Programmierter Zelltod. Apoptose, einfach erklärt

Inhaltsverzeichnis:

1) Allgemeines
1.1 Historisches
1.2 Definition und Auftreten von Apoptose
1.3 Apoptose und Nekrose

2) Caenorhabitis elegans als Modell
Analogien von C. elegans-Proteinen zu Säugerproteinen:

3) Steuerung, Regulation und apoptotische Signalwege
Die Caspasen

4) Der extrinsische Apoptoseweg
Hemmer des extrinsischen Signals

5) Der mitochondriale, intrinsische Signalweg
Die Bcl2-Proteinfamilie als Regulator des intrinsischen Signalwegs

6) Die IAPs

7) Extrazelluläre Signale
Überlebensfaktoren

8) Apoptose in Bezug auf Krankheiten

Literaturverzeichnis:

1) Allgemeines

1.1 Historisches

Die Geschichte der Erforschung der Apoptose reicht bis in das zweite Jahrhundert n. Chr. zurück. Ein römischer Arzt namens Gelenus Galen (129-199) beschrieb, dass sich gewisse Strukturen des Herzens im Zuge der Ontogenese durch programmierten Zelltod (Apoptose) zurückbilden. In der Neuzeit gilt Vesalius im Jahre 1564 als erster Verfasser einer solchen Arbeit. Später, im 17. und 18. Jahrhundert, wurde eine Vielzahl von Werken die sich mit der Strukturveränderung des Herzens beschäftigen publiziert. Rathke entdeckte 1825, dass auch die Föten von Säugetieren in ihrer Entwicklung vorübergehend Kiemenbögen besitzen. Antoine Louis Dugès lieferte eine präzise Beschreibung der Metamorphose von Kaulquappen. Im Zuge der fortschreitenden Entwicklung der Zellenlehre im 19. Jahrhundert, beschäftigten sich Wissenschaftler wie Vogt weiter mit dem Absterben von Zellen in Verbindung mit der morphologischen Entwicklung von Organismen. Im späten 19. Jahrhundert beschäftigte man sich vor allem mit Zelltod im neuronalen Bereich. Alfred Glucksmann führte 1951 das Absterben von embryonalem Gewebe auf den Tod einzelner Zellen zurück. John Kerr, Andrew Wyllie und Alastair Currie beobachteten toxinbehandelte Leberzellen die eine ähnliche morphologische Erscheinung aufweisen wie absterbende Embryonalzellen und prägten schließlich den Begriff Apoptose. Der Begriff setzt sich aus zwei griechischen Wörtern, apo (weg) und ptosis (Fall), zusammen und soll an das Herabfallen des Herbstlaubes erinnern.

1.2 Definition und Auftreten von Apoptose

Der Prozess der Apoptose, auch programmierter oder physiologischer Zelltod genannt, beschreibt das kontrollierte und oft genetisch bedingte Absterben einzelner Zellen. Das Ergebnis ist der "saubere" Abbau und schließlich die Entsorgung der Zell . Der Vorgang der Apoptose ist in der Evolution wohl konserviert und kann in allen Zellen eines vielzelligen Organismus und selbst bei Einzellern auftreten.

Die Apoptose spielt in den Entwicklungsphasen von vielzelligen Organismen eine wichtige Rolle in denen das planmäßige Absterben von Zellen von großer Bedeutung ist. Das Ausmaß des Zelltods im tierischen Gewebe kann erstaunlich hoch sein. Überflüssige und unerwünschte Zellen werden während der Embryonalentwicklung durch programmierten Zelltod eliminiert, doch oft scheint es eine Verschwendung zu sein, wenn man der Tatsache ins Auge blickt, dass viele der beseitigten Zellen völlig Gesund und in Takt gewesen wären. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist die Metamorphose der Kaulquappe zum Frosch, bei der der Schwanz der Kaulquappe apoptotisch beseitigt wird, da er beim adulten Tier unerwünscht wäre. Das Absterben der Haut zwischen den Fingern bei vielen Tieren, das maßgeblich für die Definition der Hände verantwortlich ist, wäre ein weiteres Beispiel. Auch bei der embryonalen Entwicklung und Ausbildung vom Zentralnervensystem muss eine Vielzahl der entstanden Neuronen durch Apoptose beseitigt werden um ein normales Gehirnwachstum zu gewährleisten. (Vgl. Eichhorst & Krammer 2003: 181ff)

Der programmierte Zelltod ist jedoch nicht nur in den Entwicklungsphasen eines Organismus essentiell. Auch die Gewebehomöostase (ein physiologischer Prozess, der für eine gleich bleibende Anzahl an Zellen in einem Organismus sorgt) wird von der Apoptose und von der Proliferation (Zellvermehrung) kontrolliert. Diese beiden Prozesse (Proliferation & Apoptose) werden von hemmenden und stimulierenden Faktoren reguliert, die in gelöster oder in gebundener Form wirken können. (Vgl. Jan Koolman 2003: 396)

Apoptose kommt auch z.B. im adulten Knochenmark des Menschen in äußerst hohen Raten vor. Dort werden sogenannte Neutrophile (eine Art weißer Blutkörperchen) gebildet. Eine große Anzahl von diesen Zellen stirbt durch Apoptose ohne jemals benötigt worden zu sein. Dieser Kreislauf mag nutzlos erscheinen, jedoch benötigt der Körper diese Reserve an kurzlebigen Neutrophilen, damit im Falle einer Infektion der Vorrat unverzüglich mobilisiert werden kann. (Vgl. Alberts et. al. 2011: 1263)

Zellen die durch Mutationen (z.B. Tumorzellen) oder virale Infektionen geschädigt sind werden durch Apoptose eliminiert um weitere Beschädigungen zu vermeiden. Der programmierte Zelltod ist durch einige morphologische Veränderungen gekennzeichnet: Veränderungen der Zellmembran, Schrumpfen des Nucleolus, Chromatin-Kondensation und durch Fragmentierung der DNA. Zudem lässt sich die Bildung von Membranvesikeln (sogenannte "Blebs") beobachten. Phagocytierende Zellen, wie z.B die Makrophagen, können apoptotische Zellen erkennen und sie durch Phagocytose entfernen, ohne dass es dabei zu Entzündungserscheinungen kommt. Tritt die Apoptose bei schadhaften Zellen nicht regelrecht ein, so kann dies zu einigen fehlerhaften Entwicklungen (unter anderem Krebs) führen.

1.3 Apoptose und Nekrose

Die Nekrose ist eine weitere Form des Zelltodes, die jedoch grundsätzlich von der Apoptose zu unterscheiden ist, da sie andere Eigenschaften aufweist. Nekrose wird zumeist durch physische oder chemische Schädigung von außen hervorgerufen. Optisch sind Apoptose und Nekrose unter dem Mikroskop leicht zu unterscheiden. Während es bei der Apoptose zum Schrumpfen und zum Abbau der DNA durch Endonukleasen in definierte Fragmente kommt, schwillt die Zelle bei der Nekrose an und die DNA löst sich auf und wird unkontrolliert (per Zufall) fragmentiert. Am Ende des Ausdehnungsprozesses Platz die Zelle und die Zellorganellen sowie Cytoplasma rinnen durch den Verlust der Membranintegrität (Beschädigung der Zellmembran) einfach in den Extrazellularraum aus, wo es anschließend (anders als bei der Apoptose) zu lokalen Entzündungsreaktionen kommt. Die Zellorganellen werden somit in kürzester Zeit zerstört und müssen anschließend durch Fresszellen endgültig aus dem Extrazellularraum beseitigt werden. Ein weiterer grundlegender Unterschied zwischen Apoptose und Nekrose ist die Tatsache, dass bei der Nekrose immer mehrere Zellen in einem Gewebe sterben, bei der Apoptose kommt es hingegen immer zum unabhängigen Tod einzelner Zellen. (Vgl. Koolman 2003: 396)

Unterschiede:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2) Caenorhabitis elegans als Modell

Die Entwicklungsbiologie lieferte erste genetische Grundlagen und Hinweise über Apoptose. Bei Untersuchungen des Fadenwurms C. elegans konnten mehrere Gene identifiziert werden, die entscheidende Funktionen im programmierten Zelltod inne haben. Von 1090 somatischen Zellen sterben während der Entwicklung des Wurms genau 131 von ihnendurch Apoptose. In jedem Embryo gehen hierbei exakt dieselben Zellen zugrunde. Drei Gene konnten durch Mutationssanalyse identifiziert werden, die in diesen Zellen die Apoptose regulieren. Die Gene ced-3 und ced-4 (ced = cell death defective) sind pro-apoptotisch und somit für die Ausführung des programmierten Zelltods wichtig, während ced-9 die beiden anderen hemmt und somit die Apoptose inhibiert. Später identifizierte man weitere Gene wie z.B. egl-1. Hierbei handelt es sich um ein Gen, das für das Apoptose-induzierende Protein EGL-1 codiert. Als man Analoge Proteine zu CED-3, CED-4, CED-9 und EGL-1 auch in Säugerzellen identifizieren konnte, wurde Caenorhabitis elegans zu einem Modellorganismus, um die Apoptosemechanismen zu erforschen.

Analogien von C. elegans-Proteinen zu Säugerproteinen:

- Das CED-3 Protein dient als Caspase (Protein-spaltendes Enzym) und entspricht Caspase 9 in Säugerzellen.
- Homolog zu dem Adapterprotein Apaf-1, das beim intrinsischen Signalweg in Säugerzellen das Cytochrom c bindet, ist beim Fadenwurm das CED-4.
- Das CED-9 Protein weist Homologien zu den Apoptosehemmern der Bcl-2-Familie in Säugerzellen auf, wie z.B. Bcl-2 und Bcl-XL.
- Das EGL-1 vom Fadenwurm hingegen ist wiederum Homolog zu den proapoptotischen Mitgliedern der Bcl-2-Familie, wie. z.B. Bax, Bak, Bad, Bim, Puma usw.. (Vgl. Ganten und Ruckpaul 2003: 182ff)

3) Steuerung, Regulation und apoptotische Signalwege

Die Apoptose ist ein äußerst komplexer Prozess, bei dem verschiedenste Proteine als "Akteure" Mechanismus der Apoptose eine essentielle Rolle spielen. Einige dieser "Akteure" sind Apoptose stimulierend, andere hemmen den Vorgang. Ob das Apoptosesignal stark genug ist und der Prozess schlussendlich in Gang gesetzt wird, hängt von dem Verhältnis zwischen den aktiven und inaktiven hemmenden und stimulierenden Stoffen ab. Man unterscheidet grundlegend und grob zwischen zwei verschiedene Signalwege (engl. Pathways) der Apoptose: Zum einen gibt es den rezeptorvermittelnden Weg, den sogenannten extrinsischen Weg (engl. "extrinsic pathway" oder "Typ1") bei dem die betroffene Zelle von einem extrazellulären Signalprotein, das an Todesrezeptoren bindet, zur Apoptose gebracht wird. Zum anderen gibt es den mitochondrialen Weg, den intrinsichen Weg (engl. "intrinsic pathway" oder "Typ2"), bei dem die Apoptose im Zellinneren ausgelöst wird. Die wichtigsten Regulatoren im Prozess des programmierten Zelltodes sind Proteinfamilien wie z.B die Caspase-Familie, Bcl2, IAPs und Genregulator-Proteine.

Die Caspasen

Die für die Apoptose verantwortliche intrazelluläre Maschinerie ist bei fast allen tierischen Zellen ähnlich. Die bedeutendsten Signalvermittler sind Cystein haltige Proteasen, die sich gegenseitig in bestimmter Reihenfolge, durch schneiden ihrer Zielproteine an spezifischen Asparaginsäuren, aktivieren.Aufgrund ihrer Eigenschaft nennt man diese Familie "Caspasen " (zusammengesetzt aus Cystein und Aspartat). In der Zelle werden Caspasen von inaktiven Vorläufern, den Procaspasen, synthetisiert. Dies geschieht durch proteolytische Spaltung an ein bis zwei spezifischen Asparaginsäuren der Zielproteine. Die Reaktion wird dabei von bereits aktivierten Caspasen katalysiert. Einmal aktivierte Caspasen schneiden und aktivieren weitere Procaspasen. Dadurch kommt es zu einer sich verstärkenden proteolytischen Kaskade, die das immer stärker werdende Apoptosesignal durch die Zelle leitet.

Doch nicht alle Caspasen vermitteln Apoptose. Das erste identifizierte Protein dieser Familie war das menschliche ICE (interleukin-1-cnverting enzyme), das an Entzündungsreaktionen beteiligt ist. Nach der Entdeckung von ICE konnte man zeigen, dass in C. elegans ein für die Apoptose erforderliches Gen für ein Protein codiert, das in Struktur und Funktion dem ICE stark ähnelt. Somit konnte man beweisen, dass Proteolyse und Caspasen maßgeblich am programmierten Zelltod beteiligt sind. Heute wissen wir, dass die meisten Caspasen an der Apoptose beteiligt sind und nur wenige von ihnen bei Immun-und Entzündungsreaktionen eine Rolle spielen.

Manche Prokaspasen wirken zu Beginn der proteolytischen Kaskade (z.B Caspase 8 & 10) und werden daher Initiator-Procaspasen genannt. Nach ihrer Aktivierung haben sie die Aufgabe sogenannte nachgelagerte Effektor-Procaspasen zu spalten und zu aktivieren, damit diese wiederum weitere Effektor-Procaspasen und weitere Zielproteine spalten und aktivieren und die Kaskade somit vorantreiben. Die Auslösung der einzelnen Caspasen nacheinander geschieht immer in bestimmter,festgelegter Reihenfolge (z.B. Caspase 8 aktiviert Caspase 3.) Kernlaminine gehören zu den Zielproteinen die von den aktivierten Effektor-Caspasen geschnitten werden. Diese Spaltung löst den irreversiblen Abbau der Kernlamina aus. Ein Protein das eine DNA-abbauende Endonuclease im inaktiven Zustand hält, ist ein weiteres Zielprotein, sowie auch Proteine des Cytoskellets und Zell-Adhäsionsproteine. Die Spaltung der beiden letzteren Gruppen tragen dazu bei, dass sich die Zelle von ihren Nachbarn löst und sich abrundet, um in späterer folge apoptotische Körperchen zu bilden. Diese "apoptotic bodies" (oder auch "blebs" genannt) werden in weiterer Folge durch Makrophagen phagozytotisch entsorgt, sozusagen verschlungen und "recycelt".

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