Cellen - livets fantastiske fabrikk

Alle dyr og planter er bygget opp av celler. Cellen er den minste funksjonelle biologiske enheten og definerer hva liv er. En fungerende celle er levende. Alle levende organismer består av en eller flere levende celler. Livet finnes i mange former, fra bakterier til planter og dyr, og det gjenspeiles i hvordan cellene ser ut og fungerer.

Cellen er omsluttet av cellemembranen, en hinne, som effektivt avgrenser livet på innsiden fra miljøet på utsiden. Cellen kan i stor grad selv regulere hva som slippes inn og ut gjennom cellemembranen. Næringsstoffer som trengs til energiforbruk og som råmaterialer tas inn, og biologiske makromolekyler og avfallsstoffer skilles ut. Cellen er som en liten fabrikk, og produserer i første rekke det som trengs for å holde fabrikkhjulene i gang og for å fornye deler som trengs å skiftes ut. Fabrikken vedlikeholder seg selv og kan raskt endre produksjon etter behov. Alle oppskriftene på det som produseres i fabrikken er kodet i cellens arvestoff – genomet. Ved behov dannes nye fabrikker ved at en fabrikk deler seg i to, celledeling. Når en celle deler seg i to tilsvarende datterceller, mitotisk celledeling, kopieres først arvestoffet slik at hver dattercelle får sin egen kopi. Deretter deles alle cellens bestanddeler i to og fordeles likt mellom de to nye cellene. Det fantastiske er at alt som trengs for å bygge og drive fabrikken ligger i fabrikken selv. Det trengs ikke hentes inn tegninger fra arkitekt, byggingeniører til byggingen, eller produksjonsutstyr og arbeidere. Alt er allerede beskrevet i cellens gener, arvestoffet. Ved hjelp av energi og råstoffer setter fabrikken i gang å lage en kopi-fabrikk. 

I enkle organismer som bakterier er oppskriftene i arvestoffet, genene, og fabrikkens produksjonslinje relativt enkelt oppbygd. I bakterier er genomet lett tilgjengelig. Det består av en lang sammenhengende tråd laget av nukleinsyren DNA. Alle genene, eller oppskriftene, er skrevet i kode etter hverandre langs tråden. Hvert gen begynner med et startsignal og ender i et stoppsignal. Når oppskriften skal brukes, kopieres koden fra start til stopp over til en annen type nukleinsyre, RNA. Til slutt oversettes RNA til  protein. I høyerestående organismer som består av flere celler, slik som hos mennesket, er oppskriftene i arvestoffet mer omfattende og fabrikkens evne til å produsere mer avansert. Grunnprinsippene er de samme, men kraftig videreutviklet. Det produseres spesialiserte celler som bruker ulike deler av arvematerialet. Arvestoffet i de ulike cellene, som nerve- og muskelceller, er det samme, men cellene er forskjellige og utfører ulike oppgaver. Slik kan en enkelt befruktet eggcelle dele seg og gi opphav til en organisme med mange ulike vev og celletyper. 

Immunforsvaret - tre forsvarslinjer mot inntrengere 

Immunforsvaret er kroppens forsvarsverk mot inntrengere og fremmede organismer som virus, bakterier og parasitter. Inntrengere som er skadelig for organismen og gir sykdom er patogene (”gir sykdom”). Den første forsvarslinjen mot fremmede organismer er kroppens overflater, huden og slimhinnene (figur 2A). Huden består av flere lag, og i det øverste hornlaget danner epitelceller en barriere. Sekresjon av olje og svette fra huden har en lav pH som gjør det mindre attraktivt for mikroorganismer å vokse. Kroppens indre overflater, som i tarm og lunge, er også beskyttet. Her danner epitelcellelaget slimhinner som skiller kroppens ytre og indre miljø.

Kroppens andre forsvarslinje trer først i kraft når inntrengeren har krysset epitelbarrieren, for eksempel ved sårskade i huden, eller når virus infiserer celler i luftveien ved forkjølelse. Denne forsvarslinjen består av hvite blodlegemer, fagocytter, som kan ”spise” andre celler (figur 2B).  Ved skade på kroppen iverksettes en immunrespons. Molekyler frigis fra skadede celler og gir økt blodgjennomstrømning og lekkasje fra blodårene og inn i vevet ved skadestedet. Dette er lett å se i og med at område raskt blir rødt og hovent. Molekylene som frigis tiltrekker seg fagocytter. Fagocyttene beveger seg fra blodbanen og ut i vevet der de spiser opp mulige patogene mikroorganismer. I tillegg har kroppen en rekke proteiner, kalt komplement systemet, som fester seg til og ”merker” mikroorgansimene slik at de er lettere å finne og ødelegge. Den første og andre forsvarslinjen er uspesifikk og er en del av et kontinuerlig forsvar mot inntrengere. Nobelprisen i medisin for 2011 ble tildelt tre forskere som studerte immunforsvaret. To av disse, Bruce A. Beutler og Jules A. Hoffmann, fikk prisen for sentrale oppdagelser av deler av den andre forsvarslinjen. De beskrev proteinene Toll og Toll-lignende-reseptor, og hvordan disse proteinene varsler den andre forsvarslinjen i immunforsvaret. Toll og Toll-lignende-reseptor er reseptorer på cellens overflate. De gjenkjenner molekyler som bare finnes hos mikroorganismer. Ved binding til Toll og Toll-lignende-reseptor aktiveres immunforsvaret og hindrer infeksjon. 

Den tredje forsvarslinjen er det adaptive immunforsvaret (figur 2C). Ordet adaptiv betyr tilpasset. I motsetning til de andre forsvarslinjene er denne delen av immunforsvaret basert på mobilisering. Det trer først i kraft ved behov. Denne delen av immunforsvaret er mer spesifikt. Forsvaret er innrettet spesielt mot den aktuelle inntrengeren. De viktigst komponentene i denne forsvarslinjen er lymfocyttene, en type hvite blodlegemer, og antistoffene de produserer. Utviklingen og bruken av dette systemet er beskrevet under.

Det adaptive immunforsvaret - alltid i beredskap

Immunforsvarets to første forsvarslinjer beskrevet over er alltid i funksjon. De er slått på hele tiden, selv om immunresponsen iverksettes først etter skade. Den tredje forsvarslinjen ligger i beredskap. Det vil si at den aktiveres og trer i funksjon først ved behov. Hvordan kan kroppen klare å ha en beredskap som potensielt virker mot alt av inntrengere, men samtidig retter seg kun mot en spesifikk inntrenger ved aktivering?

Den første delen av svaret ligger i god overvåking. I kroppen lages det hele tiden nye proteiner for å bygge opp vev og celler. Det er også en stadig resirkulering ved at celler dør og brytes ned, slik at materialene kan brukes på nytt. I denne kontinuerlige resirkuleringen er det et eget system som sørger for å vise frem biter av cellens molekyler ute på celleoverflaten hvor de kan møte antistoffer. 

Immunforsvaret bruker helt spesielle proteiner; antistoffer, T-cellereseptorer og Major Histocompatibility Complex (MHC) I & II proteiner til å overvåke kroppen. I blod og lymfe har vi antistoffer som kan gjenkjenne fremmede inntrengere. Antistoffene er viktige i det humorale (del av blod eller andre kroppsvæsker) adaptive immunforsvaret. Antistoffene produseres av B-lymfocytter, en spesiell type hvite blodlegemer. Hver B-lymfocytt vil produsere ett unikt antistoff. Cellene som blir til B-lymfocytter i immunforsvaret kan endre deler av sitt DNA-molekyl. DNA som koder for antistoffet reorganiseres og varierer fra celle til celle. Resultatet er at antistoffer har noen deler som kan variere veldig, hypervariable områder. Disse områdene ligger ytterst på antistoffets to grener (se figur 4). 

Variasjonen gjør at kroppens en million B-lymfocytter alle kan ha forskjellige antistoff. Kroppen kan dermed ha opptil en million forskjellige antistoffer. Et antistoff gjenkjenner og binder til en del av et protein eller annet molekyl. Det antistoffet gjenkjenner kaller vi antigen. Kroppens antistoffer kan altså potensielt gjenkjenne en million forskjellige antigen. Når B-lymfocyttene dannes, er det ikke klart hvilket antigen denne B-lymfocytten vil binde. Først etter at B-lymfocyttene har produsert antistoffet, tester kroppen ut hvilket antigen antistoffet gjenkjenner. Immunforsvaret skal virke mot fremmede proteiner. Derfor ”kastes” alle B-lymfocytter med antistoff som kjenner igjen et av kroppens egne proteiner. Med andre ord, B-lymfocytter med antistoffer som gjenkjenner kroppens proteiner dør. 

B-lymfocyttene med antistoff som ikke kjenner igjen noen av kroppes proteiner, sirkulerer rundt i blod og lymfesystemet ”på jakt” etter ”sitt” antigen. Når en fremmed organisme kommer inn i kroppen, vil deler av denne eller det den produserer møte B-lymfocyttene. Dette møte kan skje direkte i blodbanene, men også ved at fagocytter eller andre celler tar opp den fremmede organismen og presenterer biter av den på celleoverflaten. Hvis kroppen har en B-lymfocytt med antistoff som passer til antigen fra den fremmede organsimen, går alarmen. Cellen med det riktige antistoffet begynner å dele seg, og produksjonen av det spesifikke antistoffet øker. 

En annen type immunforsvarsceller, T-lymfocytter eller T-celler, er viktig for det cellebaserte adaptive immunforsvaret. T-celler finnes som to typer, enten ”hjelpe”- eller ”drepe”celler. T-”hjelpe”celler hjelper B-lymfocytter å produsere antistoffer. T-”drepe”celler kan angripe og ”drepe” virusinfiserte celler, men er avhengig av aktivering. Den tredje nobelsprisvinneren i medisin for 2011, Ralph M. Steinman, fikk prisen for sitt arbeid med dendritiske celler og deres rolle i aktivering av T-celler i det adaptive immunforsvaret. Dendritiske celler presenterer intracellulære inntrengere, som virus, for T-celler. Når virus tar seg inn i kroppens celler, ødelegger immunforsvaret infiserte celler for å begrense videre spredning av viruset. Immunforsvaret bruker T-celler til dette. Dendritiske celler aktiverer T-celler som så kan ødelegge virusinfiserte celler. For aktivering og funksjon av T-”drepe”cellene er binding mellom MHC-proteinene på de dendritiske cellene og T-cellereseptoren (på overflaten av T-cellene) viktig. Etter å ha blitt aktivert kan T-”drepe”cellen ødelegge virusinfiserte celler.   

Antistoffer - "search and destroy"

Antistoffer er Y-formede proteiner hvor de to ”grenene” binder til antigen. Grenene er de hypervariable eller antigenbindene områdene. Antistoffene er selektive. Hvert enkelt antistoff binder til ”sitt” antigen. Hvis vi har mange nok antistoffer, vil vi ha et antistoff mot hvert eneste protein eller polysakkarid som finnes.   

Generell antistoffstruktur. Endene på de to “armene” til det Y-formede antistoffet (merket gult) kan binde antigen fra for eksempel bakterier eller virus. Disse endene er veldig varierte. Dette gjør at antistoffene kan gjenkjenne mange millioner fremmede strukturer. En B-lymfocytt produserer antistoff med en bestemt struktur i det antigenbindende setet. Man kan beskrive det som at antigenet er nøkkelen som passer i låsen. Et annet antigen, f. eks det som er merket rødt, vil ha en annen struktur og vil ikke bli gjenkjent av dette antistoffet. Figuren er hentet fra http://en.wikipedia.org/wiki/Antibody Generell antistoffstruktur. Endene på de to “armene” til det Y-formede antistoffet (merket gult) kan binde antigen fra for eksempel bakterier eller virus. Disse endene er veldig varierte. Dette gjør at antistoffene kan gjenkjenne mange millioner fremmede strukturer. En B-lymfocytt produserer antistoff med en bestemt struktur i det antigenbindende setet. Man kan beskrive det som at antigenet er nøkkelen som passer i låsen. Et annet antigen, f. eks det som er merket rødt, vil ha en annen struktur og vil ikke bli gjenkjent av dette antistoffet. Figuren er hentet fra http://en.wikipedia.org/wiki/Antibody

Antistoffer er helt avgjørende for det adaptive immunforsvaret. Kroppen vet ikke på forhånd hvilke antistoffer den vil får bruk for, men ved å ha et stort utvalg av antistoffer vil den ha ett eller flere antistoffer som gjenkjenner de fleste inntrengerne. Når kroppen kommer i kontakt med en fremmed organisme, vil de antistoffene som gjenkjenner antigener fra den fremmede organismen masseproduseres. Dette er mobiliseringen av det adaptive immunforsvaret. Masseproduksjonen av de utvalgte antistoffene skjer ved at B lymfocyttene med det riktige antistoffet deler seg, og det blir mer av de ”riktige” antistoffene. T celler som hjelper til med dette kalles T ”hjelpe” celler. Antistoffene sirkulerer i kroppen hvor de binder de seg til den fremmede organismen og ”merker” denne for å bli ødelagt eller fagocytert (spist) av andre celler. 

Immunforsvarets primær og sekundær respons - vi glemmer aldri!

Når angrepet er over, reduseres antallet B lymfocytter. Noen beholdes som ”hukommelsesceller” og vil raskt kunne starte celledeling og produksjon av antistoff mot den samme inntrengeren. Det adaptive immunforsvaret har derfor to responser. Første gang kroppen utsettes for en infeksjon fra en inntrenger, velges de riktige antistoffene ut. Dette kalles primær respons. Etter primær responsen beholdes noen B lymfocytter og T celler. Ved senere infeksjoner av samme inntrenger benyttes ”hukommelsescellene” og responsen er raskere og kraftigere. Dette er sekundær respons. I praksis blir man derfor bare syk ved den første infeksjonen, mens man er immun mot sykdommen senere. Dette gjelder ved for eksempel barnesykdommer som vannkopper. 

Det er det samme prinsippet man utnytter ved vaksinering. En vaksine inneholder antigener fra en fremmed organisme. I vaksinen er hele eller deler av den fremmede organismen svekket slik at den ikke er i stand til å gi sykdom. Vaksinen gir kroppen mulighet for å velge ut antistoffer uten å gi sykdom eller infeksjon. Etter å vært gjennom den første immunresponsen ved vaksinering, vil man raskt produsere antistoffer hvis man senere infiseres av den fremmede organismen. Man unngår å bli syk. Vaksinering utnytter kroppens immunforsvar til å gi bedre beskyttelse og unngå sykdom. Dette gir bedre helse for den enkelte, men begrenser også potensielt farlige sykdommer i befolkningen. Hvis mange nok er vaksinert, er det ikke lenger noen som har sykdommen og kan smitte andre. Utfordringen i forhold til vaksiner er å finne antigener som ikke gir sykdom, er billige, enkle å masseprodusere, og som samtidig gir effektiv beskyttelse.   

Antistoffer i laboratoriet - verktøy i helse og forskning

Antistoffene er utrolig spesifikke og kan derfor brukes til å finne ”nåla i høystakken”. Dette utnytter vi på laboratoriet ved å bruke antistoffer til å påvise et bestemt protein i en biologisk prøve. 

I et medisinsk laboratorium er det viktig å påvise proteiner i en pasient prøve, blod- eller urinprøve, for å bekrefte eller avkrefte sykdom. Bruken av ELISA for å påvise HIV er et slikt eksempel. Dette gjennomgås i et eget kursopplegg (se hefte ”Fysiologien til mennesket”). I en dopingkontroll vil vi påvise rester av forbudte stoffer, også her kan vi bruke antistoffer. I forskningslaboratoriet er vi også interessert i å påvise proteiner. I tillegg vil vi ofte bruke antistoffene for å lære mer om proteinet, f.eks. hvor det er i kroppen og hva det gjør. 

Western blotting kombinerer to måter å analysere proteiner på. I det første trinnet, SDS PAGE, skiller man alle proteinene etter størrelse. SDS PAGE står for Sodiumdodecylsulfat polyacrylamid gelelektroforese. Først tilsettes proteinblandingen et såpelignende stoff, sodiumdodecylsulfat (SDS). Dette stoffet finner du ofte i shampoer og dusjsåper. Det hjelper til å løse proteiner. Samtidig tilfører det negativladning slik at proteinet beveger seg fra negativ til positiv pol i et elektriskfelt. Vi lar proteinene bevege seg i en gel av polyakrylamid (gelektroforese). Polyakrylamiden danner et nett som bremser proteinet i sin vandring gjennom det elektriske feltet. Proteinene må tre seg gjennom porene eller maskene i nettet. Dette er lettere for mindre proteiner, og de kommer raskere frem og ender derfor lengre ned i gelen. De store proteinene blir hengene fast øverst i gelen. Resultatet er spredning av proteinene etter størrelse, de minste nederst og de største øverst.

I det andre trinnet skal vi bruke antistoff til å påvise et bestemt protein i blandingen. Siden proteinene nå er spredt etter størrelse nedover i gelen, må vi få de ut av gelen for å kunne påvise dem med antistoff. Den korteste veien ut av gelen er sidelengs, opp fra overflaten. Vi legger en membran rett på gelen. Siden proteinene fortsatt har SDS og er negativt ladet, kan vi sette på strømmen med positiv pol på andre siden av membranen. Strømmen trekker proteinene ut av gelen og over på membranen hvor de blir hengende fast. Dette kalles blotting. Proteinene overføres til membranen. Deretter legger vi membranen i en løsning med antistoff som gjenkjenner proteinet vi skal studere. Antistoffet binder til proteinet og blir sittende når vi skyller membranen.

Deretter bruker vi en løsning med enda et antistoff. Dette sekundære antistoffet gjenkjenner antistoffet som allerede sitter på membranen. Det sekundære antistoffet har bundet til seg et enzym. Enzymet omdanner et fargeløst substrat til et lilla produkt som feller ut. 

Fargeforandring på membranen viser oss proteinet. Hvis vi har proteinet i prøven, vil vi se det som et mørkt bånd på membranen. Hvis båndet ligger langt nede, er det et lite protein, hvis det ligger høyt oppe er det stort. Kombinasjonen av antistoff og SDS PAGE påviser proteinet i prøven og forteller hvilken størrelse det har. Med andre ord får vi mer informasjon enn i en ELISA, og vi kan være sikre på at proteinet vi er ute etter faktisk er i prøven. Dette brukes også i HIV-testing (hvor det er viktig at man er sikker!). Hvis man har en positiv ELISA, dvs. antistoffene gjenkjenner noe i blodprøven, utfører man et western blot etterpå. Hvis proteinstørrelsene stemmer, kan man med sikkerhet si at personen er smittet. Det samme brukes i en rekke andre diagnostiske tester. Diagnose er å finne ut av eller bestemme en pasients sykdom eller lidelse.

Kilder

Molecular Biology of the Cell 3rd edition, Alberts et al. Garland Science, New York
Biology 4th edition, Campbell, Benjamin Cummings Publishing Company, California
Immunobiology – The immune system in health and disease 3rd edition, Janeway et al., Garland Publishing, New York and Current Biology Ltd., London