNA-schade is. De celcyclus wordt gereguleerd door cyclines.
Rb (=Retinoblastoma eiwit) is een target voor CDK’s. Het is een remmer voor transcriptie. Fosforylering inactiveert rb, zodat transcriptie plaats kan vinden.
p53 gen is in 50% van de tumorcellen defect. De p53 route is defect in vrijwel alle tumorcellen. Het signaal dat p53 activeert, is gebroken DNA. Het gevolg daarvan is remming van de celcyclus. Deze remming is absoluut nodig, omdat je anders gebroken DNA gaat delen. Bij mutatie van het p53 gen worden systemen niet meer gestopt en worden processen gestart zonder dat checkpoints behaald zijn.

Apoptose is zelfmoord. Necrose is afsterven door ouderdom.

Bij apoptose wordt caspase geactiveerd. Dit enzym wordt actief, doordat er een stukje vanaf wordt geknipt. Vervolgens knipt caspase zelf alles stuk, waaronder andere caspasemoleculen, waardoor deze ook actief worden. Er is sprake van een lawine effect. Bij apoptose deelt de cel zich in meerde membraanomhulde blaasjes die door middel van fagocytose door omringende cellen worden opgeruimd. Bij necrose komt de inhoud van cel in de extracellulaire ruimte terecht.

Voorcollege: darmepitheel

De binnenbekleding van de darmwand bestaat uit darmpetiheel. Epitheel is één cellaag dik en wordt gevoed door het lamina propria. Het epitheel bevat namelijk zelf geen bloedvaten. Aan de basis van de villi, de uitsteeksels van het darmepitheel, bevinden zich cryptes. Dit zijn holtes waarin de stamcellen zitten, zodat vernieuwing van het epitheel mogelijk is. Elke 3 tot 6 dagen is het gehele darmepitheel vernieuwd. De nieuwe cellen schuiven via de villi op omhoog. Het darmepitheel bestaat uit enterocyten en slijmbekercellen (10 μm breed). Enterocyten zijn absorptieve cellen met microvilli, die zorgen voor vergroting van het oppervlak. De microvilli wijzen naar het lumen van de darm. Slijmbekercellen zijn cellen die slijm produceren. Dit beschermt het epitheel en zorgt voor secretiemateriaal dat via exocytose vrijkomt. Zowel entrocyten als slijmbekercellen zijn gepolariseerd. Dit wil zeggen dat zij een duidelijke bovenkant(apox) en een duidelijke onderkant(basis) hebben.

Mucosa: slijmvlies van de darm. Dit bestaat uit de villi en de crypten.

Lamina propria: bindweefsel. Zit onder het epitheel en bevat de zenuwen en de bloedvaten.

muscularis: spierlaag die bestaat uitkringspieren en lengtespieren, deze zijn verantwoordelijk voor de peristaltische bewegingen van de darm.

Rondom de cellen bevindt zich een sluitlijst die passage van moleculen tussen de cellen voorkomt. De cellen van het epitheel liggen dicht langs elkaar gerangschikt. Tight junctions voorkomen de passage van moleculen langs de cellen. Naast tight junctions zijn er ook adherens junctions die zorgen voor een stevig celverband. Onder de epitheelcellen is een basale laag aanwezig. De epitheelcellen worden hieraan bevestigd door hemidesmosome.

In de crypte vindt celdeling plaats, doordat stamcellen zich delen. De nieuwe cellen verschuiven naar boven. Tijdens deze verschuiving worden de cellen gedifferentieerd. Op de top van de villus slijten de cellen af en na apoptose worden ze afgevoerd met de darminhoud richting het rectum. In het bindweefsel bevinden zich fibroblasten, daar vindt dus wel celdeling plaats.

Door labels (³H-thymidine) in te bouwen in de S-fase is men erachter gekomen hoelang het duurt voordat een nieuwe cel de top van de villus heeft bereikt.

Methotrexaat is een stof die de cellen dood in de S-fase. In de darm zorgt dit voor een stress effect. De cellen van het epitheel slijten wel af, maar worden vanaf onder niet bijgevuld. Hierdoor worden de villi korter en dikker. Ook vinden er fusies tussen verschillende villi plaats.

Interactief college: Β-andrenoreceptor als aangrijpingspunt voor geneesmiddelen

Patiënten met astma hebben last van benauwdheid door vernauwde bronchiolen. Om dit probleem op te lossen, moeten deze bronchiolen weer verwijd worden. Het geneesmiddel moet dus aangrijpen op het gladde spierweefsel met het effect dat de spieren zich ontspannen.

Als je gaat kijken hoe spiercontractie plaatsvindt in de bronchiolen vind je het volgende:

• De GPCR’s die op het gladde spierweefsel zitten worden geprikkeld.

• Vervolgens wordt dit vertaald naar een intracellulair signaal waarbij IP3 vrijkomt.

• IP3 zorgt dan dat de calciumkanalen opengaan en calcium het cytoplasma instroomt.

• Calcium bindt aan het eiwit calmoduline.

• Nu kan het calmoduline myosine light chain kinase(MLCK) activeren

• Tenslotte zorgt het myosine light chain kinase voor de fosforylering van myosine.

• Myosine bindt aan actine en er vindt spiercontractie plaats.

Om voor spierverwijding te zorgen is er dus een phosphatase nodig die de fosfaatgroep weer van de myosine afhaalt. Dit gebeurt als volgt:

• De β-andrenoreceptoren (GPCR) die op het gladde spierweefsel zitten worden geprikkeld door adrenaline of noradrenaline.

• Dit zorgt voor de activatie van adenylylcyclase.

• Adenylylcyclase zorgt voor de omzetting van ATP naar cAMP.

• cAMP maakt van PKA actief.

• PKA inactiveerd tenslotte het Rho-eiwit.

• Het Rho-kinase wordt onderdrukt, waardoor mysine light chain phophotase actief wordt gehouden. Deze phosohatase haalt de fosfaatgroep van myosine af, waardoor de spier ontspant.

Amplificatie van het signaal vindt plaats doordat de GPCR meerdere G-eiwitten kan activeren zolang er adrenaline of noradrenaline gebonden is. Ook tijdens de omzetten van ATP naar cAMP vindt amplificatie plaats en tenslotte kan een cAMP meerdere PKA’s activeren.

Op dit hele proces zit wel een timer. Het G-eiwit hydrolyseert na een tijdje namelijk zijn eigen ATP. Het ATP wordt dan ADP en het eiwit wordt inactief.

Andere wegen die tot spierverwijding leiden zijn:

• De calciumkanalen blokkeren.

• Het myosine light chain kinase blokkeren.

Twee geneesmidden die zorgen voor verwijding van gladde spiercellen in de bronchiolen

1. Salbutamol gebruikt de β-adrenoreceptor (een GPCR) als aangrijpingspunt. Het is een adrenoreceptoragonist dus het zorgt voor verwijding van de spieren in de bronchiolen.

2. Theofyline remt PDE (PDE zorgt normaal voor de afbraak van cAMP tot AMP). Er is nu meer cAMP in de cel, wat weer tot bronchodilatatie leidt.

Geneesmiddelen kunnen dus op verschillende stappen van dit proces aangrijpen en zo de spiercontractie beïnvloeden. Een exogene agonist als geneesmiddel bindt aan een receptor en activeert het proces. Een exogene antagonist als geneesmiddel bindt aan een receptor en activeert niks, maar blokkeert in principe de bindingsplaats voor de natuurlijke agonist van het lichaam zelf.

GPCR als aangrijpingspunt voor medicijnen heeft veel voordelen, namelijk:

• Een GPCR is zeer selectief en brengt daardoor zeer specifieke reacties op gang.

• Hij zit aan de buitenkant van het celmembraan dus het is gemakkelijk te bereiken.

• Een GPCR kan meerdere intracellulaire signaalroutes op gang brengen.

Bijwerking van geneesmiddelen beperken hun inzetbaarheid Bijwerkingen komen tot stand doordat er ook andere cellen zijn de eenzelfde receptor hebben waarop het geneesmiddel werkt. Zo kunnen ook sommige geneesmiddelen meer bijwerkingen hebben dan andere geneesmiddelen. Dit is afhankelijk van de hoeveelheid verschillende weefsels waarin de receptor waar het geneesmiddel op aangrijpt voorkomt. Zo heeft salbutamol minder bijwerkingen dan theofylline. Om deze reden moet er bij het voorschrijven van medicijnen goed worden gekeken naar de contra-indicaties van het medicijn.

Agonisten

Als een cel constant blootgesteld is aan agonisten, zal de hij na een bepaalde tijd minder goed gaan reageren op deze agonist. Dit is bijvoorbeeld het geval bij langdurig gebruik van geneesmiddelen. De cel zal dan een deel van zijn receptoren, die horen bij het desbetreffende agonistische geneesmiddel, internaliseren. Dat wil zeggen dat ze in de cel worden opgenomen. Vervolgens kan de receptor worden gerecycled of gedegradeerd (afgebroken). Het eindresultaat is dat de cel minder gevoelig is voor de agonist.

Antagonisten

Als iemand langdurig een geneesmiddel slikt met een antagonistische werking, zal de cel juist meer receptoren produceren om op het celmembraan te zetten. Dit verklaart ook waarom mensen die antagonistische geneesmiddelen gebruiken, het geneesmiddel moeten afbouwen, wanneer zij met het gebruik willen stoppen. Als zij dit niet zouden doen, zouden zij overgevoelig zijn voor de signaalstof door het grote aantal verkregen receptoren.

Hetzelfde geneesmiddel kan anders uitwerken op verschillende personen. Dit komt doordat iedereen een verschillend aantal receptoren op zijn cellen heeft. De aanmaak en afbraak van receptoren als reactie op geneesmiddelen verschilt per persoon. Tenslotte bestaan er soms ook verschillende vormen van dezelfde receptor door de genetische variëteit.

Met verschillende receptoren wordt bedoeld dat ze wel met dezelfde liganden binden, maar dat er een aminozuur verschilt in de receptor. Als je namelijk aminozuur arg-16 in je beta-adrenoreceptor hebt, zal je cel minder snel ongevoelig worden voor het medicijn dan wanneer dit gly-16 is.

Hoorcollege Correct citeren

Als je een tekst schrijft moet je correct citeren. Dan ben je namelijk controleerbaar en dat verhoogt de geloofwaardigheid van je tekst. Ook bij afbeeldingen die je niet zelf hebt gemaakt hoort een bronvermelding.

Als je de tekst van iemand anders in je eigen woorden weergeeft, heet dit parafraseren. Ook hierbij hoor je de bron te vermelden. Als je zinnen letterlijk citeert, moet je ze tussen aanhalingstekens zetten. Zo geef je duidelijk het onderscheid tussen geciteerde tekstgedeelten en geparafraseerde tekstgedeelten aan. Verder is het belangrijk bij zowel citeren als parafraseren dat je de ideeën van de schrijver correct weergeeft. Als je deze niet correct weergeeft pleeg je plagiaat.

Je kunt bij citeren en parafraseren meteen de bronvermelding tussen haakjes in de tekst zetten. Dit  bestaat uit de naam van de auteur en het jaartal. Je kunt ook na het desbetreffende stukje een hoog cijfer zetten en vervolgens onderaan de gehele tekst een bronvermelding maken. Dit verdient de voorkeur in medische artikelen. Het plaatsen van het cijfer gaat als volgt:

• Wanneer één bron is gebruikt: …………………¹

• Wanneer twee bronnen zijn gebruikt: …………^1,2

• Wanneer meerdere bronnen zijn gebruikt: ……^1-3

Het citeren volgens The Lancet methode gaat als volgt:

• Bij gebruik van een artikel uit een tijdschrift:

Achternaam voorletter(s) zonder punten. T/m 6 auteurs alle namen vermelden met tussen elke auteur een komma. Reeks wordt afgesloten door een punt. Bij meer dan 6 auteurs worden de eerste drie op de juiste manier vermeld en wordt de gevolgd door et al. Ook hier wordt de reeks afgesloten met een punt. Vervolgens wordt de titel van het artikel vermeld, gevolgd door een punt. Daarna de naam van het blad in cursief, gevolgd door het jaar van publicatie afgesloten met een punt komma. Hierna wordt het jaargangnummer dikgedrukt weergeven gevolg door een dubbele punt met daarachter de paginanummers.

Voorbeeld:

Hüsemann Y, Geigl JB, Schubert F, Musiani P, Meyer M,

Burghart E. Systemic spread is an early step in breast

cancer. Cancer Cell 2008;13: 58–68.

• Bij gebruik van een tekst uit een boek

Achternaam voorletter(s) zonder punten van de auteurs die het gebruikte hoofdstuk hebben geschreven. T/m 6 auteurs alle namen vermelden met tussen elke auteur een komma. Reeks wordt afgesloten door een punt. Bij meer dan 6 auteurs worden de eerste drie op de juiste manier vermeld en wordt de gevolgd door et al. Ook hier wordt de reeks afgesloten met een punt. Vervolgens wordt de titel van het hoofdstuk vermeld, gevolgd door een punt. Vervolgens het woordje In gevolgd door een dubbele punt. Nu komen de auteurs van het gehele boek op de gebruikelijke wijze. Er wordt afgesloten met een komma en daarachter het woordje editors gevolgd door een punt. Nu komt de titel van het boek gevolg door een punt. Daarna wordt het nummer van de editie vermeld gevolgd door ed. Vervolgens de plaats, afgesloten met een dubbele punt. Daarna de uitgever, afgesloten met een punt komma. Als laatste worden het jaartal van drukken gevolg door een punt en eventueel de gebruikte paginanummers vermeld.

Voorbeeld:

Fenton RG, Longo DL. Cancer Cell Biology and

Angiogenesis. In: Fauci AS, Braunwald E, Kasper DL et al.,

editors. Harrison’s Principles of Internal Medicine. 17th ed.

New York: McGraw-Hill; 2008. p. 498-513.

Wanneer er sprake is van een E-book wordt achter de paginanummers de URL vermeld. Daarachter wordt tussen haakjes gezegd wanneer deze link geraadpleegd is.

• Elektronisch artikel

Achternaam en voorletter(s) op de gebruikelijke manier. Daarna wordt de hoofdnaam van de website weergeven met daar achter tussen haakjes de datum en het jaar van uitgave. Dit wordt afgesloten door een punt. Vervolgens wordt de naam van het artikel weergeven, afgesloten met een punt. Hierna komt de URL met daar achter tussen haakjes de daten waarop het artikel is geraadpleegd.

Voorbeeld:

Stein L. Scientific American (October 31, 2008). Kill the

virus, stop the cancer. http://www.sciam.com/article.

cfm?id=kill-the-virus-stop-the-cancer (geraadpleegd:

25/10/2012).

Samenvatting verplichte stof week 3

De celcyclus

De vier fasen van de celcyclus

De belangrijkste veranderingen vinden plaats tijdens de M fase, namelijk:

• Mitose, waarbij het de celkern zich in tweeën splitst.

• Cytokinese, waarbij een cel zich deelt en de inhoud eerlijk verdeeld wordt over de twee nieuwe cellen.

De periode tussen één M fase en de volgende M fase wordt de interfase genoemd. Deze bestaat uit drie fasen:

• S fase: De cel kopieert het DNA in de kern.

• G1 fase: Periode tussen het einde van de M fase en het begin van de S fase.

• G2 fase: Periode tussen het einde van de S fase en het begin van de M fase.

Tijdens de G1 en G2 fasen wordt het interne en externe milieu van de cel goed in de gaten gehouden, om te controleren of de cel klaar is om te delen. Op bepaalde punten in de G1 en G2 kan de cel kiezen om door te gaan met de volgende fase of om zichzelf meer tijd te geven om zich hierop voor te bereiden.

De cel houdt zich tijdens de interfase bezig met de transcriptie van genen, de synthese van eiwitten en aanmaak van bouwstoffen om de cel te laten groeien. De G1 en G2 fasen bieden cellen de tijd die ze nodig hebben om te groeien en alle organellen te dupliceren. Iedere nieuwe cel moet namelijk voldoende organellen en massa hebben om goed te kunnen functioneren. Als de interfase niet lang genoeg zou zijn om extra bouwstoffen aan te maken, zou de cel bij iedere deling krimpen.

De chromosomen in de celkern condenseren zich zodra ze zich klaarmaken om de M fase in te gaan. De chromosomen worden korter en dikker opgevouwen. Hierdoor raken ze minder snel in de knoop met elkaar, waardoor zij eenvoudiger gescheiden kunnen worden tijdens de mitose.

Controlesysteem

Iedere cel bevat een complex netwerk van regulerende eiwitten die er voor zorgt dat de celdeling zonder problemen verloopt en dat hierbij alle celorganellen en DNA verdubbeld zijn. Dit systeem houdt bij dat een bepaalde stap in de celcyclus is voltooid voordat de volgende fase kan beginnen.

Er zijn drie zogenoemde checkpoints van belang:

• G1 checkpoint: de cel controleert of het extracellulaire milieu geschikt is voor celdeling. Er moeten voldoende voedingstoffen en specifieke signaalstoffen aanwezig zijn. Als het milieu ongunstig is, wordt de G1 fase verlengd of komt de cel in een speciale rustfase, de G0 fase. Veel cellen blijven in de G0 fasen tot het organisme sterft.

• G2 checkpoint: voorkomt dat de cel aan de mitose kan beginnen voordat het DNA compleet gerepliceerd is en alle mutaties en beschadigingen uit het DNA zijn verwijderd.

• Checkpoint tijdens mitose: verzekert dat de gerepliceerde chromosomen goed aan het spoelfiguur vast zitten, voordat het de chromosomen uit elkaar trekt en verdeelt over de twee dochtercellen.

Vooral de G1 checkpoint is belangrijk omdat de cel hier kan reageren op signalen uit de omgeving. De cel kan vaker of juist minder vaak gaan delen door beïnvloeding van de checkpoints. Als het controlesysteem niet goed werkt, kan de cel ongeremd gaan delen, mogelijk met kanker tot gevolg.

De fasen van de celcyclus, voornamelijk de tijd, variëren tussen verschillende cellen. De basis van de cyclus is echter voor alle eukaryotische cellen gelijk. Zij blijken dezelfde mechanisme en controle systemen te bevatten.

Bij celdeling zijn er twee mechanismen van belang: één mechanisme vervaardigd de componenten van de groeiende cel. Het andere mechanisme houdt de componenten op de juiste plaats en verdeeld ze over de twee nieuwe cellen. Het celcyclus controle systeem zorgt ervoor dat deze mechanismen op de juiste tijd aan en uit geschakeld worden door sleuteleiwitten te activeren en inactiveren.

Het celcyclus controle systeem reguleert de celcyclus door specifieke sleuteleiwitten te activeren en inactiveren. Dit gebeurt voornamelijk door fosforylering en defosforylering. Fosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit kinase en defosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit fosfatase.

Kinasen zijn maar op bepaalde momenten geactiveerd, meestal bij een fase overgang. Daarna worden ze snel weer inactief. Het actief maken van kinase wordt gereguleerd door cyclines . De cyclines zijn zelf niet enzymatisch actief, maar ze moeten gebonden zijn aan de celcyclus kinasen. Pas na complex vorming tussen kinase en cycline, wordt het kinase enzymatisch actief. Deze kinasen noemen we daarom cyclin-dependent protein kinases (Cdk’s).
De concentratie van de cyclines varieert op een cyclische wijze gedurende de celcyclus. Het stijgen en dalen van de cycline concentratie speelt een belangrijke rol in het reguleren van de Cdk activiteit. Tijdens de celcyclus stijgt de cycline concentratie geleidelijk, maar de cycline-Cdk complexen moeten juist op één abrupt moment geactiveerd kunnen worden (bij faseovergang).Hiervoor is een regelmechanisme. Wanneer het Cdk en cyclin een complex ontstaat, wordt deze door kinase twee keer gefosfolyseerd. Het eiwit is dan inactief. Dit eiwitcomplex kan abrupt actief worden gemaakt door defosorylering van één fosfaatgroep. Hierna is het complex maximaal actief.

Zie afbeelding 1

Er zijn verschillende cyclines en Cdk’s actief tijden de celcyclus. Verschillende cycline-Cdk complexen ontketenen verschillende stappen in de celcyclus.

• M-Cdk: complex van M-cycline en Cdk. Functioneert in G2 fase als starter voor de M-fase.

• S-Cdk: complex van S-cycline en Cdk. Functioneert in G1 als starter voor de S-fase.

• G1/S-Cdk: complex van G1/S-cycline en Cdk. Functioneert in G1 als starter voor de S-fase.

• G1-Cdk: complex van G1-cycline en Cdk. Helpt de cel door de G1 fase om S-fase te bereiken.

Elk geactiveerd type cycline-Cdk complex fosforyleerd verschillende doeleiwitten in de cel en brengt daardoor verschillende responsen op gang.

De concentratie van elk type cyclines stijgt geleidelijk en daalt plotseling. Deze abrupte daling wordt veroorzaakt door gerichte afbraak van cyclines. Specifieke enzymcomplexen voegen ubiquitin kettingen toe aan cycline. Deze leiden vervolgens naar proteasomen toe, die de cyclines afbreken, Cycline wordt afgebroken en er blijft daardoor alleen inactief Cdk over.

Het celcyclus controle systeem kan de cyclus stoppen op verschillende checkpoints in de cyclus om zeker te weten dat de intra- en extracellulaire omstandigheden gunstig zijn en de volgende stap in de cyclus niet begint voor de vorige afgesloten is. Sommige van deze checkpoints hangen samen met Cdk inhibitoren die de activiteit van één of meer cycline-Cdk complexen blokkeren.

Het celcyclus control systeem kan een cel voorgoed van de celcyclus onttrekken, Dit noemen we de G0 fase. De cel kan dan niet meer delen. Veel Cdks en cyclines zijn verdwenen of geremd door eiwitten.

S-fase

DNA replicatie begint bij origins of replication. Dit zijn nucleotide volgorden die verspreid liggen over elk chromosoom. Specifieke eiwitten die de start en beëindiging van DNA replicatie reguleren grijpen hierop aan.

Een eiwitcomplex, het origin recognition complex (ORC), blijft gebonden aan de origins of replication gedurende de hele celcyclus. Hier functioneert het als een soort van ‘landingsplaats’ voor additional regulatory proteins, die binden voor de S-fase start.

Één van deze regulatory proteins is Cdc6. Cdc6 is in lage concentratie aanwezig gedurende het grootste gedeelte van de cyclus, maar de concentratie stijgt in de vroege G1-fase. Wanneer Cdc6 in de G1-fase bindt aan ORCs, promoot het de binding van additional proteins. Hierdoor wordt een pre-replicative complex gevormd. De replication origin is nu klaar voor actie. De activatie van S-Cdk in de late G1-fase ‘haalt de trekker over’ en DNA replicatie start. Ook zorgt S-Cdk ervoor dat DNA maar één keer gerepliceerd wordt door Cdc6 te scheiden van het ORC na replicatie.

Nadat de chromosom gedupliceerd zijn in de S-fase liggen ze dicht naast elkaar, gebonden als zuster chromatiden. Ze worden bij elkaar gehouden door cohesins (eiwitcomplexen). De cohesins vormen ringen die de zuster chromatiden omringen en bij elkaar houden. Dit is van groot belang voor een zuivere chromosoomscheiding in de mitose.
Het checkpoint in de G1-fase voorkomt dat de cel de S-fase begint met beschadigd DNA. DNA-schade veroorzaakt een toename in concentratie en activiteit van het p53 eiwit. P53 reguleert de transcriptie van een Cdk-inhiberend eiwit p21. Het gesynthetiseerde p21 bindt aan G1/S-Cdk en S-Cdk, zodat de cel niet over kan gaan in de S-fase. Hierdoor krijgt de cel tijd om zijn DNA te repareren. Wanneer reparatie niet lukt, kan p53 de cel aanzetten tot apoptose.
Een defect p53 molecuul leidt ertoe dat beschadigd DNA gerepliceerd wordt. Hierdoor ontstaan vele mutaties en kunnen de cellen oncogeen worden.

Wanneer de DNA-replicatie is begonnen, zorgt een andere checkpoint ervoor dat de cel niet de M-fase kan beginnen met incompleet gerepliceerd DNA. De M-fase begint door defosforylering van M-Cdk, zodat dit complex actief wordt. Dit gebeurt door middel van een specifiek fosfatase eiwit. Wanneer het DNA niet goed is gerepliceerd, is dit fosfatase geremd. Hierdoor blijft M-cdk inactief totdat het DNA compleet en goed is gerepliceerd.

M fase
tijdens de M fase reorganiseert de cel alle componenten, zodat twee gelijke dochtercellen ontstaan. Om de chromosomen zuiver van elkaar te scheiden, gebruiken cellen twee gespecialiseerde cytoskelet machines. Deze trekken de twee zusterchromosomen apart en delen het cytoplasma in tweeën.
Het eiwitcomplex M-Cdk brengt de M-fase op gang. Het stimuleert de condensatie van de chromosomen in compacte structuren. Daarnaast veroorzaakt dit complex het ontstaan van het spoelfiguur.

Mitose

Voordat de kerndeling (mitose) begint, moet elke chromosoom zijn verdubbeld, zodat er van elk twee identieke zuster-chromosomen zijn. Deze twee worden bij elkaar gehouden door cohesin eiwitten. Bij mitose worden deze eiwitten gekliefd, zodat de twee zuster-chromosomen splitsen en beide in een andere dochtercel terecht komen.

Chromosomen moeten aan een aantal eisen voldoen voordat de mitose kan beginnen. Iedere chromosoom moet namelijk volledig gerepliceerd zijn en uit twee identieke chromatiden bestaan, bij elkaar gehouden door cohesine eiwitten. Tijdens de mitose wordt cohesine doorboord en worden de chromatiden, die nu ieder een zelfstandig chromosoom zijn, naar verschillende polen van de cel getrokken door het spoelfiguur.

Niet alleen het DNA moet volledig gerepliceerd zijn, maar ook de centrosomen moeten verdubbeld zijn voordat de M fase kan beginnen. Centrosomen organiseren de microtubuli in dierlijke cellen. Het centrosoom moet verdubbeld worden zodat het spoelfiguur gevormd kan worden en zodat elke dochtercel zijn eigen centrosoom heeft na de celdeling.

Profase

Nadat het centrosoom is gedupliceerd, ontstaan hieruit twee asters, die zich in tegengestelde richting verplaatsen. Deze asters vormen de twee polen van de mitose spoel. De vorming van het spoelfiguur begint tijdens de profase. Microtubuli polymeriseren en depolymeriseren zich voortdurend, waardoor filamenten steeds langer en korter worden. Dit staat bekend als dynamische instabiliteit. Aan het begin van de mitose neemt deze dynamische instabiliteit toe, waarbij de microtubuli van een centrosoom de binnenkant van de cel verkennen en interacties aangaan met microtubuli van andere het centrosoom. Deze interacties stabiliseren de microtubuli, waardoor zij de basisstructuur van het spoelfiguur vormen. De twee centrosomen noemen we nu spoelpolen en de op elkaar ingewerkte microtubes noemen we interpolaire microtubules. De vorming van de spoel wordt aangevoerd door motoreiwitten.

Prometafase

Het nucleaire envelop wordt afgebroken tot kleinere blaasjes. De microtubuli van het spoelfiguur kunnen zich nu binden aan de chromosomen, met behulp van eiwitcomplexen genaamd kinetochoren. Deze structuren liggen ten hoogte van het centromeer en bieden de microtubuli een bindingsplek. Elke zuster-chromosoom heeft één Kinetochoren als bindingsplek en beide wijzen in tegengestelde richting. Hierdoor zullen zij eerder aan microtubuli van verschillende polen koppelen, zodat elke zuster-chromosoom naar een andere pool wordt getrokken.
De binding van kinetochore aan het centromeer is afhankelijk van de DNA sequentie van het centromeer. Wanneer deze sequentie ontbreekt, kan kinetochoren niet binden en kunnen de twee zusterchromosomen niet goed van elkaar gescheiden worden.
Wanneer beide zusterchromosomen aan een andere pool gebonden zijn, worden zij als het ware in tegengestelde richting getrokken. De spanning tussen de zuster-chromosomen die hierdoor ontstaat, wordt opgevangen door het celcyclus controle systeem en is een belangrijk controlepunt. Als chromosomen niet goed verbonden zijn aan het spoelfiguur, wordt de celcyclus stopgezet door een “stop”-signaal van deze chromosomen.

Metafase

De chromosomen zijn verbonden aan het spoelfiguur en stellen zich nu op in het equatorvlak. Er ontstaat een metafase plaat. Zij worden hier onder spanning gehouden, aangezien beide kanten van het spoelfiguur aan de bindingsplek van de microtubuli trekken.

Anafase

De cohesine binding, die de zuster-chromosomen verbindt, wordt verbroken door een protease genaamd separase. Het separase-inhiberende eiwit securine wordt aan het begin van de anafase vernietigd door het anaphase-promoting complex (APC). Hierdoor kan separase zijn werk doen. Zonder actief APC blijven de chromatiden aan elkaar verbonden.

Zodra de cohesine binding verbroken is, worden de losse chromosomen naar tegengestelde polen getrokken door het spoelfiguur. Dit gebeurt door middel van twee processen:

• Anafase A: de microtubuli die verbonden zijn aan kinetochoren verkorten zich met depolymerisatie en trekken de chromosomen daardoor richting de polen. Deze beweging wordt geregeld door gekoppelde motoreiwitten. Deze gebruikt hydrolyse van ATP om tubilin subunits te verwijderen.

• Anafase B: de spoelpolen zelf bewegen van elkaar af en vergroten daarmee de afstand. Deze beweging wordt geregeld door twee soorten motoreiwitten, die beide op een ander type microtubules inwerken. Eén werkt op de interpolaire microtubeles en zorgt ervoor dat deze langs elkaar heen schuiven. Hierdoor worden de polen van elkaar af geduwd. De tweede werken direct op de polen en duwen deze uit elkaar.

Telofase

Het spoelfiguur breekt af en de kernenvelop herstelt zich. Blaasjes met nucleair membraan verzamelen zich eerst rond losse chromosomen en fuseren vervolgens tot een geheel.

Contractile ring

De “contractile ring” vormt zich tijdens anafase om de cytokinese uit te voeren. Het bestaat uit overlappende actine en myosine filamenten, die zich aan eiwitten aan de cytoplasmatische kant van het plasmamembraan binden. Door het glijden van actine tegen myosine filamenten ontstaat een kracht, zoals het in spierweefsel gebeurt. De ring wordt steeds kleiner naarmate de cytokinese vordert en breekt compleet af zodra de cel in tweeën is verdeeld. De vorm van de cel en de extracellulaire aanhechtingskracht worden tijdens celdeling beïnvloedt door de reorganisatie van actine en myosine filamenten.

Regulering van het aantal cellen

Apoptose:
de hoeveelheid cellen wordt niet alleen gereguleerd door de celdeling, maar ook door celdood. Wanneer cellen niet langer nodig zijn, kunnen zij geprogrammeerd doodgaan (apoptose). De cel krimpt en wordt gecontroleerd afgebroken. Fagocyten ruimen de celresten op.
procaspases worden geactiveerd door signalen voor apoptose. Het geactiveerde procaspase activeert andere procaspases, waardoor het signaal versterkt wordt. De procaspase klieven verschillende eiwitten in de cel, waardoor deze onwerkzaam worden. Zo worden cel onderdelen afgebroken.

Bcl2 familie eiwitten reguleren de activatie van de procaspases. Bepaalde eiwitten uit deze familie stimuleren celdood en andere voorkomen dit. De belangrijksten zijn Bax en Bak. Deze activeren procaspases indirect door cytochrome c los te maken van mitochondriën. Cytochrome c veroorzaakt een zevenarmige complexvorming die bepaalde procaspases aantrekt. Samen vormen zij het complex: apoptosome. In dit complex worden de procaspases geactiveerd en begint het proces van apoptose.

Afbeelding 2

Necrose
Cellen die doodgaan door acuut letsel zwellen op en barsten vervolgens. Dit noemen we necrose. In tegenstelling tot apoptose, kan necrose ook omliggende cellen beschadigen.

Overleving, groei en deling

De meeste extracellulaire signaalmoleculen voor overleving, groei en deling zijn in water oplosbare eiwitten die worden uitgescheiden door andere cellen.

Survival factors stimuleren overleving van cellen door apoptose te onderdrukken. Deze eiwitten binden aan het membraan en activeren een transcriptie regulator. Hierdoor wordt Bcl2 gesynthetiseerd. Dit eiwit onderdrukt apoptose.

Mitogenen stimuleren celdeling. Mitogenen binden aan membraanreceptoren. Deze receptoren activeren verschillende intracellulaire signaalmoleculen, die celdeling stimuleren. Dit gebeurt meestal door de moleculaire rem, die overgang naar de G1 fase blokkeert, uit te schakelen. Een voorbeeld van zo’n rem is het Rb eiwit. Het Rb eiwit bindt met bepaalde transcriptie regulatoren en voorkomt zo transcriptie van genen die nodig zijn voor celdeling. Mitogenen activeren de G1-Cdks en G1/S-Cdks. Deze complexen maken Rb inactief, waardoor celdeling plaats kan vinden.

Groei factoren stimuleren celgroei. Celgroei is niet afhankelijk van de celcyclus. De groeifactoren binden aan membraanreceptoren, die verschillende intracellulaire signaalroutes activeren. Deze signalen stimuleren eiwitsynthese en remmen de afbraak van eiwitten.

Genexpressie

Elke cel heeft hetzelfde genoom. Sommige genen komen tot uiting en andere niet. Door genexpressie is cel differentiatie mogelijk. Elke soort cel gebruikt heeft een bepaalde functie die gebaseerd is op de genen die wel tot expressie komen.
Cellen kunnen veranderen welke genen tot expressie komen, zonder de nucleotidevolgorde van het DNA aan te passen. Verschillen in genexpressie kunnen vergeleken worden door te kijken naar de eiwitten in cellen uit verschillende soorten weefsel. Veel eiwitten komen voor in alle cellen van een organisme, waaronder structurele eiwitten van chromosomen, RNA polymerasen, DNA repair enzymen, ribosomale eiwitten, eiwitten die het cytoskelet vormen en enzymen die bij glycolyse en andere stofwisselingsprocessen betrokken zijn. Daarnaast produceren verschillende celtypes specifieke eiwitten, die belangrijk zijn voor de kenmerkende eigenschappen van de cel.

De meeste gespecialiseerde cellen in een meercellig organisme kunnen hun genexpressie aanpassen op basis van signalen van buiten de cel. Verschillende celtypen reageren ieder op een specifieke manier op hetzelfde extracellulaire signaal. Dit komt door bepaalde permanente aanpassingen in de genexpressie, die de cel zijn karakteristieke eigenschappen geven.

Een cel kan de aanmaak van eiwitten op verschillende manieren beïnvloeden:

1. Sturing van de transcriptie van bepaalde genen.

2. Beïnvloeding van splicing en andere processen waarbij het RNA transcript wordt aangepast.

3. Selectie van mRNA’s die van de celkern naar het cytoplasma worden getransporteerd.

4. Selectief afbreken van bepaalde mRNA moleculen.

5. Selectieve translatie van mRNA door ribosomen.

6. Selectieve activering of inactivering van gemaakte eiwitten.

Het belangrijkste controlepunt is vaak de start van de transcriptie, omdat alleen deze controle kan verzekeren dat er geen ongewenste eiwitten worden gesynthetiseerd.

Promotors van genen hebben een “initiation site”, waar de transcriptie begint. Daarnaast hebben de meeste genen regulerende DNA sequenties die het gen aan of uit kunnen zetten. Deze sequenties moeten herkend worden door transcriptie regulators. Dit zijn speciale eiwitten, die aan een bepaalde DNA-sequentie binden en daarmee de transcriptie kunnen beïnvloeden.

Communicatie op celniveau

Signaalsystemen

Signaaltransductie: het proces waarbij een signaal overgebracht wordt. Hierbij kan de aard van het signaal veranderen. Een voorbeeld: radiogolven die omgezet worden in geluidsgolven.

Een signaalcel produceert signaalmoleculen die door de doelcel gedetecteerd worden. Doelcellen bezitten receptoren die de signaalmoleculen herkennen en er op een signaalspecifieke manier op reageren.

Signaaltransductie begint wanneer een receptor een extracellulair signaal ontvangt en deze omzet naar een signaal binnen de cel.

Er zijn vier manieren waarop communicatie tussen cellen gerealiseerd wordt. Meestal wordt de communicatie geregeld door signaalmoleculen die door het hele lichaam gaan. Deze signaalmoleculen worden in de bloedbaan uitgescheiden en heten hormonen. De cellen die hormonen produceren worden endocriene cellen genoemd.

Een andere manier van communicatie is de paracriene signalering. Hierbij verspreiden signaalmoleculen zich in de extracellulaire vloeistof, waarbij ze zich niet ver verwijderen van de signaalcel. Deze stoffen heten local mediators. Soms reageren signaalcellen op hun eigen local mediators. Dit verschijnsel heet autocriene signalering.

De derde manier van communicatie is de neuronale signalering. Zenuwcellen (neuronen) brengen hierbij signalen over. Deze neuronen kunnen zeer lang zijn. De overdracht van het signaal vindt echter plaats over een kleine afstand. Het uiteinde van een uitloper van een neuron produceert een extracellulair signaalmolecuul (neurotransmitter). Dit signaalmolecuul bindt zich aan een receptor van de doelcel en activeert deze daarmee.

De laatste vorm van communicatie is contactafhankelijke signalering. Hierbij is de afstand van de overdracht het kleinst. Er worden geen moleculen via secretie uitgescheiden, maar de cellen maken direct contact met elkaar. De signaalmoleculen bevinden zich in de plasmamembraan van de signaalcel en de receptoren bevinden zich in de plasmamembraan van de doelcel.

Er komen vele verschillende signaalmoleculen voor en elke cel moet hier selectief op reageren. Negeren van bepaalde signaalstoffen en reageren op andere leidt tot de gespecialiseerde functies van cellen. Een cel is alleen gevoelig voor signalen waarvoor hij een receptor..

Een signaal dat de cel binnenkomt via signaaltransductie, wordt via de receptor overgebracht op intracellulaire signaalmoleculen. Deze intracellulaire signaalmoleculen zetten effectoren aan tot activiteit. De effectoren beïnvloeden het gedrag van de cel. De intracellulaire communicatie en effectoren zijn bij verschillend gespecialiseerde cellen anders. Hierdoor kunnen verschillende type cellen op een andere manier reageren op hetzelfde extracellulaire signaal.

De reactie van een cel op een extracellulair signaal kan snel of langzaam zijn. De reactie is snel als er in de cel eiwitten geactiveerd moeten worden die zich reeds in een niet-actieve vorm in de cel bevinden. Deze moeten slechts geactiveerd worden. De reactie is langzaam als er eiwitten geactiveerd moeten worden die zich niet in de cel bevinden. Deze moeten eerst gesynthetiseerd worden. Hier gaat genexpressie aan vooraf, wat extra tijd kost.

Er zijn twee soorten extracellulaire signaalmoleculen. De ene soort bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de doelcel te kunnen diffunderen. Deze moleculen geven hun signaal af aan de cel via receptoren in het plasmamembraan.

De andere soort bestaat uit moleculen die klein of hydrofiel genoeg zijn om door het plasmamembraan te kunnen diffunderen. Binnen de cel activeren deze moleculen enzymen of binden zich aan intracellulaire receptoren die de genexpressie reguleren.

Een belangrijke groep signaalmoleculen die door het plasmamembraan kunnen diffunderen zijn de steroïden. Dit zijn hormonen. O.a. cortisol, estradiol en testosteron behoren tot deze groep. Een andere belangrijke groep van deze signaalmoleculen zijn de thyroïden (ook hormonen). Steroïde en thytoïden diffunderen door het celmembraan en binden aan intracellulaire receptoren. Deze bevinden zich zowel in het cytosol als in de kern. Ze worden nucleaire receptoren genoemd, omdat ze de transcriptie kunnen reguleren. De receptoren veranderen van vorm nadat ze een binding zijn aangegaan met het signaal molecuul. Hierdoor wordt het eiwit geactiveerd en zorgt het ervoor dat bepaalde genen wel of niet tot uiting komen. Elk hormoon bindt aan een ander type receptor en reguleert daarom specifieke genen.

Sommige opgeloste gassen kunnen door de plasmamembraan heen diffunderen en zo direct invloed uitoefenen op de activiteit van intracellulaire eiwitten. Een voorbeeld hiervan is het gas stikstofmonoxide (NO). Dit wordt door de endotheelcellen in de bloedvaten geproduceerd en komt vrij na prikkeling van de endotheelcellen door zenuwuiteinden. In de doelcellen gaat NO een binding aan met het enzym guanylyl cyclase en activeert dit. Dit enzym stimuleert de omzetting van GTP in cyclisch GMP. Cyclisch GMP is een intracellulair signaalmolecuul dat een schakel vormt in de keten van reacties binnen de cel. Deze reacties leiden uiteindelijk tot ontspanning van een gladde spiercel.

Het grootste gedeelte van de signaalmoleculen kan echter niet door het membraan heen diffunderen. Deze moleculen binden aan membraanreceptoren van de target-cel. De receptoren geven na binding het signaal in de cel af door middel van intracellulaire signalen. De uiteindelijke reactie van een cel op een extracellulair signaal heet de respons.

Intracellulaire signaalmoleculen kunnen een of meer van de volgende vier functies hebben:

1. Het doorgeven van het signaal binnen de cel.

2. Het versterken van het signaal, zodat een klein aantal extracellulaire signalen kan leiden tot een groot intracellulair respons. Dit heet amplificatie.

3. Het ontvangen van signalen van meerdere signaalmoleculen en deze integreren.

4. Het signaal doorsturen naar verschillende signaalmoleculen of effectoren, waardoor het signaal meerdere effecten heeft.

Veel van de intracellulaire signaalmoleculen hebben de functie van een moleculaire schakelaar. Het ontvangen van een signaalmolecuul laat het wisselen van een inactieve naar actieve vorm. Als deze eiwitten door een signaal geactiveerd zijn, kunnen ze andere eiwitten activeren. Vervolgens blijven ze actief totdat een andere proces de eiwitten weer inactief maakt. De meeste eiwitten worden in- of uitgeschakeld door middel van fosforylering. Bij inschakeling wordt er aan het eiwit een fosfaatgroep gebonden door het eiwit kinase. Deze fosfaatgroep wordt bij uitschakeling losgekoppeld door het eiwit fosfatase.

Een andere belangrijke groep moleculaire schakelaars zijn de GTP-gebonden eiwitten. Deze wisselen tussen een geactiveerde en niet-geactiveerde staat onder invloed van een binding met ofwel GTP, ofwel GDP. Een actieve staat wordt veroorzaakt door een binding met GTP, een inactieve staat door een binding met GDP. Wanneer deze eiwitten geactiveerd zijn kunnen ze zelf de binding met GTP verbreken door zichzelf te hydrolyseren: intrinsic GTP-hydrolyzing. GTP wordt door het eiwit GTPase gehydrolyseerd, waardoor GDP ontstaat.

Receptoren binden extracellulaire signalen en geven het signaal door in de cel door middel van intracellulaire signaalmoleculen. Er zijn drie soorten receptoren:

1. Ionkanaalgekoppelde receptoren.

2. G-eiwitgekoppelde receptoren

3. Enzymgekoppelde receptoren

De ionkanaalgekoppelde receptoren laten een stroom van ionen de cel in of uitgaan via het plasmamembraan, waardoor het membraanpotentiaal verandert en een elektrische stroom ontstaat.

Ionkanaalgekoppelde eiwitten zijn verantwoordelijk voor de snelle overdracht van signalen bij synapsen in het zenuwstelsel. Door middel van signaaltransductie veranderen ze een chemisch signaal (neurotransmitter) dat de buitenkant van een doelcel bereikt heeft in een elektrisch signaal. Dit elektrische signaal houdt een verandering in de spanning over de plasmamembraan van de doelcel in. Wanneer de neurotransmitter een binding aangaat met de receptor, verandert de receptor van vorm, waardoor een ionkanaal in de plasmamembraan geopend of gesloten wordt. Dankzij de elektrische lading gaan ionen de cel in of uit waardoor het membraanpotentiaal verandert. Deze verandering kan een impuls veroorzaken of kan het voor andere neurotransmitters moeilijker of makkelijker maken om een impuls te veroorzaken.

Ionkanaalgekoppelde receptoren bevinden zich alleen in membranen van cellen van het zenuwstelsel en andere cellen die door elektriciteit geprikkeld kunnen worden.

G-eiwitgekoppelde receptoren (G-protein-coupled receptor GPCR)

G-eiwitten binden een groot aantal verschillende signaalmoleculen en hebben vele verschillende functies. Ondank deze verscheidenheid heeft iedere GPCR ongeveer eenzelfde structuur. De receptor bestaat uit een polypeptideketen die zeven keer door de dubbele lipidelaag van de plasmamembraan heen gaat. Wanneer een extracellulair signaalmolecuul aan de receptor bindt, verandert deze van vorm, waardoor deze een G-eiwit activeert. Een G-eiwit is gelegen aan de onderkant van het membraan en bestaat uit drie eenheden: een α-, β-, en een y- eenheid. In de inactieve staat is aan de α-eenheid een GDP-molecuul gebonden. Wanneer de receptor een G-eiwit activeert, verandert de affiniteit van de α-eenheid voor GDP. GDP wordt losgekoppeld en deze wordt door een GTP-molecuul vervangen. Vervolgens splitst het G-eiwit zich en ontstaat er een α-subeenheid en een βy-complex. Deze zijn beiden geactiveerd en kunnen interactie aangaan met target-eiwitten.
De tijd waarin de eenheden geactiveerd zijn hangt af van de α-subeenheid. Deze kan zichzelf uitschakelen volgens intrinsic GTP-hydrolizing, waardoor het eiwit inactief wordt en de eenheden weer gekoppeld worden. Vervolgens kan het G-eiwit weer geactiveerd worden door een volgend extracellulair signaal. De eiwitten waar het G-eiwit invloed op heeft zijn ofwel enzymen, ofwel ionkanalen in het plasmamembraan.

De twee enzymen waar G-eiwitten meestal invloed op uitoefenen zijn adenylyl cyclase en fosfolipase C. Deze zijn beide verantwoordelijk voor de productie van kleine intracellulaire signaalmoleculen. Adenylyl cyclase is verantwoordelijk voor de productie van cyclisch AMP en fosfolipase C is verantwoordelijk voor de productie van inositol trifosfaat en diacylglycerol. Deze kleine intracellulaire signaalmoleculen worden ook wel second messengers genoemd. First messengers zijn de extracellulaire signaalmoleculen die door receptoren in de plasmamembraan worden herkend.

Adenyl cyclase

De α-eenheid van een geactiveerd G-eiwit activeert in veel gevallen het enzym adenylyl cyclase. Omdat het G-eiwit adenylyl cyclase stimuleert, wordt dit eiwit G_s genoemd. Geactiveerd adenyl cyclase stimuleert de productie van cyclisch AMP. Hierbij wordt ATP dat zich in de cel bevindt omgezet in cyclisch AMP. Cyclisch AMP activeert een kinase (PKA, cyclic AMP dependent protein kinase). Geactiveerd PKA katalyseert de fosforylering van bepaalde intracellulaire eiwitten, waardoor deze eiwitten geactiveerd worden.

In de cel is een enzym aanwezig dat cyclisch AMP omzet in normaal AMP. Dit enzym heet cyclisch AMP fosfodiesterase.

Fosfolipase C

Sommige G-eiwitten activeren het membraangebonden eiwit fosfolipase C. Geactiveerd fosfolipase C splitst een lipide molecuul dat onderdeel is van het plasmamembraan af. Dit molecuul is een inositol fosfolipide (een fosfolipide met een inositol suikergroep aan de kop gebonden). Fosfolipase C haalt de suikergroep van de lipide af waardoor inositol 1,4,5-trifosfaat (IP₃) en diacylglycerol (DAG) ontstaan.

IP₃ verspreidt zich in het cytosol en DAG blijft in het plasmamembraan. IP₃ verplaatst zich naar het ER en gaat daar een binding aan met CA²⁺kanalen. Deze worden geopend en CA²⁺ verlaat via deze kanalen het ER en gaat het cytosol in. Hierdoor stijgt de concentratie vrije Ca+ sterk. Deze stijging is een signaal voor andere eiwitten.

DAG activeert een enzym dat zich van het cytosol naar het plasmamembraan verplaatst, protein kinase C (PKC). Dit eiwit heeft een binding met CA²⁺ nodig om actief te worden. In actieve staat kan dit eiwit een aantal intracellulaire eiwitten fosforyleren.

Afbeelding 3

CA²⁺

De CA²⁺concentratie in de cel is bijzonder laag in vergelijking met de CA²⁺concentratie in de extracellulaire vloeistof en de vloeistof in het ER. dit verschil wordt in stand gehouden door pompen die CA²⁺ actief het cytosol uitpompen. Hierdoor ontstaat er een elektrochemische gradiënt over het plasmamembraan en ER-membraan. Wanneer een signaal de Ca-kanalen opent, stroomt Ca het cytosol in. Dit veroorzaakt responsen bij bepaalde Ca-bindende eiwitten in het cytosol.

Een van deze eiwitten is calmoduline. Wanneer CA²⁺ zich bindt aan calmoduline verandert calmoduline van vorm, waardoor het om bepaalde doeleiwitten te vouwen. Hierdoor wordt de activiteit van deze eiwitten beïnvloed. Een belangrijke groep doeleiwitten zijn de CA²⁺ / calmodulin-dependent protein kinases (CaM-kinases). Deze kinases worden geactiveerd door een binding met calmoduline waaraan CA²⁺ gebonden is en oefenen invloed uit op andere processen in de cel door bepaalde eiwitten te fosforyleren.

Reactie op fel licht

Een van de snelste reacties in het lichaam die met behulp van GPCRs plaatsvindt, is de reactie van het oog op fel licht. De details van deze reactie zijn bestudeerd bij de fotoreceptorcellen in het oog die verantwoordelijk zijn voor het zien van zwart-witte beelden bij schemerige belichting. Het licht wordt in deze cellen waargenomen door rhodopsine, een G-eiwitgekoppelde lichtreceptor. Geactiveerd rhodopsine activeert het G-eiwit transducine. De geactiveerde α-eenheid van transducine activeert een aantal intracellulaire reacties die tot gevolg hebben dat een ionkanaal in de plasmamembraan sluit. Hierdoor verandert de spanning over het celmembraan en worden er neurotransmitters afgegeven. Dit heeft tot gevolg dat er impulsen verzonden worden naar de hersenen.
Bij deze intracellulaire reacties vindt amplificatie plaats. Deze vindt alleen plaats bij schemerlicht. Wanneer het oog blootgesteld wordt aan fel licht, past het signaalsysteem zich aan en wordt de amplificatie sterk verminderd. Dit heet adaptatie. Hierbij is sprake van negatieve feedback: een intense reactie in de fotoreceptor (door fel licht) veroorzaakt een intracellulair signaal (een verandering in CA²⁺concentratie) waardoor de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de amplificatie van het signaal geblokkeerd worden.

Enzymgekoppelde receptoren

Enzymgekoppelde receptoren zijn transmembraan eiwitten. In plaats van contact te maken met een G-eiwit gedragen deze receptoren zich als enzym of vormen een complex met een enzym. Ze spelen een grote rol in de regulatie van groeisignalen, differentiatie, ontwikkeling en overleving van de cel.

De grootste groep enzymgekoppelde receptoren bestaat uit de RTK’s. (receptor tyrosine kinase). Dit zijn receptoren die een cytoplastisch deel bevatten dat functioneert als een tyrosine kinase, en dus tyrosines fosforyleert. (PKA, PKC en CaM-kinasen fosforyleren serine/threonine)

In het geval van RTK’s komt het signaalmolecuul vaak voor in de vorm van een dimeer. Hierdoor zijn er twee receptoren nodig om het dimeermolecuul te kunnen binden. Wanneer de twee receptoren koppelen aan het dimeer, maken ze contact en fosforyleren elkaar. Meestal fosforyleren zij tyrosines op de cystolische staart. De gefosforyleerde tyrosine dient als bindingplaats voor intracellulaire signaal eiwitten. Ook deze signaaleiwitten worden gefosforyleerd en geactiveerd of functioneren als adapter. Adapters koppelen de receptor aan andere signaalmoleculen.

RTK activeert

• Fosfolipase C

• Ras

Ras

Ras is een GTP bindend eiwit dat met een lipidestaart aan het plasmamembraan vast zit. Ras lijkt op de α eenheid van het G-eiwit en functioneert als een moleculaire schakelaar. Het is actief bij binding met GTP en inactief bij binding met GDP. Wanneer signaalmoleculen contact maken met Ras bindt het met GTP waardoor het geactiveerd wordt. Ras schakelt zichzelf uit door GTP te hydrolyseren naar GDP. (Bij 30% van de vormen van kanker werkt dit mechanisme niet meer)

Ras promoot in actieve staat de fosforylering cascade. Dit houdt in dat serine en threonine protein kinases achter elkaar geactiveerd worden. Hierbij wordt MAP-kinase geactiveerd. MAP-kinase fosforyleerd verschillende effectoren, waaronder transcriptie regulators. Hierdoor kan celdeling gestimuleerd worden.

PI 3-kinase

Een van de belangrijkste RTK processen is die waarbij het enzym phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase) betrokken is. PI 3-kinase fosforyleert inositol phospholipids in het plasmamembraan. Gefosforyleerde inositol phospholipids functioneren als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten.

Een voorbeeld van een intracellulair signaaleiwit dat hier kan binden is Akt. Akt zorgt voor de groei en overleving van vele celtype door signaaleiwitten de te fosforyleren. Akt fosforyleert bijvoorbeeld het eiwit ‘Bad’ en maakt dit inactief.. In actieve vorm activeert Bad apoptose. Akt voorkomt dus apoptose van cellen.

Ook zorgt Akt voor celgroei door ‘Tor’ indirect te activeren. Tor stimuleert celgroei door de eiwitsynthese te stimuleren en door celafbraak af te remmen.

Niet alle enzym-gekoppelde receptoren werken via een complex van signaal cascades. Sommige gebruiken een meer directe weg om genexpressie te reguleren. Een groep extracellulaire signaalmoleculen, cytokines, binden aan receptoren die transcriptie regulatoren (STAT) kunnen activeren door fosforylatie. Deze regulatoren leiden direct naar de kernen, waar ze transcriptie van bepaalde genen stimuleren. De transcriptie regulatoren moeten al in inactieve staat in het cytosol aanwezig zijn, zodat ze snel geactiveerd kunnen worden. Het proces wordt gestopt wanneer de fosfaatgroepen van de actieve eiwitten worden afgekoppeld.
Een nog snellere signaalweg wordt bereikt met het receptor eiwit Notch. Notch reguleert de ontwikkeling van zenuwcellen in het fruitvliegje. De receptor zelf functioneert hier als transcriptie regulator. Notch wordt geactiveerd door het signaalmolecuul ‘delta’ dat aan een naburige cel gebonden is. De staart van Notch ‘scheurt af’ en transporteert naar de kern waar het genen activeert.

bijlage_week_3_gzc_1.pdf

Week 4

Hoorcollege 1

Primaire weefsels in ons lichaam zijn sociale verbanden van cellen die weefsels vormen. Ons lichaam kent vier primaire weefseltypen. De eerste zijn de epithelia: de cellulaire dekweefsels die de buitenkant van het lichaam en alle holten in het lichaam bekleden. Epitheelcellen grenzen heel nauw aan elkaar en zijn met stevige junctions verbonden. Epitheel staat vaak bloot aan slijtage, er is daarom veel celvernieuwing. Darmepitheel is eenlagig epitheel, de epidermis is een meerlagig epitheel.

De tweede groep van weefsels wordt gevormd door de bind- en steunweefsels en bloed. Dit weefsel bestaat uit cellen die in het algemeen omringd worden door een extracellulaire matrix, die zij zelf produceren. Een extracellulaire matrix bestaat uit weefselvloeistof, vezels en andere eiwitten, die door bijvoorbeeld fibroblasten worden gemaakt. Bindweefsel is veel luchtiger weefsel dan epitheel. De cellen zijn niet zo nauw verbonden met elkaar als in epitheel weefsel en communiceren daarom ook anders. Mesenchym: Embryonale term voor bindweefsel.Tot de bind- en steunweefsels behoren ook ons kraakbeen, bloed en onze botten. Het is een familie, omdat de cellen in deze weefsels erg op elkaar lijken met betrekking tot de productie van de belangrijkste extracellulaire matrixcomponenten zoals collageen en elastine. Maar ze zijn toch gespecialiseerd, want in bindweefsel is de extracellulaire matrix veel vloeibaarder dan in been waar het collageen juist voor een harde substantie zorgt.

De derde weefselgroep wordt gevormd door spierweefsel. Dit is onder te verdelen in skeletspierweefsel, hartspierweefsel en glad spierweefsel.
De vierde primaire weefselgroep is het zenuwweefsel. Zenuwweefsel bestaat uit neuronen met lange uitlopers en gliacellen. Tussen de cellen is zeer weinig extracellulaire matrix aanwezig. Zenuwcellen zijn heel specifiek door de lange uitlopers die synaptische contacten met elkaar maken.

Hoe ontstaan de verschillende weefsels in ons lichaam?
Er zijn in ons lichaam 200 verschillende soorten celtypen, die allemaal uit dezelfde embryonale stamcellen ontstaan. Embryonale stamcellen zijn omnipotent, dus kunnen ze aanleiding geven tot het ontstaan van alle mogelijke cellen in ons lichaam.

Verschillen Epitheel en Bindweefsel

Epitheel en bindweefsel zijn elkaars tegenpolen qua weefsels. Ze hebben een verschillend cytoskelet, verschillende vormen van communicatie, een verschillende extracellulaire matrix en een andere manier van bewegen. Alle weefsels bestaan uit cellen en door hen geproduceerde extracellulaire matrix (bevat componenten, zoals eiwitten en vezels). Per weefsel kunnen deze componenten en de hoeveelheid extracellulaire matrix echter sterk verschillen.

Epitheel

Het epitheel weefsel ontstaat uit alle drie de kiembladen. Uit de blastocyst ontstaan drie belangrijke kiembladen: het endoderm (waar je verteringskanaal uit gevormd wordt), het mesoderm (waar je bindweefsel, been, spieren, vetcellen en je bloedvatendotheel gevormd wordt) en het ectoderm (waar je epidermis en je centrale zenuwstelsel uit gevormd wordt). Door deze verschillend oorsprongen hebben verschillende epitheelweefsel grote verschillen in functie en vorm.

Het epitheelweefsel geeft het onderliggend weefsel bescherming. Epithelia hebben geen eigen doorbloeding. Voor de epidermis betekent dit dat de voedingsstoffen en zuurstof zo hoog mogelijk getransporteerd moeten worden in de dermis om vervolgens de epidermis in te diffunderen. Dit geeft direct een grens aan de dikte die een epidermis kan hebben. Als het epidermis vervolgens te hoog wordt, krijgen de bovenste cellen niet genoeg voedingsstoffen en zuurtstof en gaan in apoptose. Zij worden omgevormd in hoorncellen. Epitheelcellen van de epidermisworden keratinocyten genoemd (keratine=hoornstof). De dermis (bindweefsel) is rijk doorbloed en transporteert voedingsstoffen via de bloedbaan en via de extracellulaire matrix.

Epithelia zijn altijd grenslagen, dus dat betekent dat er veel slijtage is Er is dan ook veel celvernieuwing. Veel celdeling maakt de kans op kanker ook groter. De cellen zitten in een stevig celverband door de adherens junctions en celadhesie moleculen zoals cadherines. Dit is van groot belang omdat de epitheelcellen aan veel chemische en mechanische krachten onderhevig zijn. Epithelia kunnen verschillende gelaagdheid hebben. Daarnaast verschillende de epitheelcellen ook in vorm. Het bloedvatendotheel is eenlagig (eenlagig plaveisel), Dte cellen zijn heel plat in tegenstelling tot de slanke en hoge darmepitheelcellen (gericht op endocytose). In klieren is het epitheel vaak kubischvormig. Hoe meer mechanisch geweld, hoe meer het epitheel geneigd is om meerlagig te worden. Maar dit moet wel in verhouding staan tot het vermogen van het epitheel om voedingsstoffen op te nemen. Epithelia hebben veel cytoskeletelementen, zodat de vorm gehandhaafd kan worden.

Epitheelcellen

Epitheelcellen zijn polair. Dit betekent dat ze een duidelijke bovenkant en een onderkant hebben. Bij darmepitheelcellen betekent dit dat de bovenkant microvilli, bepaalde receptoren en sluitvlakken hebben. Aan de onderkant zit de basale lamina, dat bestaat uit extracellulaire matrixcomponenten en vezels. Dit is een belangrijke grens tussen twee verschillende weefsels; het epitheel en het onderliggende bindweefsel.

Als een epitheelcel maligne ontaardt, kan hij eiwitafbrekende enzymen maken (proteases), die de basale lamina afbreken. Zo komen de kankercellen in het bindweefsel terecht en vervolgens in een bloedvat. Op deze manier ontstaan metastasen. Er is dan sprake van uitzaaiing.

Bindweefselcellen

In het bindweefsel overheerst vooral de extracellulaire matrix. De functie van het bindweefsel is verbinding en transport. Het zorgt voor de voorziening van voedingsstoffen en zuurstof van het epitheel. Het bindweefsel bestaat uit verschillende componenten. Een daarvan is collageen. Dit is een eiwit dat wordt geproduceerd door de fibroblasten, de cellen die in het bindweefsel aanwezig zijn. Collageen bestaat uit filamenten die in de extracellulaire matrix worden samengevoegd en daardoor dikke vezels vormen. Het is een sterk eiwit en is van belang voor de stevigheid van het lichaam. Een ander component is elastine. Dit eiwit zorgt voor vormbehoud van ons lichaam. Het is vooral belangrijk in de arteriewand, want daar pulseert het bloed doorheen. Verder zij er ookproteoglycanen aanwezig. Dit zijn macromoleculen die heel hygroscopisch zijn en dus water kunnen aantrekken. Hierdoor wordt de weefselvloeistof gevormd. Door de aanwezigheid van weefselvloeistof kan er door het bindweefsel goed transport plaatsvinden. Al deze eiwitten worden gevormd door de fibroblasten. Sommige componenten worden ook door het bloed aangevoerd. Zo zijn er in het bindweefsel vaak gastcellen uit het bloed aanwezig, zoals macrofagen.

Fibroblasten produceren: 

- Collageen (25% van ons lichaamseiwit)

Fibroblasten produceren de componenten van de extracellulaire matrix zoals bijvoorbeeld collageen. Binnenin een fibroblast wordt procollageen gemaakt, een enkelvoudige eiwitketen. Deze ketens gaan om elkaar wikkelen tot een triple-helix. Aan beide kanten van de triple-helix zit een soort kwastje. Wanneer er exocytose van het procollageen plaatsvindt, worden deze kwastjes eraf geknipt. Buiten de cel kunnen ze nu aggregeren tot collageenfibrillen en vervolgens tot collageenvezels.

Collageen komt in gevarieerde vormen in verschillende weefsels voor. In de dermis vormt het een vlechtwerk van trekvaste vezels. Door aminozuurvolgorde in de polypeptideketens is collageen zeer trekvast. In de basale laminae vormt het collageen geen vezels, maar een fijnmazig vlechtwerk van fibrillen. In pezen vormt collageen trekvaste parallele vezelbundels. In het oog komt het in een transparante vorm voor en vormt het de gelatineuze weefselvloeistof van het glasachtig lichaam. In je beenderen associeert het met mineralen zoals calcium en zorgt het voor stevigheid. In kraakbeen associeert het collageen met extracellulaire matrix-proteoglycanen die water aantrekken. Kraakbeen zit daar in het lichaam waar grote krachten een rol spelen. Collageen zit in een bolvorm om deze proteoglycanen met water heen, waardoor het een indrukbaar maar drukvast geheel vormt.

Als je een mutatie hebt in het gen dat codeert voor de enzymen die de uiteinden van procollageen erafknippen, worden er geen collageenvezels gevormd. Dit zorgt bijvoorbeeld voor een zeer uitrekbare huid.

- Elastine

Fibroblasten produceren ook elastine. Het is zeer uitrekbaar en zorgt voor vormbehoud van het lichaam. Elastinemoleculen zijn met elkaar gecross-linked met behulp van zwavelbruggen. Hierdoor zijn zij in staat uit te rekken en terug te veren.

- GAG (glycosaminoglycanen) en proteoglycanen

Deze moleculen trekken water aan en maken op die manier transport door de extracellulaire matrix mogelijk. GAG's bestaan uit een aaneenschakeling van steeds dezelfde disachariden met COO^- groepen. Deze hebben sterk negatieve ladingen die natrium en water aantrekken en uitdroging van het bindweefsel voorkomen. GAG's vormen de backbone van de grotere agreggaten zoals proteoglycanen. Aan deze backbone zitten eiwitmoleculen gebonden.

Aanpassen in een weefsel

Wanneer er in een weefsel nieuwe cellen worden gevormd, moet die zich aanpassen aan de rest van het weefsel en de functie gaan uitvoeren, dieze horen uit te voeren. Dit gebeurt op drie manieren.

• Ten eerste communiceren cellen met elkaar door middel van signaalstoffen en receptoren. Er zijn vier vormen van deze communicatie, namelijk endocriene-, paracriene-, neuronale-, en contactafhankelijke signalering. Bij endotheelcellen is vooral de contactafhankelijke signalering belangrijk. Bij bindweefsel is er voornamelijk sprake van endocriene en paracriene signaaloverdracht,

• De tweede manier waarop cellen in een weefsel nieuwe cellen vertellen wat ze moeten doen is via selectieve cel-cel adhesie. Cellen die namelijk dezelfde soort cadherines (calcium-afhankelijke adhesie eiwitten) en cytoskeletfilamenten hebben maken graag contact met elkaar. Dit noem je homofiele verbindingen, omdat deze cellen graag binden met cellen waarop ze lijken.

• Ten derde heeft een cel een geheugen. Nieuwe cellen die gevormd worden in een weefsel weten dan waar ze vandaan komen, doordat genen in het DNA volgens een automatisme worden aan en uitgezet.

Contact-afhankelijke communicatie gaat via membraangebonden eiwitten die aan receptoren van buurcellen binden of via junctions. 

Er zijn verschillende soorten junctions:

Tight junctions

Cel-cel junction waarbij de naburige membranen plexgewijs over riggels met elkaar versmelten, zodat geen enkel molecuul vanuit het lumen via de intracellulaire spleet de cellen kan passeren.

Adherens junctions

De aherens junctions verbinden continu twee cellen met elkaar door de actine filamenten van twee cellen door middel van cadherines te verbinden.

Desmosomen

De desmosomen zijn een ander soort adherensjunctions. Het zijn een soort drukknopjes die de cellen aan elkaar plakt. De cadherines die met elkaar verbonden worden zitten hier vast aan linker eiwitten die vervolgens vastzitten aan intermediaire filamenten.

Hemidemosomen

De derde soort adherensjunctions zijn de hemi-desmosomen. Hier wordt de epitheelcel verbonden aan de extracellulaire matrix, bijvoorbeeld de basale lamina. Nu worden de intermediaire filamenten (keratine filamenten) niet verbonden door cadherines, maar door integrines. Functioneel verschil: cadherines plakken epitheelcellen aan elkaar, integrines plakken cellen altijd aan de ECM.

Gap junctions (nexusverbinding)

Gap junctions zijn een soort kanaaltjes tussen cellen, die belangrijk zijn voor de communicatie. Ionen en kleine signaalmoleculen kunnen hierdoor heen. De kanaaltjes kunnen open en dicht onder invloed van calcium. Gapjunctions vindt je niet alleen in epithelia, maar ook in andere weefsels, zoals gladde spiercellen.

Functie van intergrines en fibronectines

Cellen in het bindweefsel, zoals fibroblasten, kunnen contact maken met collageen in de extracellulaire matrix om zo door het weefsel te kunnen reizen. In een fibroblast worden de actine filamenten verbonden aan het collageen in de extracellulaire matrix via een aantal verbindingselementen. Deze verbindingen bestaan uit integrines en fibronectine. Integrine is aan de binnenkant via een adaptor-eiwit aan het actine filamentnetwerk verbonden. Alle cellen die door het bindweefsel reizen hebben integrines als transmembraan eiwit. Aan de buitenkant van de cel is het integrine gebonden aan fibronectine dat vervolgens aan collageen kan binden. 

Bindweefselcellen zijn beweeglijk en reizen naar plekken in de extracellulaire matrix waar opbouw of afbraak van componenten nodig is.

Integrines zijn niet alleen verbindend. Ze functioneren ook als receptoren voor stress –en chemische signalen. Als ze inactief zijn, zijn ze ineengekrompen. Ze kunnen worden geactiveerd door bijvoorbeeld bacteriën of andere signalen uit de omgeving of door signalen vanuit de cel zelf. Er zijn minstens 20 soorten integrines die allemaal aan verschillende matrixcomponenten kunnen binden. Aan de binnenkant bindt het altijd aan actine, omdat het dun en beweeglijk is.

Actine

Actine vervult verschillende functies in de cel. Zo zorgt het voor structuur van de microvilli, de contractie bundels in cellen, de beweging van een finbroblast en de insnoering van de cel na mitose. Actine zorgt dus voor steun, dynamiek en beweging van de cel.

Actine bestaat uit globulaire actinemonomeren. Deze monomeren koppelen vervolgens aan elkaar door inwisseling van ingesloten ADP voor ATP. Een ATP-gebonden monomeer heeft namelijk een sterke neiging om te gaan polymeriseren tot een actinefilament. Twee actinefilamenten om elkaar heen vormen actine. Actine wordt constant gepolymeriseerd (streng wordt langer) en gedepolymeriseerd (streng wordt korter). Deze depolymerisatie gebeurt vanzelf, omdat ADP gebonden actine een minder sterke binding tussen de monomeren oplevert. 

In het cytosol van een fibroblast zitten een hele hoop actinemonomeren. Wanneer de fibroblast gaat bewegen, worden de actinemonomeren gepolymeriseerd in de looprichting. Op deze manier ontstaan uitsteeksels die lamellopodia heten. De cel gaat met integrines contact aan met het component waarover de cel zich beweegt. Onder invloed van myosine II vindt er contractieplaats. De hele cel wordt daarna naar voren getrokken.

Bij spiercellen is myosine II nodig als motoreiwit. In de myosine II koppen vindt ATP-ase plaats en met behulp van ATP kunnen actine filamenten binden. Er vindt een powerstrike plaats waardoor de actine filamenten over elkaar worden getrokken, dit is het principe van spiercontractie.

Intermediaire filamenten

Intermediaire filamenten zijn van groot belang voor de stevigheid van onder andere epitheelcellen, ze zijn onflexibel en sterk. De intermediaire filamenten lopen door de cel heen en verbinden zich aan het membraan viadesmosomen en hemidesmosomen. Cellen zijn altijd onderhevig aan krachten van buitenaf. Deze krachten worden overgebracht op de intermediaire filamenten. Dankzij de connectie van de desmosomen worden de krachten over alle cellen verdeeld en blijft het epitheel heel. Als dit niet gebeurd kun je in de epidermis bijvoorbeeld blaren krijgen, doordat de cellen loslaten van het basale lamina. Blaarziekten in de epidermis zijn vaak gevolg van mutaties in genen die coderen voor intermediaire filamenten. Intermediaire filamenten zijn heel divers samengesteld. Ze komen in bijna alle cellen voor. Elk celtype maakt zijn eigen filamenten op maat, want er zijn 20 genen die bijdragen aan intermediaire filamenten. Alle celtypen bevatten hun eigen set van intermediaire filamenten. De primaire bouwsteen is een monomeer met een staafvormig middengedeelte en twee bolvormige uiteinden. Deze bolvormige uiteinden kunnen per cel verschillen, waardoor er een ander filament gevormd wordt. Dit monomeer is polair met aan een kant de N-terminus en aan de andere kant de C-terminus. Twee van deze monomeren winden om elkaar heen tot een dimeer. Vervolgens treedt er aggregatie van twee dimeren op tot een tetrameer. Acht tetrameren samen vormen vervolgens de intermediaire filamenten. De intermediaire filamenten in epitheelcellen worden keratines genoemd. In bind- en spierweefsels heten ze vimentinen. In de kern zelf heten ze nucleaire laminen.

Microtubuli

Microtubuli zijn zeer dynamisch en instabiel en erg belangrijk voor bewegingsprocessen. Ze groeien via polymerisatie van tubuline-dimeren vanuit de centrosomen naast de celkern. Het zijn een soort buisjes. Bij microbuli gaat het om groei en krimp, daar is energie bij nodig in de vorm van GTP. Als er genoeg GTP is, zullen er microtubuli uit de centrosomen groeien, als er hydrolyse van GTP en er dus GDP aanwezig is, krimpt de microtubuli weer. Tubuline is eenheterodimeer, en bestaat dus twee verschillende eenheden. Vanuit het centrosoom vormt zich een buisje met een plus en minkant. Onder de plasmamembraan bevinden zich kapjes die ervoor kunnen zorgen dat de microtubuli wat langer in stand blijven en er goed blaasjestransport mogelijk is.
Twee belangrijke motoreiwitten zijn kinesine en dyneïne, deze wandelen over de mucrutubli heen om cargo te vervoeren. Microtubuli zijn belangrijk voor intracellulair eiwittransport en het op zijn plaats houden van organellen. In het cellibaam van een zenuwcel bijvoorbeeld is microtubuli waarlangs signalen getransporteerd kunnen worden. Ook vervullen zij een belangrijke rol bij mitose. Zij zorgen ervoor dat er in elke nieuwe dochtercel de goede chromosomen aanwezig zijn.

Interactief College

De embryonale periode loopt van week 1 tot week 8. In de eerste 3 weken ontstaat een 3-lagige kiemscijf. In de laatste 5 weken ontstaan de organen: organogenese. Vervolgens breekt de foetale periode aan (week 9 tot 38) waarin rijping en groei optreedt.

De eicel wordt omgeven door een sterke acellulaire laag: zona pellucida. Wanneer een zaadcel zich heeft gebonden aan een receptor treedt degradatie van de zona pellucidda op, zodat de zaadcel de eicel binnen kan dringen. Trilhaartjes leiden een eicel richting ovaria.
Op weg naar de baarmoeder deelt de zygote (=bevruchte eicel) vele malen, maar de totale grootte blijft gelijk. Dit worden de klievingdelingen genoemd. Ongeveer op de 8^e dag vindt implantatie van het embryo in de baarmoeder plaats.

Na een aantal delingen ontstaat er een holte in de zygote en deze wordt dan een blastocyst genoemd. De holte is gevuld met vocht. Een blastocyst bevat een inner cell mass (embryoblast), waaruit het embryo zich zal ontwikkelen, en een outer cell mass (trofoblast) waaruit zich de vliezen zullen vormen. De blastocyst scheidt enzymen uit die ervoor zorgen dat hij uit de zona pellucida kan komen om zich vervolgens in te nestelen in de baarmoeder.

De embryoblast bestaat uit een epiblast, hypoblast, amnionholte (komt later vruchtwater in) en een dooierzak. De epiblast en hypoblast vormen een 2-lagige kiemschijf. Door gastrulatie ontstaat een 3-lagige kiemschijf bestaande uit endoderm, mesoderm en ectoderm. De cellen van de epiblast gaan zich delen. Deze migreren naar de middellijn en vervolgens naar binnen. De cellen van de hypoblast worden weggedrukt en vervangen door cellen van het endoderm. Tussen de epiblast en het endoderm wordt nog een laag cellen gedrukt. Deze laag wordt het mesoderm genoemd. Er is een drieledige kiemschijf ontstaan. De cellen van de epiblast worden nu het ectoderm genoemd. Stamcellen kunnen alle mogelijke richtingen uit differentiëren en zijn daarom totipotente cellen. Adulte stamcellen kunnen nog een bepaalde richt op differentiëren. Uit de 3 kiembladen onstaan verschillende weefsels. Endoderm: epitheliale weefsels van de tractus digestivus, lever, longen, blaas

Mesoderm: skelet, spieren, hart, bloedvaten, nieren, vet, beenmerg, kraakbeen, lymfe, sereuze vliezen.

Ectoderm: zenuwcellen, huid, nagels, haren.

Er zijn twee plaatsen waar geen mesoderm is, maar het ectoderm en het endoderm tegen elkaar aanliggen. Dit is het oropharyngeale (toegang tot toekomstige mondholte) membraan en cloacale membraan (toekomstige gemeenschappelijke uitgang urinestelsel en maag-darmstelsel).

Tumoren

Classificatie van individuele tumoren is van belang voor een adquate behandeling en deze geschiedt op grond van gedrag(het al dan niet kwaadaardig zijn), topografie en histogenese van de tumor. De benaming van de celtypen is te herleiden uit de embryonale oorsprong van deze celtypen. Een teratoom is een monstertumor (primitieve kiemcellen), omdat deze pluripotent is. Er kunnen zich allerlei weefsel ontwikkelen in de tumor (tanden, haren etc.)

Weefselvorming

Er zijn verschillende mogelijkheden hoe er uit één cel zoveel verschillende weefsels en organen kunnen ontstaan:

• Polariteit: de maternale RNA wordt niet gelijk over de dochtercellen verdeeld. De dochtercellen krijgen andere hoeveelheden van de regulatie eiwitten.

• Verschil in omgeving: cellen kunnen door chemische stoffen invloed op elkaar uitoefenen en communiceren. Waardoor verschillende cellen worden gevormd.

• Genregulatie eiwitten: bepaalde eiwitten kunnen genen aan of uit zetten. Hierdoor komen bepaalde genen tot uiting en ontstaat een bepaald celtype.

Mesoderm differentiatie
In het mesoderm migreren de cellen, waardoor verschillende onderdelen ontstaan. Van buiten naar binnen ontstaan: lateraal plaatmesoderm – intermediair mesoderm – paraxiaal mesoderm(somieten) – axiaal mesoderm(chorda dorsalis)

Het laterale plaat mesoderm is op te delen in twee onderdelen. Het blad dat tegen het ectoderm aanligt wordt het (pariëtaal) somatisch blad genoemd.
Het blad dat tegen het endoderm aanligt wordt het splanchisch (visceraal) blad genoemd.

Tijdens de gastrulatie worden de belangrijke lichaamsassen vastgelegd:

• craniaal-caudaal (boven-onder)

Inductie craniale weefsels door onder andere de transcriptiefactor Lim-1 (homeoboxgen Lm-1) en van caudale weefsel door onder andere de transcriptiefactor brachyury.

• doxaal-ventraal (achter-voor)

• lateraal-mediaal (buiten-binnen)

Binnenin het lichaam is een links-rechts asymmetrie, zo liggen maag en hart links en de lever rechts. De nodal en lefty genen zijn bij deze links-rechts asymmetrie betrokken en komen normaal gesproken alleen links in het lateraal plaat mesoderm tot expressie.

Cranio-caudale kromming (lengte kromming): buiging richting ventrale zijde. Het hart ligt boven de mondholte en daarboven ligt nog het septum transversum. Door de kromming komt het hart en het septum transversum op de juiste plaats te liggen. Het septum transversum zal zorgen voor een scheiding tussen thorax en abdomen en levert daarmee een bijdrage aan het ontstaan van het diafragma.

Laterale kromming (breedte kromming): vorming intra-embryonaal coeloom (lichaamsholten). Door de laterale kromming gaat het endoderm naar elkaar toe en kan de darm vormen. Het lateraal splanchisch blad komen om de organen heen te liggen. Het somatisch/pariëtaal blad komt tegen de lichaamswand aan te liggen. Op de plaats van het hart kan het mesoderm de pericardholte vormen.

Samenvatting verplichte stof week 4: Het cytoskelet

Het cytoskelet van een cel bestaat uit een netwerk van eiwitten, dat zich door het cytoplasma verspreidt. Dit netwerk zorgt niet alleen voor de structuur en stevigheid van de cel, maar ook voor de mogelijkheid tot beweging. Cellen kunnen dankzij het cytoskelet kruipen langs een oppervlakte. Bovendien is het nodig voor de contractie van spiercellen en de vormverandering bij ontwikkeling van het embryo. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie verschillende soorten eiwitfilamenten: intermediaire filamenten, microtubuli en actine filamenten. Elk soort filament in opgebouwd uit andere subunits en heeft daarom verschillende eigenschappen.

Intermediaire filamenten zijn opgebouwd uit een familie van vezeleiwitten. Microtubuli zijn opgebouwd uit de subunit tubulin en actinefilamenten uit actine.

Intermediaire filamenten

Intermediaire filamenten zijn erg elastisch en hun belangrijkste functie is het weerstaan van de grote mechanische kracht die wordt uitgeoefend als de cel wordt uitgerekt. Het is dan ook het stevigste en meest duurzame soort filament waaruit het cytoskelet is opgebouwd. Intermediaire filamenten vormen een netwerk door het cytoplasma en zijn vaak verankerd in het plasmamembraan met cell-cell junctions zoals desmosomen, waar het externe membraan vastgemaakt wordt aan het membraan van andere cellen. Intermediaire filamenten zijn ook aanwezig in de celkern, waar zij de nucleaire lamina vormen, die het kernmembraan verstevigt.

Zie afbeelding 1

Intermediaire filamenten zijn opgebouwd uit lange vezelachtige eiwitten, met elk aan de N-terminus een bolvormige kop, aan de C-terminus een bolvormige staart en centraal een langgerekte staaf. De staaf bestaat uit een uitgerekte alfahelix die de vezelachtige eiwitten in staat stelt dimeren te vormen door om elkaar heen te draaien tot een coiled-coil vorm. Deze coiled-coil dimeren kunnen weer noncovalent aan elkaar binden en tetrameren vormen. Op deze manier kunnen ook de tetrameren aan elkaar koppelen, waardoor een touwachtige intermediaire filament ontstaat.

Intermediaire filamenten verdelen drukkende of rekkende kracht over de gehele cel, om scheuring van het membraan en vernieling van de inhoud van de cel te voorkomen. Ze zijn dus vooral belangrijk in cellen die worden blootgesteld aan veel mechanische krachten. Zij vormen touwachtige polymeren van eiwitten, die worden verdeeld in vier klassen:

1. Keratine filamenten in epitheelcellen;

2. Vimentine en vimentine-gerelateerde filamenten in bindweefselcellen, spiercellen en gliacellen;

3. Neurofilamenten in zenuwcellen;

4. Nucleaire lamine eiwitten in de nucleaire lamina van alle dierlijke cellen.

Keratine filamenten zijn opgebouwd uit keratine subunits en zorgen ervoor dat een ketting van epitheelcellen de juiste vorm aanneemt. De filamenten overspannen het interieur van een cel, en zijn indirect verbonden aan filamenten uit aanliggende cellen via desmosomen. Deze kabels hebben een erg elastische kracht en verdelen de stres die ontstaat bij uitrekking. De intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd en versterkt door ondersteunende eiwitten (zoals plectine). Deze eiwitten verbinden de verschillende eiwitfilamenten onderling.

De nucleaire filamenten vormen geen touwachtige structuur, maar meer een tweedimensionaal netwerk. Ze zijn opgebouwd uit lamine. In tegenstelling tot de meeste stabiele intermediaire filamenten in het cytoplasma, worden de nucleaire filamenten bij elke celdeling afgebroken en weer hervormd. Dit proces wordt gestuurd door fosforylering en defosforylering van lamine door eiwitkinasen. Fosforylering heeft ontbinding van filamenten tot gevolg, terwijl defosforylering aan het einde van de mitose voor heropbouw zorgt.

Microtubuli

Microtubuli hebben een belangrijke organisatorische rol in de cel. Samen met motorische eiwitten zijn ze belangrijk voor de positionering van organellen binnen de cel. Het zijn lange, holle, stevige buizen gemaakt van eiwitten, die snel op- en afgebouwd kunnen worden. Zij groeien uit het centrosoom en bekleden de cel met een spoor waarlangs vele cellulaire componenten zich kunnen verplaatsen. Microtubuli zorgen ervoor dat organellen met membraan op hun plek blijven en spelen een belangrijke rol bij het intracellulaire transport.

Zie afbeelding 2
Daarnaast spelen de microtubuli een belangrijke rol bij de mitose. Zij breken af en bouwen vervolgens het spoelfiguur op. Hierdoor kunnen de twee dochtercellen gescheiden worden.

Microtubuli worden gevormd door de polymerisatie van tubuline dimeren, bestaande uit ∂ą-tubuline en -tubuline. De tubuline dimeren binden aan elkaar door noncovalente bindingen. 13 parallelle protofilamenten vormen een cilindrische microtubuli. Het zijn gepolariseerde structuren, met een snel groeiende pluskant (de β-tubuline kant) en een langzaam groeiende minkant (de α-tubuline kant). De minkant van elke microtubuli ligt gehecht aan het centrosoom, waardoor groei alleen aan de pluskant plaatsvindt.

Microtubuli wisselen over het algemeen tussen een groeiende en een krimpende staat. Deze dynamiek heet dynamic instability en wordt gereguleerd door de hydrolyse van GTP. Elk vrije tubuline dimeer heeft een GTP molecuul gebonden, die kort na de polymerisatie tot GDP kan worden gehydrolyseerd. De GTP-gebonden tubuline moleculen kunnen goed aan elkaar binden, terwijl GDP-gebonden tubuline een andere vorm heeft waardoor deze binding minder sterk is. Twee dingen kunnen hierdoor gebeuren:

• De polymerysatie verloopt snel, waardoor de microtubulus sneller groeit dan de GTP gehydrolyseerd kan worden. Het groeiende uiteinde van de keten bestaat hierdoor compleet uit GTP-gebonden tubuline subunits (een GTP cap). De groeiende microtubulus blijft groeien.

• Het tubuline molecuul aan het uiteinde van de microtubulus wordt gehydrolyseerd voordat de volgende tubuline bindt. Het uiteinde bestaat nu uit GDP-gebonden tubuline, waardoor de afbraak de overhand krijgt. Zodra deze depolymerisatie wordt gestart, blijft het doorgaan en wordt de microtubulus in een rap tempo korter. In het cytosol worden de vrije GDP-gebonden tubulin moleculen omgezet in GTP. Waarna deze weer beschikbaar worden voor de vorming van microtubuli.

De instabiliteit en snelle afbraak van de microtubuli zorgen ervoor dat deze snel hervormd kunt worden. Dit is erg belangrijk voor hun functie. In een normale cel worden er steeds nieuwe microtubuli gevormd en afgebroken. De afbraak van microtubuli kan voorkomen worden door de plus kant te stabiliseren aan bepaalde moleculen. Dan vormt de microtubuli een stabiele link tussen het centrosoom en andere componenten van de cel, waardoor deze een specifieke functie kan vervullen. Cellen bevatten vele eiwitten die interacties aan kunnen gaan met de uiteinden van de microtubuli. Zodra een cel is gedifferentieerd en een specifieke structuur heeft aangenomen, wordt de instabiliteit van zijn microtubuli vaak onderdrukt. Zo kan de cel zonder oponthoud zijn bedoelde functie uitvoeren. De polariteit van een cel bepaalt de organisatie van microtubuli binnen de cel, aangezien de microtubuli zelf ook polaire structuren zijn.

Kankercellen kunnen soms selectief worden afgebroken door het stabilisatie- en destabilisatiemechanisme van microtubuli te beïnvloeden met antimititotische stoffen. De polymerisatie en depolymerisatie van microtubuli kan hiermee worden onderbroken.

Zowel microtubuli en actine filamenten zijn betrokken bij saltatorische bewegingen en andere gecoördineerde bewegingen in eucaryotisch cellen. Bewegingen worden gereguleerd door motoreiwitten. Deze gebruiken energie van ATP-hydrolyse om langs de actine filamenten of microtubuli te reizen. Deze motoreiwitten kunnen binden aan bepaalde cel componenten en zorgen zo voor transport langs de filamenten. De motorische eiwitten die langs microtubuli bewegen komen uit twee groepen:

• Kinesines bewegen richting de plus kant van een microtubulus (weg van het centrosoom).

• Dyneines bewegen richting de minkant (naar het centrosoom toe).

Beide eiwitgroepen zijn dimeren met twee bolvormige ATP-bindende koppen en een enkele staart. De staart bindt aan componenten uit de cel en herkent daarmee wat er precies vervoert wordt. De koppen zijn enzymen die aan een microtubulus binden, weer loslaten en vervolgens weer herbinden om zo langs microtubuli te kunnen bewegen. De ATP-hydrolyse zorgt voor conformatie veranderingen, waardoor deze bewegingen mogelijk zijn. De staart kan binden aan een cel component. Microtubuli en motorische ewitten spelen een belangrijke rol in het positioneren van celorganellen.

Actine filamenten

Actine filamenten zijn nodig bij vele bewegingen van de cel, voornamelijk met betrekking tot het celoppervlak. Net als microtubuli zijn actine filamenten niet stabiel en kunnen zij door interacties met andere eiwitten een stabiele structuur vormen. Ze kunnen binden aan een groot aantal actine-bindende-eiwitten. Afhankelijk van hun binding met verschillende eiwitten, kunnen deze filamenten bepaalde structuren vormen. Zij kunnen bijvoorbeeld stijve en permanente structuren vormen zoals microvilli en samentrekkende bundels in het cytoplasma. Of tijdelijke structuren zoals de “contractiele ring” bij de celdeling.

Ieder filament is een helix van identieke actine moleculen. Een actine filament heeft een structurele polariteit. De filamenten zijn dunner, flexibeler en vaak korter dan microtubuli, maar zij komen vele malen vaker voor in een cel. Actine filamenten worden over het algemeen in uitgebreide netwerken of bundels aangetroffen in de cel.

Actine filamenten groeien door het aankoppelen van actine monomeren. Ze groeien sneller aan de pluskant dan aan de minkant. Een enkel actine filament is niet stabiel. Elk subunit actin is gebonden aan ATP. Na koppeling in een filament wordt deze gehydrolyseerd naar ADP. Dit vermindert de stabiliteit van het actine filament. De cel bevat kleine eiwitten, die voorkomen dat vrije actine monomeren binden aan filamenten. Deze eiwitten reguleren de actine-polymerisatie. Andere actine-bindende eiwitten monteren verschillende actinefilamenten aan elkaar.

Onder de plasmamembraan zit een geconcentreerd netwerk van actine filamenten en andere eiwitten, die de cellulaire cortex wordt genoemd. Dit netwerk is verantwoordelijk voor de vorm en beweging van het celoppervlak.
Bij het “kruipen” van een cel staan drie processen centraal:

1. De cel duwt uitsteeksels (lamellipodia, en soms ook filopodia) naar de voorkant, of “leading edge”, door middel van actine polymerisatie. In de lamellipodia zijn de filamenten zo gerangschikt dat hun pluskant naar het membraan wijst. Actine gerelateerde eiwitten (ARPs) promoten de vorming van vertakte actine filamenten in lamellipodia. Deze eiwitten vormen complexen die binden aan bestaande actine filamenten en beginnen op deze manier de vorming van vertakkingen. Filopodia zijn kleinere uitsteeksels van actine filamenten. Formins hechten zich aan de groeiende uiteinden van filopodia en promoten de toevoeging van monomeren waardoor rechte, onvertakte filamenten ontstaan.

2. Transmembraan eiwitten in deze uitsteeksels hechten zich aan de oppervlakte waarover de cel kruipt. Dit gebeurt met behulp van bepaalde transmembraaneiwitten genaamd integrines. Ze binden aan moleculen in de extracellulaire matrix of aan het oppervlak van omringende cellen. Daarnaast binden ze binnenin de cel aan de actine filamenten.

3. De rest van de cel trekt zichzelf naar voren aan de hechting die ontstaan is bij (2) door intracellulaire contracties van actine filamenten. Dit gebeurt door interne samentrekkingen doordat actine filamenten interacties aangaan met motoreiwitten. Alle actine-afhankelijke motorische eiwitten behoren tot de myosine familie. Ze hydrolyseren ATP, waardoor er energie voor de beweging naar het plus eind van het filament vrijkomt. Myosine I komt in alle celtypes voor. Het bestaat uit een kop en een staart. De kop bindt aan actine en hydrolyseert ATP. De staart bindt aan componenten die op deze manier verplaatst worden.

Zie afbeelding 3

Bewegingen worden gereguleerd door extracellulaire signalen, die binden aan bepaalde receptoren in het plasmamembraan. Deze geactiveerde receptoren geven het signaal door aan de GTP-bindende Rho-eiwitten in de cel. Deze eiwitten werken als moleculaire schakelaars door te wisselen tussen een GTP-actieve staat en een GDP-inactieve staat. Het actieve Rho-eiwit stimuleert de polymerisatie van actine filamenten en de vorming tot filopodia en lamellipodia. Daarnaast activeert het myosine II en integrins, die de beweging van de cel mogelijk maken.

Spiercontractie

Spiecontractie wordt gereguleerd door actinebundels en myosine II. Myosine II is opgebouwd uit twee ATPase koppen en een lange staafvormige staart. Clusters van myosine II vormen een bipolair myosine filament.

Weefselvorming

Weefsels bestaan uit cellen en extracellulaire matrix. Er zijn vier typen weefsels: bindweefsel, epitheelweefsel, zenuwweefsel en spierweefsel.

Bindweefsel

Bindweefsel kan enorm gevarieerd zijn. Het kan zowel stevig en flexibel zijn, als zacht en transparant. Het grootste deel van bindweefsel bestaat uit extracellulaire matrix, die de grootste mechanische belasting draagt. De cellen die de extracellulaire matrix produceren bevinden zich in de matrix zelf. De karakteristieke eigenschappen van verschillende soorten bindweefsels worden veroorzaakt door het type collageen dat het bindweefsel bevat, de grootte van het weefsel en (voornamelijk) door de andere moleculen die het bindweefsel bevat (bijvoorbeeld elastine).

Collageen komt in vele varianten voor, die elk van belang zijn voor een bepaald type bindweefsel. De karakteristieke vorm van collageen is meestal langgerekt en stijf. Het is opgebouwd uit een drie polipeptide ketens die in een helix zijn gewonden. Deze moleculen kunnen polymeren vormen, waardoor collageen fibrillen ontstaan. Hierin zijn vele colageenmoleculen samen gebonden. Deze fibrillen worden bij elkaar gebonden tot colageenvezels.

Bindweefselcellen die in de meeste bindweefsels voorkomen worden fibroblasten genoemd. Bindweefselcellen in de botten worden osteoblasten genoemd. De cellen produceren zowel collageen als andere producten die in de extracellulaire matrix nodig zijn. Deze stoffen worden via exocytose aan de extracellulaire matrix afgegeven. Buiten de cel vormen de stoffen aggregaten. Dit houdt in dat de moleculen buiten de cel bindingen aangaan met andere moleculen en zo macromoleculen vormen. Collageen wordt in de cel gesynthetiseerd in een voorlopervorm, zodat de colageenmoleculen niet al in de cel interacties aan kunnen gaan. Wanneer dit procollageen buiten de cel komt, binden extracellulaire enzymen (progollageen protinases). Deze zetten procollageen om in collageen, waardoor het vezels kan vormen.
Doordat het bindweefsel collageen bevat, is het bestand tegen trekkrachten. Collageen moet buiten de cel een bepaalde richting hebben om het weefsel zo stevig mogelijk te maken. Fibroblasten kunnen de richting en de plaats van het collageen veranderen door collageen in een bepaalde richting uit te scheiden en het vervolgens te herschikken. Dit gebeurt door constant aan het molecuul te duwen en trekken.

Cellen moeten zich binnen het weefsel door de extracellulaire matrix kunnen verplaatsen. Om dat te kunnen doen moeten ze zich ergens aan hechten. Cellen binden moeilijk aan collageen. Het eiwit dat geschikt is om deze binding te vormen heet fibronectine. Aan de ene kant bindt dit zich aan collageen in de extracellulaire matrix en aan de andere kant kan een andere cel zich binden.

Een cel bindt zich aan fibronectine door middel van een receptoreiwit dat zich in de plasmamembraan van die cel bevindt. Dit receptoreiwit heet integrine. Het extracellulaire gedeelte van integrine gaat een binding aan met fibronectine, terwijl het intracellulaire gedeelte een binding aangaat met actine filamenten in de cel. Hierdoor kan integrine de trekkrachten tussen de cel en de extracellulaire matrix overdragen op het cytoskelet van de cel en wordt het niet uit de plasmamembraan getrokken.

Integrines kunnen naast het vormen van verbindingen en het doorgeven van trekkrachten ook reageren op die trekkrachten en op intra- en extracellulaire signaalstoffen. Ze kunnen reageren door verbindingen met andere moleculen aan te gaan of te verbreken. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij de verplaatsing van een cel in een weefsel. Aan de voorkant van de cel gaat integrine, onder invloed van signaalstoffen of trekkrachten, een binding aan met de matrix, terwijl het aan de achterkant van de cel de matrix loslaat, waardoor de cel zich naar voren verplaatst.

Een intracellulair signaalmolecuul kan integrine vanaf de binnenkant van de cel activeren. Hierdoor strekt integrine zich aan de extracellulaire kant uit en gaat daar een binding aan met een extracellulaire structuur (inside-out activatie). Andersom kan een binding met een extracellulaire structuur intracellulaire signalen op gang brengen via kinases die door het intracellulaire uiteinde van integrine geactiveerd worden (outside-in activatie).

Proteoglycanen

Proteoglycanen zijn eiwitten in de extracellulaire matrix. Door deze eiwitten kan de cel drukkrachten weerstaan. Daarnaast vullen de eiwitten de ruimte in de extracellulaire matrix op. Ze zijn gebonden aan een speciale groep negatief geladen polysacchariden, de glycosaminoglycanen (GAGs).

GAGs bevinden zich vaak in gelachtige substanties. In compacte weefsels bevindt zich vooral collageen.

GAGs zijn erg hydrofiel en zij kunnen vele verschillende conformaties aangaan. Daarnaast bevatten ze een negatieve lading, waardoor ze veel +-ionen aantrekken. Door deze hogere concentratie ionen wordt veel water in de extracellulaire matrix getrokken. Dit veroorzaakt een drukkende kracht, die wordt tegengewerkt door de colageenvezels.

Proteoglycanen hebben verschillende functies:

• Ze vormen gels van verschillende poriegrootte. De lading van de proteoglycanen kan dienen om moleculen door de extracellulaire matrix te filtreren.

• Ze kunnen gesecreteerde groeifactoren en andere signaaleiwitten binden.

• Ze kunnen de verplaatsing van cellen binnen het extracellulaire medium blokkeren, aansporen of begeleiden.

Epitheellagen en junctions

Epitheelcellen bedekken het uitwendige oppervlak van het lichaam en alle inwendige holtes. Deze cellen zijn erg van belang. Zij creëren een barrière, die sommige moleculen binnen laten en andere tegenhouden of uitscheiden

Een epitheellaag heeft twee kanten: het apicale oppervlak en het basale oppervlak. Deze oppervlakken verschillen van elkaar en hebben andere eigenschappen. Daarom wordt een epitheelcel polair genoemd. Het apicale oppervlak bevindt zich aan de buitenzijde van het epitheel en wordt blootgesteld aan lucht of een waterige vloeistof. Het basale oppervlak rust op een ander weefsel dat zich meer in het lichaam bevindt. Meestal is dit een bindweefsel. Het basale oppervlak wordt ondersteund door een dunne laag extracellulaire matrix, de basale lamina. Dit bevindt zich tussen het basale oppervlak en het ondersteunende weefsel. Het bestaat uit collageen type IV en verscheidene andere macromoleculen, waarvan laminine er één is. Laminine is het aangrijpingspunt voor de integrines die zich in de plasmamembranen van de epitheelcellen bevinden.

De epitheelcellen moeten in het weefsel op een bepaalde manier gerangschikt worden. De cellen worden op de goede plaats gehouden door junctions. Er zijn verschillende soorten junctions.

Tight junctions hebben een afdichtende functie. Zij trekken de naast elkaar gelegen cellen dicht tegen elkaar aan. In water oplosbare moleculen kunnen hierdoor niet tussen de cellen komen. De tight juntions worden door claudines en occludines gevormd. Deze worden gerangschikt in strengen om de twee membranen aan elkaar te binden. Zonder de tight junctions zouden moleculen tussen de cellen kunnen komen en zou de activiteit van absorberende cellen tenietgedaan worden. Tight junctions hebben ook een functie bij het in stand houden van de polariteit van de cel door de diffusie van membraaneiwitten binnen de plasmamembraan te voorkomen. De samenstelling van de membranen in beide oppervlakken blijft hierdoor verschillend. Daarnaast zijn de junctions verzamelplaatsen voor intracellulaire eiwitten die een rol hebben bij het handhaven van de polariteit.

Er zijn twee soorten junctions die als functie hebben de epitheelcellen met elkaar te verbinden. Dit zijn de adherens junctions en de desmosomen. Daarnaast zijn er junctions die de epitheelcellen verbinden met de basale lamina. Deze heten hemidesmosomen. Deze drie junctions gebruiken dezelfde strategie. Ze binden door het membraan met het sterkte cytoskelet.

De adherens junctions en de desmosomen worden gevormd door transmembraaneiwitten die tot de cadherines behoren. Een cadherinemolecuul in de plasmamembraan van de ene cel gaat een binding aan met een identiek cadherinemolecuul dat zich in de plasmamembraan van de naastliggende cel bevindt. Een dergelijke binding heet een homofiele binding. Om deze binding te kunnen vormen moet er Ca aanwezig zijn in de extracellulaire matrix.

Bij adherensjunctions zijn de cadherinemoleculen in de plasmamembraan verbonden aan de actine filamenten binnen de epitheelcel. Hierdoor zijn de actine filamenten van de afzonderlijke epitheelcellen met elkaar verbonden. Dit actinenetwerk kan de vorm van het epitheel veranderen door op verschillende plaatsen samen te trekken.

Bij een desmosoom vormen andere cadherinemoleculen een verbinding. Deze cadherines gaan binnen de cel een binding aan met intermediaire filamenten. In epithelia bestaan de intermediaire filamenten uit keratine. Via de desmosomen zijn de intermediaire filamenten van de epitheelcellen met elkaar verbonden. Hierdoor zijn epithelia sterk en kunnen ze trekkrachten weerstaan.

De epitheelcellen zijn, zoals eerder vermeld is, verbonden met het onderliggende weefsel. Deze verbindingen heten hemidesmosomen. Deze verbinding wordt gevormd door de integrines, die zich in de plasmamembraan van de epitheelcellen bevinden. Deze zijn extracellulair verbonden met de laminines van het basale lamina en intracellulair met de keratine filamenten in de epitheelcellen.

Een laatste soort junctions zijn de gap junctions. Gap junctions zijn gebieden waar de membranen van twee celen dicht tegen elkaar en precies parallel liggen. Hiertussen bevindt zich een nauw gat. Het gat is niet geheel leeg. In het gat bevinden zich uitstekende uiteinden van eiwitten uit de plasmamembranen van de cellen. Deze uiteinden vormen verbindingen tussen de membranen. Deze zogenoemde connexonen vormen kanalen waardoor anorganische ionen en kleine in water oplosbare moleculen zich van het cytosol van de ene cel naar dat van de andere kunnen verplaatsen. Een gap junction vormt hierdoor een elektrische en metabolische verbinding tussen de cellen. De gap junction kan onder invloed van extracellulaire signalen geopend of gesloten worden.

Handhaving en vernieuwing van weefsels

Er zijn drie factoren die ervoor zorgen dat de stabiliteit van de weefsels in orde blijft.

• De communicatie van de cellen onderling. Door deze communicatie kan een cel zich aanpassen aan zij omgeving. Er wordt zeker gemaakt dat er nieuwe cellen geproduceerd worden en andere cellen alleen overleven wanneer dat noodzakelijk is.

• De selectieve verbindingen tussen cellen. De adhesiemoleculen in de plasmamembraan van een cel kunnen alleen bindingen aangaan met adhesiemoleculen van cellen uit hetzelfde weefsel, waardoor de verschillende weefseltypen gescheiden blijven. Of de cellen binden alleen selectief aan andere celtypes of specifieke extracellulaire matrix componenten.

• Het geheugen van de cellen. De genexpressie die tijdens de embryonale ontwikkeling leidde tot de specialisatie van de weefselcellen wordt door de cellen “onthouden”, waardoor gespecialiseerde cellen alleen dochtercellen kunnen voortbrengen van dezelfde specialisatie. Fibroblasten bijvoorbeeld kunnnen alleen fibroblasten voortbrengen.

Cellen in weefsels verschillen erg in hun mate van cel vernieuwing. Veel gespecialiseerde cellen die continu vervangen moeten worden kunnen zichzelf niet delen. Deze cellen worden terminally differentiated genoemd. Ze zijn ontstaan uit stamcellen en hebben zich in een aantal stappen gespecialiseerd. Na deling van de stamcel ontstaan twee dochtercellen. Deze kunnen een stamcel worden of zich ontwikkelen tot een gespecialiseerde cel. Wanneer de dochtercel zich gaat ontwikkelen wordt de cel eerst een proliferating precursor cel, die zich daarna verder ontwikkelt tot gespecialiseerde cel.

Elk stamcelsysteem heeft controle mechanismen nodig om zeker te maken dat nieuwe cellen worden geproduceerd op de juiste plaats en in de juiste hoeveelheden. De controles hangen af van moleculaire signalen die worden uitgewisseld tussen stamcellen, hun nakomelingen en de omliggende weefsels. Wnt eiwitten zijn hier een voorbeeld van. Wnt eiwitten zijn signaalmoleculen die ervoor zorgen dat stamcellen en precursor cellen in een ontwikkelende staat blijven wanneer zij zich in de crypte bevinden. De cellen in de crypte produceren zelf deze eiwitten en bevatten de receptoren om deze te binden. Hierdoor stimuleren zij zichzelf om te blijven delen. De eiwitten zijn alleen werkzaam in de crypte van het darmepitheel doordat de producerende cellen ook stoffen produceren die ervoor zorgen dat de Wnt eiwitten buiten de crypte niet werkzaam zijn.

Embryostamcellen (ES cellen) kunnen zich nog tot elke type cel ontwikkelen en worden dus pluripotent genoemd. Deze stamcellen zouden gebruikt kunnen worden om beschadigde weefsels te herstellen.

Er zijn verschillende vormen van klonen:

• Reproductief klonen: het klonen van een heel multicellulair organisme.

• Therapeutisch klonen: uit ES cellen worden verschillende celtypen ontwikkeld die gebruikt kunnen worden voor weefselreparatie.

Karakteristieke eigenschappen van epitheelcellen

epitheelcellen komen in vele vormen voor. Hun gemeenschappelijke POLYHEDRAL vorm wordt veroorzaakt doordat zij dicht naast elkaar liggen in het weefsel. De kernvorm is meestal overeenstemmend met de vorm van de cel.

Epitheellagen liggen meestal boven bindweefsel (vaak het lamina propria genoemd in holtes). De lamina propria ondersteund niet alleen de epitheel laag, maar het biedt ook voedingstoffen aan en het bindt zich aan onderliggende structuren. De epitheel laag en de lamina propria worden met elkaar verbonden door papillae.

Epitheelcellen zijn polair: hun organellen en membraanproteïnen zijn ongelijkmatig verdeeld over de delen van de cel. Het gedeelte van de eptiheelcel dat gericht is naar de lamina propria, wordt de basale pool genoemd. Het tegenoverliggende gedeelte dat gericht is naar de holte, wordt de apicale pool genoemd. Het gedeelte van de cel dat aan andere epitheelcellen grenst, noeme we het laterale oppervlak.

De basale lamina is een laagje van extracellulair materiaal met een netwerk van fibrillen. Het is onder andere opgebouwd uit:

• Laminin: glycoproteïnen die een netwerklaagje vormen en interacties aan kunnen gaan met transmembraan eiwitten.

• Type IV collageen: vormen een netwerk.

• Entactin:glycoproteïnen die het collageen IV en het laminin met elkaar verbindt.

Deze onderdelen worden gesynthetiseerd en uitgescheiden door de epitheelcel. De basale lamina is gekoppeld aan het onderliggende bindweefsel door vezels van collageen III of VII. Deze eiwitten worden geproduceerd door cellen van het bindweefsel. Het laagje dat hierdoor ontstaat wordt de reticular lamina genoemd.

De basale lamina komt niet alleen voor bij epitheelcellen, maar ook op andere plaatsen waar verschillende weefsel met elkaar in contact komen. De basale lamina heeft vele functies:

• Een structurele scheidingsfunctie

• Een filtrerende functie

• Beïnvloeding van de cel polairiteit

• Regulering van celdeling en differentiatie door het binden van groeifactoren.

• Beïnvloeden van celstofwisseling en overleving

• Het organiseren van eiwitten in het aangrenzende plasmamembraan.

• Het biedt een weg voor celmigratie.

Het basale lamina lijkt de informatie te bevatten voor vele cel-cel interacties.

Junctions

Veel membraan gekoppelde structuren dragen bij aan de koppeling en communicatie tussen cellen. Deze junctions hebben verschillende functies:

• Het sealen van cellen, zodat er geen moleculen tussen de cellen door kunnen stromen (occluding/tight junctions)

• Cellen aan elkaar binden (adhesive en achoring junctions)

• Kanalen voor communicatie tussen aangrenzende cellen (gap-junctions)

Tight junctions vormen een netwerkband om de cel heen, die ervoor zorgt dat de membranen van omliggende cellen heel dicht tegen elkaar komen te liggen. Dit gebeurt door interacties tussen het transmembraan eiwit claudin op elke cel.
Tight junctions zorgen hiernaast ervoor dat de polairiteit van de epitheelcellen behouden blijft. Het voorkomt verplaatsing van membraanproteïnen van het basale vlak naar het apicale vlak en andersom. Hierdoor blijven de twee kanten van de cel hun verschillende functies behouden

Asherent junctions omcirkelen de cel ook en zorgen ervoor dat de cellen dicht bijeen blijven. De adhesie wordt veroorzaakt door de transmembraan eiwitten cadherins. Deze eiwitten kunnen alleen werken wanneer Ca++ aanwezig is. Cadherins binden aan eiwitten catenin, die linken aan actinefilamenten.

Desmosomen omringen de cel niet, maar zijn op bepaalde punten aanwezig. Cadherine-eiwitten van het ene plasmamebraan koppelen aan cadherine-eiwitten van het andere plasmamembraan. Binnen de cel koppelen deze eiwitten zich aan de intermediaire filamenten. Deze intermediaire filamenten zijn erg sterk, waardoor er een stevige binding tussen cellen ontstaat.

Gap-junctions zijn eigenlijk een soort kanalen die voorkomen op het laterale membraan van epitheelcellen. Connexins in beide membranen vormen samen een connexon. Deze bevatten een kleine hydrofiele porie, waardoor kleine moleculen kunnen verplaatsen (cAMP, cGMP, ionen).

De koppeling van epitheelcellen en de basale lamina gebeurt door hemidesmosomen. De binding komt tot stand door het transmembraaneiwit integrin. Dit eiwit heeft een bindingsplaats voor de extracellulaire macromoleculen: laminin en collageen IV.

Bloedvaten komen niet in het epitheel voor. De voedingsstoffen worden daarom vanuit de onderliggende bindweefsellaag via diffusie naar het epitheel gevoerd.

Het cytoskelet

Het cytoskelet is een complex netwerk van microtubulus, microfilamenten (actine filamenten), intermediaire filamenten. Het cytoskelet handhaaft de vorm van de cel en speelt een belangrijk rol in beweging binnen de cel en van de cel.

Microtubuli
α en β tubulin vormen samen een dimeer. Deze dimeren worden aaneengekoppeld tot protofilamenten. Meerdere protofilamenten worden vervolgens tot een cilinderachtige microtubuli gebonden. De polymerisatie van tubulins wordt geregeld door MTOCs (microtubule organizing centers). Deze bevatten γ-tubulin ringcomplexen, die dienen als bindingplaats voor de polymerisatie,

De specifieke oriëntatie van α en β tubulin (om en om gerangschikt) leidt tot een structurele polariteit van de microtubuli. De microtubuli bevat een min en een plus eind. Aan het plus einde kan polymerisatie en dus groei plaatsvinden, De lengte en positie van de microtubuli varieert sterk gedurende verschillende celfase. De microtubuli groeien vanuit het centrosoom.

Microtubuli komen voor in heel het cytoplasma, maar zijn vooral rond de kern sterk geconcentreerd. Ze stabiliseren de celvorm en vormen wegen voor transport binnen de cel. Dit transport wordt gestuurd door motoreiwitten. Het motoreiwit kinesin transporteerd van min naar plus eind. Dyneins doen dit in tegengestelde richting.

Microfilamenten (actine filamenten)

Actinefilamenten zijn dunne polymeren van actine, georganiseerd in een dubbele helix. Ook deze filamenten zijn polair. Aan het plus eind worden subunits toegevoegd en aan het min eind worden subunits verwijderd.

Actine filamenten vormen een dun netwerk vlak onder het plasmamembraan van de cel. Deze filamenten zijn betrokken bij de vervorming en beweging van de cel. Samentrekkende activiteit van cellen wordt veroorzaakt door interacties tussen actinefilamenten en myosine.

Intermediaire filamenten

Intermediaire filamenten zijn stabieler dan actinefilamenten en microtubuli. De subunits waaruit de intermediaire filamenten worden opgebouwd, verschillen per celtype. De vier subunits vormen colloïde tetrameren, die bij elkaar worden gekoppeld tot een kabel.

bijlage_week_4_gzc1.pdf

Week 5

Hoorcollege 1

Een primaire tumor ontstaat op een bepaalde locatie en is vaak goed behandelbaar. Een secundaire tumor ontstaat na metastase. De kankercellen van de primaire tumor verspreiden zich door het lichaam, waar door er ook op andere plekken tumoren ontstaan.. Een tumor ontstaat uit 1 cel. Deze cel is vaak een stamcelachtige cel. De kankercel ontstaat door een bepaalde mutatie, die ervoor zorgt dat een stamcel alleen maar dochtercellen produceert die zich niet differentiëren, maar alleen maar blijven delen. Deze cellen zijn pluripotent. Een andere optie is dat deze stamcel alleen maar stamcellen als dochtercellen produceert. Het gevolg is een ongeremde groei, waardoor een tumor ontstaat.
Er zijn twee soorten tumoren, goedaardige (= beligne) en kwaadaardige (=maligne). Het verschil daartussen is dat de kwaadaardige tumor in het omringende weefsels infiltreert en niet meer gelokaliseerd is. Behandeling is veel moeilijker, omdat de kankercellen door het lichaam worden verspreid via de bloedvaten en/of lymfevaten. Hierdoor ontstaan er op verschillende plaatsen tumoren. De weg naar een metastaserende tumorcel is als volgt. Eerst is het een beginnende, goedaardige tumorcel. Deze gaat zich veelvuldig delen, waardoor een goedaardige tumorcel ontstaat. Nu ontstaat er in een of meerdere cellen een mutatie waardoor ze door de basale lamina heen kunnen dringen. Zij produceren bepaalde enzymen die de basale lamina plaatselijk afbreken, waardoor de tumorcellen in het onderliggen weefsel kunnen infiltreren. Om zich verder te kunnen verspreiden moeten deze cellen in staat zijn hun junctions los te laten en moeten zich kunnen bewegen door het bindweefsel. Als dit het geval is kunnen deze cellen ook in debloedvaten of de lymfevaten infiltreren. Wanneer de kankercellen in staat zijn afweerreacties te ontwijken, kunnen zij zich op andere plaatsen in het lichaam vestigen. Er treedt extravasatie op, dit is uittreding van kankercel buiten de vaten en angiogenese (groei bloed –en lymfevaten). Hierdoor kan er een nieuwe tumor ontstaan op een andere plek.

Een tumorcel bestaat niet alleen uit kankercellen, maar daarnaast ook uit immuun cellen, fibroblasten (cancer assistent fibroblasts) en endotheelcellen. Deze gaan een interactie met elkaar aan binnen de tumor waardoor een zeer complex geheel ontstaat. Zo zorgen de fibroblasten in een tumor er voor dat er bloedvaten worden gevormd, zodat de kankercellen worden voorzien in voedingsstoffen en zuurstof. Ook onderdrukken zij het immuunsysteem.

Helaas zijn veel tumoren pas in een laat stadium te ontdekken. Er zijn al ongeveer 10⁸ cellen ontstaan (diameter ± 5 mm), voordat de tumor zichtbaar is in de X-ray. Vervolgens is een tumor bij ongeveer 10⁹ cellen voelbaar (diameter ± 20-50 mm) en al bij 10¹² cellen gaat de patiënt dood. Doordat tumoren pas in een laat stadium worden ontdekt, past men zeer agressieve therapieën toe, namelijk snijden, branden (radiotherapie) en vergiftigen (chemotherapie). Het grote nadeel is dat hierdoor ook goede cellen ook worden aangetast.

Ras: moleculaire schakelaar in signaaltransductie, waarbij GAP en GEF activerende en inactiverende aanknopingspunten zijn van Ras. Ras staat aan als GTP gebonden is, GEF helpt daarbij door GDP uit het Ras te halen, waardoor GTP kan binden. GAP stimuleert de afsplitsing van een fosfaatgroep, waardoor GTP verandert in GDP en Ras zo uitschakelt. Bij een gemuteerd Ras-eiwit blijft de schakelaar aanstaan door een blokkade bij de GTP-hydrolyse. Een geactiveerd Ras-eiwit activeerd een groot geheel aan cel processen die onder andere invloed hebben op het vesicle transport, de calcium signaalroute, overleving van de cel, deling en organisatie van het cytoskelet.

Kanker is een ziekte van signaaltransductie, zowel in tumorcellen als in omliggend weefsel. Er zijn verschillende mutaties in het DNA van cellen die zorgen voor het verlies van de functie van een bepaald eiwit of een overproductie van een bepaald eiwit. Beide kunnen de vorming van tumoren tot gevolg hebben. Mogelijke defecten in het DNA die leiden tot kankercellen zijn:

• Puntmutaties (gain-of-function of loss-of-function) voorbeeld: puntmutatie in Ras, zodat dit actief blijft.

• Amplificaties (gain-of-function) er is sprake van vermeerdering. meerdere kopieën van een bepaald gen aanwezig , waardoor meer eiwitten worden geproduceerd dan normaal.

• Deleties (loss-of-function) stukje van het gen voor een bepaald euwit verwijderd, waardoor deze niet meer goed geproduceerd wordt.

• Translocaties (gain-of-function, loss-of-function) stukjes chromosomen worden op de locatie van een ander chromosoom geplakt. Voorbeeld: het philadelphia-chromosoom: klein stukje van chromsomen 9 en 22 hebben gewisseld. Hierdoor wordt er een abnormaal fusie-eiwit geproduceerd .In dit geval ontstaat daardoor chronische myeloide leukemie, doordat de fusie het ABL-gen constant actief is.

• (De) –Methylering (veranderde genexpressie)

C-Myc gene (oncogenic transcription factor): Belangrijke transcriptiefactor bij embryonale ontwikkeling voor bijvoorbeeld de productie van stamcellen. Myc: transcriptiefactor die als het ware de stamcelstatus aanhoudt. Dit is bij kanker gereactiveerd.

Deleties vaak het ontbreken van tumorsurpressorgenen. Bij tumorsupressorgenen moet je beide allelen verliezen om het gen uit te schakelen. Wanneer een persoon al een gemuteerd gen van een bepaalde tumorsuppressor bezit, is zijn kans op kanker vergroot. Al zijn cellen bezitten namelijk al één gemuteerd gen. Er hoeft nu alleen maar een mutatie plaats te vinden in het nog goede gen, waardoor een tumor zal ontstaan. Deze mensen hebben dus een verhoogde kans op kanker.

Fusie-gen: een nieuw ontstaan gen, door menging van de genen, waardoor ook een nieuw eiwit ontstaat. Voorbeeld: BCR-ABL. ABL is tyrosine kinase die celdeling aan kan zetten. Normaal is er een stukje in het ABL-gen dat het tyrosine kinase domein remt. Door binding van BCR aan dat stukje, kan dit niet meer ABL remmen, waardoor tyrosine kinase aan blijft staan met continue celdeling als gevolg. Gleevec is een remmer van de kinase activiteit van BCR-ABL. Sommige andere kinases kunnen óók daardoor worden geremd, waardoor andere soorten kankers dan CML (chronic myeloid leukemia) aangepakt kunnen worden.
Een probleem van Gleevec is dat resistentie van BCR-ABL kan ontstaan door mutaties in de kankerstamcellen. Gleevec kan dan niet meer binden aan BCR-ABL. Een tweede remmer, allosterische remmer, wordt op een andere plek dan de active site toegevoegd.
Uitdagingen om kanker beter te kunnen behandelen:

• Kritieke verschillen vinden tussen tumorcellen en normale cellen

• Het tumorgedrag en interactie met andere cellen begrijpen

• Geschikte proefdiermodellen ontwikkelen die aansluiten bij de mens

• Moleculen ontwikkelen die specifiek tumorcellen aanpakken

• In elke patiënt oorzaak van de tumor vinden en aanpakken

Hoorcollege 2

Vormen van groei

• normale groei: van kind tot volwassene, normale cel vervanging en herstel van weefselschade.

• aangepaste groei: hypertrofie, hyperplasie, atrofie, metaplasie

• autonome groei: tumorgroei

Hypertrofie: een orgaan wordt groter doordat de individuele cellen groter worden. Dit kan het gevolg zijn van een fysiologisch aspect, zoals bij sporters, of van een pathologisch aspect, zoals vergroting van het hart bij een constant verhoogde bloeddruk.

Hyperplasie: toename van orgaanvolume doordat het aantal cellen groter wordt. Dit is bijvoorbeeld waar te nemen in de baarmoeder bij zwangerschap, de lymfeklieren bij ontsteking en het beenmerg bij een zware bloeding,

Atrofie: afname van celvolume door fysiologische of pathologische oorzaken. Dit kan het gevolg zijn van een fysiologisch aspect, zoals bij het verdwijnen van embryonale structuren, en van een pathologisch aspect, zoals malnutritie en denervatie.

Metaplasie: reversibele verandering van celtype, in principe om te veranderen in een celtype dat beter bestand is tegen de ontstane “stress-situatie”. Voorbeeld: door nicotine verandert cilindrisch epitheel in de bronchus in plaveiselepitheel. Distale oesophagus: o.i.v. maagzuur verandert het plaveiselepitheel in cilindrisch epitheel.

Autonome celgroei
Oncologie: Leer van tumoren (=gezwel)/neoplasmata

neoplasie: nieuwvorming

Niet alle vormen van kanker geven een tastbaar gezwel, bijvoorbeeld leukemie.

Niet alle tastbare zwellingen zijn vormen van kanker, bijvoorbeeld een ontsteking.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen goedaardige en kwaadaardige tumoren, Deze zijn door een aantal kenmerken van elkaar te onderscheiden,

Kenmerken van goedaardige tumoren zijn:

• scherp begrensd, meestal een kapsel

• groeien expansief: langzaam uitbreiden

• lage groeisnelheid

• zelden necrotisch

• goede differentiatiegraad. Differentiatie: in hoeverre lijkt het tumorweefsel nog op het originele weefsel? Slechtst gedifferentieerd: anaplasieonherkenbaar weefsel

• geringe cel/kern atypie

• geringe mitotische (=delings) activiteit

• niet destructief

• geen metastasen

kenmerken van kwaadaardige tumoren zijn:

• zijn onscherp begrensd en hebben meestal geen kapsel

• groeien infiltratief

• hebben een hoge groeisnelheid

• Zijn soms necrotisch

• hebben een matige tot slechte differentiatiegraad

• tonen sterke cel/kern atypie

• tonen hoge mitotische activiteit

pleomorfie/anisomorfie/polymorfie: veel variatie in kerngrootte en vorm.

polymorfie: verschillend van grootte
anisomorfie: verschillend van vorm

hyperchromasie: kernen zijn donkerder van kleur doordat er meer DNA is.
verandering van cel/cytoplasma ratio

nucleoli: normaal gesproken zijn nucleoli niet zichtbaar onder de lichtmicroscoop. Alleen bij weefsel dat veel RNA aanmaakt wel zichtbaar (veel celdeling dus).

Naamgeving tumoren

Tumoren worden genoemd naar het weefsel waar het uit ontstaat. Er wordt gekeken naar het celtype en de manier waarop die cellen samenhangen.

bind –of steunweefselgezwel

bind –en steunweefsel: bot (osteo-), kraakbeen (chondro-), bindweefsel (fibro-), vet (lipo-).

goedaardige groeiwijze: -oom

kwaadaardige groeiwijze: -sarcoom (bij bind –en steunweefsel) –carcinoom (bij epitheel)

Metastasering kan op verschillende manieren gebeuren

• direct via lichaamsholten, bijvoorbeeld bij ovariumcarcinoom

• lymfogeen, bijvoorbeeld mammacarcinoom

• hematogeen: via de bloedbaan naar andere plaatsen in het lichaam om daar verder uit te groeien

Goedaardige tumoren groeien niet invasief, dus groeit niet uit in het omliggende weefsel en is niet destructief, dus geen aantasting van omliggende structuren. Ze maken geen metastase en de naamgeving gaat meestal uit van het achtervoegsel –oom.

Uitzonderingen in naamgeving, namelijk wél maligne:

lymfoom: kanker in de lymfeklier

mesothelioom: kanker rond de longen

melanoom: kanker in melanocyten in plaveiselcellen. (nevus=goedaardige moedervlek)

huidtumoren: plaveiselcelcarcinoom, melanoom, basaalcelcarcinoom.

basaalcelcarcinoom ontstaat in het stratum basale en de cellen zijn pluripotent. Normaal gesproken groeien de cellen omhoog naar plaveiselcelepitheel. Uit de pluripotente cellen ontstaat het basaalcelcarcinoom, groei is omlaag in de vorm van adnexen.
Basaalcelcarcinoom bevat epitheliale velden, basaloide cellen: blauwige cellen die een rijtje vormen aan de rand van het tumorveld (=perifere pallisadering). Daarnaast ontstaan er rare splijtruimten om het tumorweefsel heen.

Basaalcelcarcinoom metastaseert niet, maar kan wel overal doorheen groeien. Het is wel een kwaadaardige tumor, maar van de huidtumoren het minst erg.

Samenvatting verplichte stof week 5: Kanker

De mechanismen, die de vernieuwingsprocessen van de cel controleren kunnen fout gaan, waardoor de structuur van weefsel wordt aangetast. Kanker ontstaat door afwijkingen in het normale cel gedrag. Door een genetische verandering kan de cel ongecontroleerd delen en in leven blijven, terwijl dit eigenlijk niet moet. Ondertussen ontstaan er veel dochtercellen met dezelfde genetische verandering. Er ontstaat een uitbreidend gezwel van delende cellen, die het weefsel verstoort.

Kankercellen hebben twee karakteristiekeerfelijke eigenschappen:

1. Zij en hun nakomelingen delen zich ongecontroleerd;

2. Ze migreren naar andere weefsels en vormen daar nieuwe tumoren.

Het is de combinatie van deze eigenschappen die uiteindelijk letaal kan zijn. Als een cel alleen de eerste eigenschap heeft, ontstaat een gezwel door ongeremde deling. Dit gezwel blijft echter op een bepaalde plek. in het weefsel Het wordt daarom een goedaardige tumor genoemd, ofwel benigne. Goedaardige tumoren kunnen vaak met een chirurgische ingreep worden verwijderd.
Een tumor veroorzaakt alleen kanker als zowel eigenschap 1 als 2 aanwezig is. Dan kunnen dekankercellen zich uit zaaien naar andere weefsels. Cellen van kwaadaardige (maligne) tumoren breken los van de primaire tumor en verplaatsten zich via bloed- of lymfevaten naar andere delen van het lichaam. Hier vormen zij secundaire tumoren, ofwel metastasen. Hoe verder de kanker is uitgezaaid, hoe moeilijker het te behandelen is.

Er zijn veel factoren van invloed op het ontstaan van kanker. Veel van de factoren die kanker kunnen veroorzaken, komen uit de omgeving. De belangrijkste invloedfactor is het roken van tabak, wat niet alleen longkanker veroorzaakt maar ook de kans verhoogt op vele andere soorten kanker.

Kanker is hoofdzakelijk een genetische ziekte: het ontstaat als gevolg van pathologische veranderingen in de informatie, die gedragen wordt door het DNA. Het verschil met andere genetische ziektes is dat mutaties die kanker tot gevolg hebben vaak somatische mutaties zijn. Dat wil zeggen dat het mutaties zijn die ontstaan in individuele cellen van het volwassen lichaam. Kanker wordt meestal veroorzaakt door mutagenen: stoffen of straling die mutaties veroorzaken. Er isMaar ook zonder mutagenen kan kanker ontstaan, omdat mutaties ook spontaan voorkomen door fouten tijdens DNA replicatie en repair.
Er ismeer dan een enkele mutatie nodig om een normale cel in een kankercel te veranderen. Verschillende mutaties stapelen zich vaak geleidelijk op.Daarom komt kanker voornamelijk voor bij oudere mensen.

Veel menselijke kankercellen zijn genetisch instabiel, doordat bepaalde mutaties ertoe leiden dat DNA replicatie en repair niet goed verloopt. Er kunnen bijvoorbeeld fouten optreden in de replicatie-, repair-, controle- en checkpointprocessen van de celcyclus. Hierdoor ontstaan er sneller, steeds meer mutaties.

De mutaties die leiden tot kanker geven cellen een competitief voordeel boven andere cellen. Hierdoor kunnen cellen zich goed delen en verspreiden binnen een weefsel. Dit voordeel wordt veroorzaakt door verschillende eigenschappen van kankercellen:

1. Verminderde afhankelijkheid van signalen van andere cellen voor groei, overleving en deling. Vaak komt dit door mutaties in delen van de signaleringswegen. Een mutatie in het Ras gen zorgt bijvoorbeeld voor een permanent signaal voor celdeling, die normaal van buitenaf zou moeten komen.

2. Verminderde gevoeligheid voor apoptose. Door mutaties in genen die het intracellulaire dodingprogramma reguleren. Hierdoor kunnen de beschadigde cellen niet geprogrammeerd worden gedood. Het p53 gen is een deel van het checkpoint mechanisme dat het DNA op beschadigingen controleert. Normaal gesproken zorgt het ervoor dat een cel stopt met delen of dood gaat wanneer het DNA beschadigd blijkt. Wanneer p53 defect is, blijft de cel met beschadigd DNA delen en overleven.

3. Ongecontroleerde en eindeloze celdeling. De meeste cellen kunnen slechts een bepaald aantal keer delen voordat ze onwerkzaam worden, doordat telomeren te kort worden. Het enzym telomerase kan door mutaties de productie van telomeren stimuleren, waardoor de celdeling geen limiet heeft.

4. Genetische instabiliteit.

5. Abnormaal invasief, vaak door een gebrek aan moleculen die de cellen aan elkaar binden.

6. Deling en overleving in andere lichaamsweefsels. Normaal overleven cellen niet in vreemde weefsels, maar door mutaties kunnen ze zich daar ontwikkelen tot metastasen.

Bepaalde mutaties maken een bepaald eiwit hyperactief. Deze mutaties hebben een dominant effect: één gen moet gemuteerd zijn om problemen te veroorzaken. Het gemuteerde gen wordt dan oncogeen genoemd. De correspondeerde normale gen wordt proto-oncogeen genoemd. Mutaties kunnen proto-oncogenen veranderen in oncogenen.

Andere mutaties vernietigen de functie van het gen (een bepaald product kan niet worden gevormd. Hiervoor moeten wel beide allelen van het gen geïnactiveerd/aangetast zijn om effecten waar te nemen. Deze genen worden tumor suppressor genen genoemd..

Oncogenen en suppressor genen kunnen in vele verschillende soorten voorkomen afhankelijk van het gen dat aangetast is. Deze mutaties kunnen betrekking hebben op groeifactoren, receptoren, intracellulaire signaleringsstoffen, DNA-repair eiwitten, DNA schade controleurs (p53), regulatoren van de celcyclus of apoptose.

Hoe beter we kanker begrijpen, hoe beter we het kunnen behandelen. De behandeling van kanker is echter erg moeilijk, omdat kankercellen veranderlijk zijn door mutaties. Hierdoor kunnen zij snel resistentie ontwikkelen tegen bepaalde behandelingen. Daarnaast is elke soort kanker anders, omdat de mutaties random plaatsvinden. Dus één behandeling zal nooit alle kankergevallen kunnen behandelen. Als laatste wordt een kankergezwel vaak pas ontdekt wanneer het al een diameter van 1 cm heeft en zich al heeft uitgezaaid.

Tot nu toe is het wegsnijden van het gezwel de meest effectieve behandeling. De kanker moet dan niet uitgezaaid zijn. Een andere manier om tumorcellen te doden is radio- of chemotherapie. Hierdoor wordt DNA van vooral tumorcellen beschadigd. Met mogelijke nieuwe behandelingen hopen we meer effectieve behandeling voor kanker te verkrijgen.

Neoplasie

Neoplasie betekent nieuwe groei. Tegenwoordig noemen we dit ook wel een tumor: abnormale en ongecontroleerde groei van het weefsel. Door genetische veranderingen blijven kankercellen delen en worden zij onafhankelijk van externe stimuli. Toch blijven tumoren afhankelijk van voeding en bloedtoevoer. Oncologie is de studie van tumoren en gezwellen. Een tumor is goedaardig wanneer deze zich niet verspreidt. Deze tumoren kunnen vaak chirurgisch verwijderd worden. Kwaadaardige tumoren worden gezamenlijk aangeduid als kanker. Deze tumoren kunnen zich verspreiden en daardoor andere weefsels aantasten. Wanneer kwaadaardige tumoren vroegtijdig ontdekt worden, kunnen zij vaak goed worden behandeld.

Met differentiatie wordt hier bedoeld in welke mate neoplastische parenchymcellen lijken op de overeenkomstige normale parenchymcellen. Goedaardige tumoren bestaan uit goed gedifferentieerde cellen, waardoor deze moeilijk te herkennen is al een tumor. Alleen de groei van deze cellen is karakteristiek voor neoplastische aard. Mitose verloopt normaal, maar komt erg weinig voor. Kwaadaardige tumoren worden gekarakteriseerd door vele verschillende gedifferentieerde neoplastische parenchym cellen: zowel sterk gedifferentieerd als helemaal niet gedifferentieerd. Goed gedifferentieerde kankercellen lijken normaal, waardoor ze niet goed herkend kunnen worden. Niet goed gedifferentieerde kankercellen noemen we anaplastisch. Het gebrek aan differentiatie gaat vaak samen met andere morfologische veranderingen: Pleomorfisme: De cellen van hetzelfde gezwel zijn niet gelijk in grootte en vorm.

• Abnormale nucleaire morfologie: De kern bevat soms meer chromatine. Daarnaast is de kern vaak vergroot en onregelmatig gevormd. De chromatine zijn geklonterd langs en membraan en er zijn grote nuclei aanwezig.

• Mitose: in tegenstelling tot goed gedifferentieerde tumorcellen komen er in ongedifferentieerde tumorcellen veel mitosen voor. Hierdoor is de proliferatie activiteit verhoogd. De mitose van kankercellen wordt vaak gekarakteriseerd door bizarre mitose figuren.

• Verlies van polariteit: de oriëntatie van anaplastische cellen is aanzienlijk verstoord. Ze groeien in een ongeorganiseerde structuur.

Metaplasie is het vervangen van een bepaald type cel door een ander type cel. Deze aanpassing gaat bijna altijd samen met weefselbeschadiging, reparatie en regeneratie. Het vervangende celtype is vaak meer geschrikt voor de veranderde omgeving.

Dysplasie betekent letterlijk ongeordende groei. Dit leidt tot verlies van uniformiteit van de afzonderlijke cellen in het weefsel. Dysplastische cellen vertonen veel pleomorfisme en vergrootte hyperchromatische kernen. Er komen meer, maar wel normale mitosefiguren voor. Dysplasie komt vaak voor in metaplastische epithelia.

Hoe meer een tumorcel gedifferentieerd is, hoe beter het weefsel zijn functie kan behouden. Zeer anaplastische cellen verliezen hun gelijkenis met de normale weefselcellen. Vaak daalt hierdoor de functionele activiteit van het weefsel.

De moleculaire basis van kanker

Carcigonese wordt veroorzaakt door op zichzelf niet dodelijke genetische schade. Dergelijke mutaties worden verkregen door milieu invloeden, zoals chemicaliën, straling en virussen. Mutaties kunnen echter ook spontaan ontstaan. Een tumor wordt gevormd door de uitbreiding van een precursor cel met genetische schade.

Normaal gesproken wordt de celgroei/deling gereguleerd door vier klassen regulerende genen. Deze genen zijn de voornaamste eiwitten die bij genetische schade lijden tot kanker:

• Groeibevorderende proto-oncogenen
  mutaties van proto-oncogenen zijn dominant, omdat één gemuteerd allel leidt tot transformatie ondanks de aanwezigheid van een normaal allel.

• Groei remmende tumor suppressor genen
  mutaties van tumor suppressor genen zijn recessief. Beide allelen moeten gemuteerd zijn om tot transformatie te leiden. Er zijn echter uitzonderingen: bij mutatie van één allel wordt soms de activiteit van de betrokken eiwitten verminderd. Hierdoor wordt cel proliferatie en overleving minder geremd. Verlies van gen-functie door beschadiging van een enkel allel noemen we haploinsufficiëntie. Hieruit blijkt dat er soms twee intacte allelen nodig zijn voor goede gen-functie.

• Genen voor geprogrammeerde celdood (apoptose)
  Deze genen kunnen zich gedragen als proto-oncogenen of als tumor suppressor genen.

• Regulerende genen voor DNA-herstel
  mutaties in DNA-repair genen leiden niet direct tot transformatie van cellen. Door deze mutaties neemt het vermogen om schade aan het DNA te repareren af. Hierdoor kunnen er wijdverbreide mutaties ontstaan en dus ook neoplastische mutaties.

Carcinogenese is een complex proces als gevolg van meerdere mutaties. Kwaadaardige tumoren worden gekenmerkt door: overmatige groei, het lokale invasieve karakter en het vermogen om metastase te vormen. In bepaalde perioden kunnen tumoren agressiever zijn. Dit verschijnsel wordt aangeduid as tumorprogressie. Verhoging van de kwaadaardigheid wordt veroorzaakt door meerdere mutaties die onafhankelijk accumuleren in verschillende cellen. Hierdoor ontstaan subklonen die verschillend groeien, uitzaaien en op therapie reageren. Tijdens deze progressie worden tumorcellen blood gesteld aan immune en non-immune selectiedruk. Sterk antigene cellen worden bijvoorbeeld vernietigd door het afweersysteem. Hierdoor blijven cellen in de groeiende tumor over die bedreven zijn in overleving, groei, invasie en metastase.

In de afgelopen jaren zijn veel kankergeassocieerde genen ontdekt. Deze hebben een specifieke functie die bij ontregeling bijdragen aan het ontstaan van maligniteit. De zeven belangrijkste veranderingen in een tumorcel zijn:

• Zelfvoorziening in de groeisignalen: tumorcellen kunnen groeien zonder externe stimuli, meestal door oncogen activatie.

• Ongevoeligheid voor groei-remmende signalen: tumorcellen reageren niet op moleculen die een remmende werking hebben op de proliferatie (zoals groeifactor β, en remmers van cycline-afhankelijke kinasen)

• ontwijking van apoptose: tumoren kunnen resistent zijn tegen geprogrammeerde celdood als gevolg van inactivering van p53 of activering van anti-apoptose genen.

• Onbeperkte replicatie potentieel: tumoren kunnen onbeperkt prolifereren en vermijden cellulaire veroudering.

• Steunen van angiogenese: tumorcellen kunnen ook niet groeien zonder vorming van vasculaire toevoer, zodat voedingstoffen en zuurstof kunnen worden geleverd en afvalstoffen kunnen worden afgevoerd.

• Vermogen om binnen te dringen en te metastaseren: kankercellen kunnen zich uitzaaien naar andere weefsels.

• Defecten in DNA-repair: tumoren kunnen DNA schade veroorzaakt door carcinogenen niet herstellen. Hierdoor ontstaat instabiliteit van genen. Doordat mutaties blijven voorkomen, ontwikkelen verschillende soorten cellen. Sommige varianten worden meer bedreven in het ontwijken van het afweersysteem en zijn daardoor agressiever.

Bovenstaande veranderingen worden gezien in kanker, maar de precieze pathways die aanleiding geven tot deze kenmerken verschillen. De mate van aanwezigheid van mutaties in kankergenen worden bepaald door de werkzaamheid van DNA-reparatie mechanisme en beschermeden mechanisme zoals apoptose. Ook senescentie (veroudering) blijkt een belangrijke barrière te zijn voor oncogenen proliferatie. Er zijn ook fysieke grenzen voor tumoren. Voedingstoffen en zuurstof moeten worden toegevoerd en afvalstoffen afgevoerd (angiogenese). Verder worden epithelia gescheiden van andere weefsels door een basaal membraan. Als de kanker wil uitzaaien moet deze extracellulaire matrix worden afgebroken.

Oncogenen

Oncogenen zijn genen die de autonome celgroei in kankercellen stimuleren. Hun nog ongemuteerde tegenhangers worden proto-oncogenen genoemd. Door mutaties in proto-oncogenen ontstaan oncogenen, waardoor de celgroei wordt gestimuleerd. De eiwitproducten van oncogenen zijn niet afhankelijk van externe groeisignalen. Hierdoor wordt de celgroei autonoom.

Onder normale omstandigheden verloopt de cel proliferatie als volgt:

1. De binding van een groeifactor aan een specifieke receptor.

2. Tijdelijke activatie van de receptor, die signaaleiwitten activeren in de cel.

3. Overdracht van het signaal richting de kern door een cascade van signaalmoleculen.

4. Activering van de transcriptie-regulatoren en synthese van celcyclus-eiwitten.

5. Voortgang van de celcyclus, resulterend in celdeling.

Proto-oncogenen reguleren cellulaire functies met betrekking tot groei en proliferatie. De eiwitten functioneren als: groeifactoren, groei-receptoren, signaaltransducers, transcriptie factoren of celcyclus-eiwitten. Mutaties zetten proto-oncogenen om in permanent actieve oncogenen.

Normale cellen hebben externe groeisignalen nodig om proliferatie te ondergaan. Deze groeisignalen worden door een bepaalde cel uitgescheiden on naburige cellen te stimuleren. Sommige kankercellen kunnen echter door een mutatie zelf de groeifactor waar zij op reageren, produceren (autocriene lus).
Vaker worden eiwitten die betrokken zijn bij de signaaloverdracht gemuteerd (zoals RAS). Hierdoor ontstaat over-expressie van groeifactorgenen in de cel. Veel oncogenen zijn groeifactorreceptoren. Meestal zijn dit transmembraaneiwitten die extracellulair aan een groeifactor kunnen binden en intracellulair een tyrosinekinase domein hebben. Normaal gesproken wordt het kinase tijdelijk geactiveerd en activeert deze door fosforylering verschillende signaalsubstraten. De gemuteerde receptoren leveren continu signalen, zelfs zonder aanwezigheid van een groeifactor. Groeifactor-receptoren kunnen in een tumor constant geactiveerd worden door verschillende mechanismen, zoals mutaties, overexpressie en gen-herschikking.

Cytoplasmatische Signaaleiwitten

Signaaleiwitten in de cel nemen signalen van receptoren over en brengen deze over naar de celkern. Een belangrijk signaaleiwit is de RAS familie van guanine-trifosfaat G-eiwitten. Een puntmutatie in het RAS gen is de meest voorkomende afwijking in tumoren. RAS wordt geactiveerd door binding van een groeifactor aan een receptor in het plasmamembraan. Hierdoor wordt GDP (inactief) vervangen door GTP (actief). Normaal gesproken kunnen de RAS-eiwitten vervolgens weer overschakelen naar een inactieve stand door fosforylering van GTP. Geactiveerd RAS stimuleert een cascade van proliferatie regulatoren.

De cyclus van het RAS eiwit is dus afhankelijk van twee reacties:

• vervanging van GDP door GTP: RAS wordt actief

• omzetting van GTP in GDP door hydrolyse: RAS wordt inactief

Deze twee processen worden gereguleerd door andere eiwitten. Het vervangen van GDP door GTP gebeurt door Guanine nucleotide-releasing eiwitten (GAP). GTPase stimuleert de omzetting van RAS naar inactieve vorm.

Puntmutaties verminderen de GTPase activiteit van RAS. Een gemuteerd RAS eiwit blijft hierdoor actief, omdat GTP niet omgezet kan worden in GDP.

Non-receptoren tyrosinekinasen

Mutaties die oncogenen activiteit veroorzaken, komen ook voor in non-receptoren tyrosinekinasen. Deze tyrosinekinasen reguleren normaal gesproken de pathways die celgroei reguleren. Bepaalde mutaties, chromosomale translocaties en gen-herschikkingen maken deze tyrosinekinasen constant actief. Hierdoor krijgt de cel een verhoogde kinase activiteit. Daarnaast kunnen er mutaties optreden in domeinen, die normaal gesproken de activiteit in bedwang houden. Ook hierdoor ontstaat een verhoogde activiteit van het kinase.

Transcriptie factoren
Veel van bovengenoemde pathways resulteren uiteindelijk in het activeren van transcriptiefactoren, die de transcriptie van bepaalde groeibevorderende genen reguleren. Transcriptie factoren bevatten een specifieke aminozuursequentie, waardoor zij in staat zijn om met genen in het DNA te binden. Tumoren kunnen ontstaan ten gevolge ven mutaties in deze transcriptiefactoren.

Cycline afhankelijke kinase

Door groeibevorderende stimuli worden cellen uiteindelijk opgenomen in de celcyclus. Tumoren kunnen autonoom groeien als celcyclus-reguleerden eiwitten ook gemuteerd zijn. De fase overgangen in de celcyclus worden gereguleerd door cycline afhankelijke kinase (CDKs). De CDK-cycline complexen activeren eiwitten die cruciaal zijn voor een bepaalde fase. Vervolgens neemt de concentratie cycline weer snel af. Door mutaties in cycline en CDKs wordt de cel proliferatie bevorderd.

Cycline activeren CDKs, terwijl hun inhibitoren (CDKIs) de CDKs inactiveren. De familie van CDKIs bestaat uit drie eiwitten: p21, p27 en p57. Deze remmen CDKs. De INK$ familie bestaat uit p15, p16, p18 en p19. Deze hebben effect op cycline. Expressie van deze remmers, beïnvloed de voortgang van de celcyclus. Mutatie van deze genen kan ertoe leiden dat de celcyclus niet meer geremd kan worden.

Twee belangrijk checkpoints in de celcyclus zijn: de G1/S overgang en de G2/M overgang. Bij de G1/S overgang wordt gecontroleerd of er geen DNA-beschadigingen aanwezig zijn. Als er schade aanwezig is, wordt de celcyclus vertraagd, zodat de schade gerepareerd kan worden. Als de schade niet herstelt kan worden, wordt de cel aangezet tot apoptose. Door deze checkpoint wordt voorkomen dat beschadigd DNA wordt gerepliceerd. Het G1/S checkpoint wordt gereguleerd door p53 die de celcyclus inhibitor p21 synthetiseert. De G2/M overgang controleert de voltooiing van DNA-replicatie.

Defecten in celcyclus componenten zijn belangrijke oorzaken van genetische instabiliteit van kankercellen.

Tumor suppressor genen

Het falen van groeiremmers is één van de basis veranderingen in het proces van carcinogenese. Enerzijds drijven oncogenen de proliferatie van cellen aan, anderzijds remmen tumor suppressor genen dit proces. Deze tumor suppressoren, zoals p53 en RB, herkennen genotoxische stres en remmen vervolgens de proliferatie. Uiteindelijk kunnen deze pathways de cel aanzetten tot apoptose. Wanneer suppressor genen worden gemuteerd, kan dit leiden tot het ontstaan van kanker.

Afwijkingen in het RB-eiwit ontstaan wanneer beide allelen zijn aangetast. Normaal gesproken activeert het RB-eiwit een nucleaire fosfor-eiwit, dat belangrijk is voor de regulatie van de celcyclus. RB is van belang voor de G1/S checkpoint. In rustende cellen in RB actief door hyperfosforylering (veel fosfaat). Het kan binden aan E2F-transcriptiefactoren. Dit complex met histonen bindt aan de promotor, waardoor transcriptie niet kan plaatsvinden. Hierdoor wordt proliferatie geremd. RB wordt inactief door hypofosforylering (weinig fosfaat gekoppeld) na activering van CDKs. E2F komt hierdoor vrij en bindt aan het DNA. Hierdoor wordt transcriptie geactiveerd en wordt de proliferatie niet langer geremd. Door mutaties in RB kunnen E2F-transcriptiefactoren altijd binden aan het DNA en wordt de transcriptie niet meer geremd.

Het p53 gen is het meest voorkomende doeleiwit van mutaties in tumoren. Beide allelen moeten gemuteerd raken om tot een kwaadaardige tumor te kunnen leiden. P53 werkt als een controle eiwit die verspreiding van genetische schade voorkomt. Het is een transcriptiefactor die reageert op DNA-beschadigingen. P53 voorkomt neoplastische veranderingen door drie mechanisme:

• Activering van tijdelijke rust in de celcyclus

• Inductie van permanente rust. De cel verlaat de celcyclus (veroudering = senescentie).

• Aansturen van geprogrammeerde celdood (apoptose).

Bij DNA-schade wordt p53 geactiveerd als transcriptiefactor. Dit leidt tot de transcriptie van vele genen, die de cel in een rustfase brengen of tot apoptose aansporen. De transcriptie van het eiwit p21 remt cycline-CDK complexen en remt de fosforylering van RB. Hierdoor komt de cel in een kleine pauze om het DNA te herstellen. De transcriptie van andere eiwitten stimuleren repair-pathways. Wanneer het DNA hersteld is, neemt de concentratie p53 af en kan de cel verder in de celcyclus. Wanneer reparatie niet lukt, ondergaat de cel permanente rust (veroudering) of apoptose.

Verlies van de functie van p53 leidt ertoe dat DNA-schade niet gerepareerd wordt. Hierdoor gaan mutaties zich ophopen en blijven cellen zich delen ondanks de schade. Dit leidt tot kwaadaardige tumoren.

APC/β-catenine route

APC en β-catenine zijn componenten van de WNT-signaalroute. In rustende cellen vormt β-catenine een complex met APC. Dit leidt tot afbraak van β-catenine, waardoor de concentratie verlaagd wordt. WNT-moleculen binden aan receptoren in het plasmamembraan. Hierdoor worden de APC/ β-catenine complexen uit elkaar gehaald. De concentratie β-catenine stijgt in het cytoplasma en β-catenine wordt naar de kern gevoerd. Hier bindt het aan transcriptiefactoren, waardoor uiteindelijk eiwitten voor celcyclusprogressie worden gesynthetiseerd.

Wanneer APC gemuteerd of afwezig is, kan de vernietiging van β-catenine niet optreden. De cellen gedragen zich daardoor alsof ze constant gestimuleerd worden door de WNT-route. Er vindt constant proliferatie plaats.

Apoptose

Apoptose is een reactie op verschillende aandoeningen aan cellen, die kunnen leiden tot disfunctie of maligniteit. In kankercellen wordt de apoptose bemoeilijkt, omdat deze cellen minder gevoelig worden voor apoptose-signalen. Daarnaast kunnen er mutaties zijn in eiwitten die apoptose aansturen (p53).

Er zijn twee programma’s die apoptose kunnen activeren.

• Extrensieke pathway
  geactiveerd door externe signaalmoleculen die binden aan een doodreceptor.

• Intrensieke pathway
  geactiveerd door stress die ontstaat na DNA-schade. Onder invloed van p53.

Belangrijk voor apoptose zijn de pro-apoptotische eiwitten BAX en BAK. Deze stimuleren direct de permiabilisatie van het buitenste mitochondriale membraan, er worden poriën geopend, waardoor cytochroom c in het cytosol lekt. Hierdoor wordt caspase 9 geactiveerd. De zustereiwitten van BAX/BAK, namelijk BCL, remmen de activiteit van BAX en BAK.

Sommige tumoren voorkomen apoptose door het remmen van caspase 9 met IAPs. Daarnaast komt het voor dat caspase helemaal niet geactiveerd kan worden.

Telomerase

Normale cellen kunnen 60 tot 70 keer verdubbelen. Daarna worden zij uit de celcyclus gehaald en worden zij senescent. Dit proces wordt veroorzaakt door de verkorting van de telomeren, te korte telomeren worden herkend door DNA-repair eiwitten, waarna de celcyclus wordt gestopt. Tumorcellen ontwijken deze celveroudering. Het enzym telomerase is extra geactiveerd, waardoor de DNA telomeren constant verlengd kunnen worden.

Angiogenese

Tumoren kunnen niet groter dan 1 tot 2 mm worden zonder dat zij gevasculariseerd worden, De tumorcellen hebben aanvoer van voedingstoffen en zuurstof nodig en afvoer van afvalstoffen. Kankercellen kunnen neo-angiogenese stimuleren, waardoor nieuwe bloedvaten worden gevormd in het gezwel. Deze angiogenese is later van belang voor metastase.

Metastase

Invasie en metastase zijn kenmerkend voor kwaadaardige tumoren. Zij zijn de belangrijkste oorzaak vaan kanker-gerelateerd overlijden. De metastase kan worden ingedeeld in twee fase:

• Invasie van de extracellulaire matrix
  weefsels zijn van elkaar gescheiden door een extracellulaire matrix, het basaalmembraan en de bindweefsel laag. Tumorcellen moeten interacties aangaan met deze lagen om naar andere weefsels te komen. Hierbij wordt de extracellulaire matrix deels afgebroken door enzymen die de tumor uitscheidt (protease) Vervolgens verplaatsen de tumorcellen zich door de afgebroken extracellulaire matrix.

• Verspreiding via bloedvaten, lymfe of lichaamsholten.
  binnen de circulatie hebben tumorcellen de neiging om samen te klonteren. Dit verhoogt de overleving van de tumor. De plaats waar de circulerende tumor zich vestigt, hangt af van de plaats van de primaire tumor. Metastasen uit de prostaat vestigen zich bijvoorbeeld vaak in het bot.

Moleculaire basis van multistep carcinogenese

Kanker ontstaat dus door langdurige opeenvolging van mutaties. De mutatie van APC gebeurt vroeg in het proces en verlies van p53 treedt later op. De timing van andere wijzigingen is variabel. Verschillende mutaties zijn nodig om de totale eigenschappen van een tumorcel te verkrijgen.

bijlage_week_4_gzc1.pdf