8.3 Apoptose og celledød

Programmert, styrt celledød. Cellen avvikler seg selv etter et fastlagt mønster, uten at innholdet slipper ut i vevet.

Kjennetegnene, i den rekkefølgen de opptrer: cellen krymper, kromatinet klumper seg langs kjernemembranen, DNA-et kuttes regelmessig, og cellen deles opp i små, membrankledde blærer som naboceller og opprydningsceller tar opp.

De to trekkene som gjør den til noe annet enn en ulykke: apoptose krever energi — det er en aktiv prosess — og den gir ingen betennelse, fordi membranen holder tett hele veien.

Hvor kroppen bruker den: i utviklingen av fosteret, i den daglige utskiftingen av celler, og til å fjerne celler med skade som ikke lar seg reparere.

Celledød etter en ytre skade cellen ikke tåler. Cellen svulmer, membranen ryker, og innholdet lekker ut i vevet.

Kjennetegnene: økt volum i stedet for krymping, membranbrudd, tilfeldig nedbryting av DNA — og som regel at et helt område rammes, ikke enkeltceller.

Konsekvensen som er hele forskjellen: innholdet som lekker ut, gjenkjennes av immunforsvaret som et faresignal, og det oppstår betennelse.

Skillet mot naboen, formulert som én setning: apoptose er en planlagt avvikling der alt pakkes ned først; nekrose er et sammenbrudd der alt velter ut. Alle de andre forskjellene — energibehov, volum, betennelse, DNA-mønster — følger av denne ene.

De små, membrankledde blærene cellen deles opp i mot slutten av apoptosen. Hver blære har fortsatt intakt membran rundt seg.

Hvorfor de er nøkkelen til at det ikke blir betennelse: innholdet er aldri fritt i vevet. Det er pakket inn hele veien, fra cellen begynner å krympe til blærene er tatt opp av naboceller.

Poenget for en besvarelse: når oppgaven spør hvorfor apoptose ikke gir betennelse, er det disse legemene og den intakte membranen som er svaret — ikke at «apoptose er en snillere form for død».

At et bestemt fettstoff, som normalt bare finnes på membranens innside, flyttes ut på utsiden av cellen som gjennomgår apoptose.

Hva det brukes til: opprydningscellene gjenkjenner dette som et signal om at cellen skal fjernes, og tar den opp uten å utløse betennelsesrespons.

Hvorfor det er verdt et pluss-punkt: det viser at oppryddingen er en aktiv, gjenkjent prosess og ikke bare et fravær av søl. Cellen merker seg selv som ferdig, og naboene svarer på merkingen.

Det pro-apoptotiske proteinet som danner porer i mitokondrienes ytre membran når cellen får signal om å dø.

Plassering i kjeden: helt i starten, rett etter signalet. Bax er det som gjør at mitokondrien lekker.

Koblingen bakover: Bax er nettopp det p53 setter i gang produksjonen av når DNA-skaden er for stor til å repareres — den andre utgangen fra kap. 8.2.

Fellen: å bytte om Bax og Bcl-2. Bax fremmer celledød; Bcl-2 hemmer. Dette er den vanligste enkeltfeilen i sjangeren, og fordi de to navnene ligner, er det verdt å knytte dem til noe: Bax lager åpninger.

Det anti-apoptotiske proteinet som hindrer at Bax danner porer, og dermed holder cellen i live.

Hvordan balansen virker: Bcl-2 og Bax hører til samme proteinfamilie og motvirker hverandre direkte. Det er forholdet mellom dem, ikke mengden av det ene alene, som avgjør om cellen går i apoptose.

Konsekvensen som er verdt å skrive: en celle med for mye Bcl-2 er vanskelig å avlive, også når den burde vært det. En celle med for mye Bax dør lett. Dette er samme logikk som brems mot gasspedal i kap. 8.2, bare i en annen mekanisme.

Proteinet som normalt sitter mellom mitokondriens to membraner og deltar i energiproduksjonen — og som ved apoptose lekker ut i cytosol gjennom Bax-porene.

Den doble rollen som er verdt et pluss-punkt: samme molekyl har to helt ulike oppgaver, avhengig av hvor det befinner seg. Inne i mitokondrien er det en del av energiproduksjonen. Ute i cytosol er det et dødssignal.

Plassering i kjeden: ledd 3. Uten porene kommer det ikke ut, og uten cytokrom c i cytosol dannes ikke apoptosomet.

Proteinet i cytosol som binder cytokrom c, sammen med ATP, og som deretter bygger seg sammen til apoptosomet.

Hvorfor ATP-leddet er verdt å nevne: her ser du konkret hvorfor apoptose krever energi. Uten ATP dannes ikke apoptosomet, og kjeden stopper. En celle uten energi kan ikke gjennomføre programmert celledød.

Plassering i kjeden: ledd 4, mellom cytokrom c og apoptosomet.

Den store proteinstrukturen som dannes når flere APAF-1-molekyler med cytokrom c setter seg sammen.

Hva det brukes til: det er en plattform. Caspase-9-molekyler samles på den, kommer tett nok på hverandre til å aktivere hverandre, og kaskaden er i gang.

Prinsippet som går igjen: signalveier bruker stadig samlingssteder — vi så det samme med IRS og PIP₃ i kap. 8.1. Å bringe molekyler fysisk sammen er en av de vanligste måtene å slå på en prosess.

En familie av enzymer som kutter andre proteiner, og som er selve utøverne i apoptosen. De ligger klare i cellen som inaktive forstadier og aktiveres ved kutting.

To grupper:

- Initiatorcaspaser — starter kaskaden. Caspase-9 er initiatoren i den indre veien.
- Effektorcaspaser — utfører nedbrytingen av cellens strukturproteiner.

Det avgjørende trekket: aktiveringen skjer ved at proteinet kuttes, ikke ved fosforylering. Og et kutt kan ikke reverseres. Der en fosforylering kan fjernes av en fosfatase, er en aktivert caspase et punkt uten vei tilbake. Det er derfor apoptosen er en beslutning, ikke en justering.

Initiatorcaspasen i den indre veien. Den aktiveres på apoptosomet og aktiverer deretter effektorcaspasene.

Plassering i kjeden: ledd 6, rett etter apoptosomet og rett før effektorcaspasene.

Hvorfor navnet er verdt å huske presist: den ytre veien bruker en annen initiatorcaspase. Å oppgi caspase-9 som initiator i den indre veien er derfor et konkret poeng, ikke en detalj.

Caspasene som utfører selve nedbrytingen: de kutter cellens skjelettproteiner, kjernemembranens støttestruktur og en rekke andre mål.

Hva de også gjør, og som fører til det neste leddet: de aktiverer CAD, nukleasen som kutter DNA-et.

Hvorfor kaskaden forsterker kraftig: hvert aktiverte caspase-9-molekyl aktiverer mange effektorcaspaser, og hver av dem kutter mange målproteiner. Samme forsterkningsprinsipp som i signalveiene i kap. 8.1 — men her uten mulighet for å skru tilbake.

Enheten DNA-et er pakket i: en bit DNA kveilet rundt en kjerne av proteiner, med et kort, fritt stykke mellom hver enhet.

Hvorfor det nevnes her: avstanden mellom nukleosomene er regelmessig. Det er nettopp den regelmessigheten som gir DNA-fragmentene ved apoptose sine karakteristiske lengder.

Koblingen bakover: dette er de samme proteinene som får kjemiske merker i histonmodifikasjonen fra kap. 7.4. Samme struktur, to helt ulike sammenhenger.

Enzymet som kutter DNA under apoptosen. Det ligger inaktivt i cellen og aktiveres av effektorcaspasene.

Det avgjørende trekket: CAD kommer bare til i de korte, frie stykkene mellom nukleosomene. DNA-et som er kveilet rundt proteinkjernene, er beskyttet.

Konsekvensen: kuttene faller derfor med regelmessige mellomrom, og fragmentene får lengder som er multipler av avstanden mellom nukleosomene.

Det karakteristiske mønsteret som oppstår når DNA fra celler i apoptose sorteres etter lengde: en serie tydelige bånd med jevne mellomrom, som trinnene i en stige.

Hvorfor det ser slik ut, i tre ledd: (1) CAD kutter bare mellom nukleosomene; (2) avstanden mellom nukleosomene er regelmessig, rundt 200 basepar; (3) fragmentene blir derfor rundt 200, 400, 600 basepar og så videre — ikke en jevn fordeling av alle mulige lengder.

Kontrasten mot nekrose: der brytes DNA-et ned tilfeldig, og fragmentene får alle mulige lengder. Sorteres de etter lengde, gir det en jevn utsmøring i stedet for tydelige bånd.

Poenget for en besvarelse: mønsteret er et bevis på at kuttingen var styrt. Det er ikke en tilfeldig egenskap ved apoptose — det er et direkte avtrykk av hvordan DNA-et er pakket.

Den andre hovedveien inn i apoptosen: et signalmolekyl fra en annen celle binder en dødsreseptor på overflaten, og kaskaden settes i gang direkte fra innsiden av reseptoren.

Skillet mot den indre veien, i tre punkter:

At det er forholdet mellom pro- og anti-apoptotiske faktorer i samme proteinfamilie, ikke mengden av det ene alene, som avgjør om cellen går i apoptose.

Hvorfor det er en balanse og ikke en bryter: cellen mottar hele tiden signaler i begge retninger. Overlevelsessignaler holder Bcl-2 oppe; stress og skade skyver Bax opp. Utfallet er summen.

Koblingen til kap. 8.2: dette er samme logikk som brems mot gasspedal i cellesyklusen. En celle med for mye av den anti-apoptotiske siden er vanskelig å avlive, også når den burde vært det — og det er én av grunnene til at kontrollen av celledød hører hjemme i det samme kapitlet som kontrollen av celledeling.

Fordi caspaser aktiveres ved at proteinet kuttes, og et kutt i en aminosyrekjede kan ikke settes sammen igjen.

Kontrasten som gjør poenget tydelig: de fleste signalveier i cellen slås på ved fosforylering, og en fosfatase kan fjerne fosfatgruppen igjen. Slike veier er justerbare. Caspasekaskaden er det ikke.

Den generelle innsikten som er verdt å skrive i et essay: cellen har lagt beslutningen om liv eller død oppstrøms, i balansen mellom Bax og Bcl-2. Der kan den fortsatt justere. Når kaskaden først er utløst, er valget tatt.

At programmert celledød ikke bare fjerner skadede celler, men også former kroppen under utviklingen.

To eksempler: fingrene skilles ved at cellene i mellomrommene avvikles, og overskuddet av nerveceller som ikke finner riktig forbindelse, fjernes.

Poenget som er verdt å ta med: apoptose er den normale tilstanden i et vev under utvikling, ikke et unntak. Det er nettopp derfor mekanismen er så nøye kontrollert i begge retninger — for lite celledød er like problematisk som for mye.