Apoptose

Einleitung: Unter Apoptose versteht man den programmierten Selbstmord einer Zelle, d.h. man nimmt an, dass sie selbst aktiv Prozesse in Gang setzt, die zu ihrem eigenen Tod führen. Diesen Tod stellt man der Zellnekrose gegenüber, bei der die Zelle normalerweise platzt und ausfließt, was zu einer Entzündungsreaktion führt.
In den letzten 10 Jahren ist die Untersuchung der Apoptose zu einem der am intensivsten untersuchten Forschungsgebieten geworden. Entdeckt wurde sie von Vogt 1842. Eine erste Zusammenfassung wurde 1951 von Glucksmann verfasst. Bis zum Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts wurde die Apoptose natürlich nur morphologisch beschrieben. Der Begriff Apoptose wurde von Kerr 1972 eingeführt. Vorher benutzte man den Begriff programmierter Zelltod, der 1965 von Lockshin und Williams eingeführt worden war, die diesen Prozess bei Insekten untersuchten. Ein Verständnis der zugrunde liegenden Genetik kam durch die Untersuchung von C. elegans zustande, bei dem man 1983 die erste ced-Mutante (ced von cell death abnormal) entdeckt hatte und 1988 das erste Protein fand, das wichtig für die Apoptose ist (Bcl-2). Seitdem wuchs die Anzahl der Untersuchungen zu diesem Prozess exponentiell an. Es zeigte sich, dass der Mensch ein homologes Gen zum ced-Gen besitzt, nämlich das bcl-2-Gen das, wenn man es bei C. elegans einsetzt, bei ihm den Tod vieler Zellen während der Entwicklung verhindern kann. Das bedeutete, dass sich der programmierte Zelltod bei C. elegans auf Säuger übertragen ließ.
Die Apoptose kann aus internen Gründen oder auch extern ausgelöst werden. Interne Gründe können enormer Stress oder starke Schädigung des Erbgutes sein. Extern kann sie z.B. durch T-Killer-Zellen ausgelöst werden, wenn diese erkennen, dass die Zelle von einem Virus befallen ist oder aus anderen Gründen unnormal ist. Erhält eine Zelle keine Überlebenssignale, so löst das ebenfalls die Apoptose aus. Der morphologische Ablauf einer Apoptose ist in Abb. 1 dargestellt.


Abb.1 Einführende Übersicht der Apoptose

Die Abbildung erläutert sich selbst. 
Verändert nach Alberts, B. u.a. Molekularbiologie der Zelle, VCH, Weinheim, 1997 

Abb.2 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer apoptotischen Zelle

Die Zelle löst sich in kleinere Bestandteile auf, die dann von anderen Zellen aufgenommen werden können. Aus Alberts, B. u.a. 

Die Bedeutung der Apoptose liegt darin, dass während der Entwicklung durch die Entfernung bestimmter Zellen die Körpergestalt geformt werden kann, z.B. bei der Ausbildung der Finger und Zehen bei höheren Wirbeltieren. Zwischen ihnen befindet sich Gewebe, wenn sie gebildet werden, das dann aufgelöst werden muss, wenn keine Schwimmhaut vorhanden sein soll. Ebenso wird auf diese Weise der Schwanz von Kaulquappen eingeschmolzen u.a.
Aber auch beim erwachsenen Organismus spielt die Apoptose eine wichtige Rolle. Es muss immer dafür gesorgt werden, dass neu entstehende Zellen und sterbende Zellen sich das Gleichgewicht halten. Sowohl zu viele neu gebildete wie zu wenig sterbende Zellen können zum Krebs führen. Daneben müssen kranke und alte Zellen beseitigt werden, Krebszellen getötet werden usw. Daher spielt die Apoptose in allen Geweben eine große Rolle, in denen Zellen neu gebildet werden oder in denen ein Umbau erfolgt. Das gilt z.B. für den Darm oder die Haut, die in andauernder Erneuerung sind, aber auch für die Gebärmutterschleimhaut oder die Brustdrüsen, die während des weiblichen Zyklusses ständig umgebaut werden. Das Blutbildungssystem ist ein weiteres Organ, in dem viele Apoptosen ablaufen.

Ablauf der Apoptose: Ist in einer Zelle die Apoptose ausgelöst worden, so wird aus ihren Mitochondrien Cytochrom c freigesetzt (s. Abb.3). Dieses verbindet sich mit einem Protein namens Apaf1 (s.u. ced4) und dieser entstandene Komplex aktiviert das Caspasensystem, eine Reihe von Proteinen, die andere wichtige Proteine zerstören. Außerdem verändert sich die Oberfläche der Zellmembran so, dass die Zelle von Makrophagen phagozytiert wird ohne dass sie entzündungsfördernde Stoffe absondern.

Genetische Grundlage: Bei C. elegans gibt es mehrere Gene, die für die Apoptose zuständig sind: Das Protein, das von ced3 (ced bedeutet cell death abnormal) gebildet wird, führt die Apoptose aus, ced4 ist für die Aktivierung der Apoptose zuständig, ced9 blockiert die Apoptose. Ist ced3 mutiert, so überleben 131 Zellen, die sonst sterben würden. Das hat auf das Leben des Wurms keinen Einfluss, ist das entsprechende Gen (das zu ced3 homolog ist) bei Drosophila oder der Maus mutiert, so sterben sie während der Entwicklung. Die Maus stirbt, weil bestimmte Zellen im Gehirn nicht sterben.
Zum Protein, das bei C. elegans vom Gen ced3 codiert wird, gibt es ein sehr ähnliches Protein auch beim Menschen, nämlich das ICE (interleucin-1-converting Enzym), es ist eine Protease, die aus einem größeren Vorläufereiweiß Interleukin1 ausgeschnitten wird, ein Protein das die Entzündungsreaktion hervorruft.
Schon bald darauf hatte man 10 Proteine identifiziert, die zur gleichen Familie gehören, viele von ihnen werden während der Apoptose aktiviert. Alle haben Cystein im aktiven Zentrum und schneiden bei einer Asparaginsäure, weshalb sie Caspasen genannt werden. Es wird bei der Apoptose eine Caspasenkaskade ausgelöst s. Abb.3

Abb.3 Auslösung der Apoptose bei einer Zelle

a) Die Zelle besitzt einen Todesrezeptor. Bindet nun ein Ligand an diesen Rezeptor, so wird über ein Adaptormolekül die Procaspase gebunden. Dadurch wird sie zur Caspase und setzt die Aktivierungskaskade von Enzymen in Gang, die zur Zerstörung der wichtigsten Proteine und der Nukleinsäuren in der Zelle führt.

b) Durch Zellstress kann es dazu kommen, dass aus den Mitochondrien Cytochrom-c freigesetzt wird. Dieses verbindet sich mit Apaf-1 zur Caspase, die dann ebenfalls besagte Kaskade in Gang setzen kann.
Beide Prozesse führen zur Apoptose.

Aktivierung: Die Procaspasen und andere Proteine die für die Apoptose benötigt werden, werden ständig von gesunden Zellen produziert und somit vorrätig gehalten. Es bedarf nur eines Auslösers, um das Programm für den Selbstmord in Gang zu setzen. Nur in wenigen Fällen ist dafür der Mechanismus bekannt.

Ablauf der Apoptose: Wenn die Caspasen einmal aktiviert sind, spalten sie andere Eiweiße, um so den schnellen Tod der Zelle herbeizuführen. Z.B. spalten sie Proteine, die die Kernmembran stützen (Laminine), wodurch die DNA freigelegt wird, dann werden Proteine gespalten, die Nukleasen binden, wodurch diese frei werden und die DNA zerlegen können. Außerdem werden die Proteine des Cytoskelettes und Adhäsionsmoleküle angegriffen, wodurch sich die Zelle von anderen Zellen loslöst und abrundet, und leichter verdaut werden kann. Eine der ersten Veränderungen ist, dass die negativ geladenen Phospholipidmoleküle von der Innen- zur Außenseite der Membran wandern, wodurch die Zelle markiert wird und für den Abbau von Makrophagen freigegeben wird. Die Caspasen, die für die Apoptose bestimmter Zelltypen benötigt werden, variieren von Zelltyp zu Zelltyp.
Bei von Viren befallenen Zellen, wird dieser Tatbestand von Lymphocyten erkannt. Sie aktivieren dann das Programm von außen, indem sie Todesrezeptoren aktivieren (s. Abb.3). Von ihnen kennt man den Perforin- und den Fasweg.
Gestresste Zellen (das sind solche, die in irgend einer Weise überlastet sind) können bemerkenswerterweise selbstständig die Apoptose einleiten, indem sie Fas und Fas-Rezeptoren bilden.
Wenn Mitochondrien verletzt werden, kann das austretende Cytochrom c die in der Zelle vorhandenen Procaspasen aktivieren (Abb.3). Das Cytochrom c strömt auch dann aus, wenn die Zelle von außen zur Apoptose angeregt wurde und verstärkt dadurch den Prozess. Auch geschädigte DNA des Zellkerns kann Apoptose auslösen.
Ein besser untersuchter Mechanismus Apoptose auszulösen, ist die Aktivierung von p53, ein Protein, das Krebs verhindert. Als Folge der DNA-Schädigung wird es aktiviert und verhindert weitere Zellteilungen oder aktiviert direkt Apoptose. In über 50% der Krebszellen ist es deaktiviert.

Intrazelluläre Kontrollen: Jede Zelle eines mehrzelligen Organismus kann Selbstmord begehen. Das tut sie z.B. unter extremen Stressbedingungen. Eine Entscheidung zu sterben, sollte natürlich nicht so leicht getroffen werden. So ist es nicht verwunderlich, dass die Apoptose von einem komplexen Programm innerhalb und außerhalb der Zelle reguliert wird. Eine Hauptklasse intrazellulärer Regulatoren, die ebenfalls von C. elegans bis zum Menschen konserviert wurde, sind die bcl-Proteine (s.o.). Durch bestimmte Proteine kann die Apoptose auch verhindert werden, ced9 codiert z.B. so ein Protein. Wenn es inaktiviert wird, sterben die meisten Zellen des Wurms, wenn aber ced3 und ced4 gleichzeitig inaktiviert sind, so dass Apoptose nicht eintreten kann überleben alle Zellen ced9 schützt die Zelle also vor der Apoptose.

Extrazelluläre Kontrollen: Das Hormon Tyroxin (thyroid hormon) bewirkt den Abbau des Kaulquappenschwanzes.
Manchmal werden benachbarte Zellen zur Apoptose gebracht, z.B. in sich entwickelnden Fingern.
Manche Zellen sterben, weil sie nicht genügend Überlebensfaktoren von anderen Zellen erhalten (Apoptose unterdrückende Faktoren). Isolierte Zellen sterben, wenn man ihnen diese Faktoren nicht zuführt. Diese Abhängigkeit von Überlebensfaktoren ist gleichzeitig eine einfache Strategie für die Regulation der Zellzahl. Zum Beispiel werden bei der Entwicklung des Nervensystems mehr Zellen gebildet als gebraucht werden und so wetteifern sie also um die vorhandenen Überlebensfaktoren, die von den Zielzellen abgegeben werden, mit denen sie sich normalerweise verbinden. Die Überlebensfaktoren binden normalerweise an einen Rezeptor, der einen Apoptosehemmer aktiviert.

Apoptose in nicht tierischen Zellen: Apoptose gibt es auch bei Pflanzen. Es wird beim Altern von Blüten u.ä. eingesetzt.
Ein anderes Beispiel bezieht sich auf E. coli. Wenn sie von Viren befallen werden, bindet ein Eiweiß des Virus an eine Protease und aktiviert sie dadurch. Diese spaltet ein Protein das für die Proteinbiosynthese notwendig ist. Dadurch wird diese lahmgelegt und damit auch die Vermehrung der Viren, wodurch andere E. colis geschützt werden. Die Proteine die hieran beteiligt sind, sind nicht mit Caspasen verwandt.

Apoptose bei Krankheit: Bei einem Herzinfarkt oder Schlaganfall sterben viele Zellen durch Nekrose (Tod durch äußere Schädigung). Die weniger stark geschädigten Zellen können zusätzlich durch Apoptose sterben. Man versucht Blocker dafür zu finden, in der Hoffnung, dass diese Zellen sich regenerieren.
Viele Viren haben Strategien entwickelt, um die Apoptose zu blockieren. Das geschieht in der Regel dadurch, dass die Caspasen blockiert werden. Man hat künstliche Peptide gefunden, die in Zellen eingeschleust werden können und Caspasen blockieren. Diese werden eingesetzt, um die Entwicklung von Tieren zu untersuchen.
Bei Krebspatienten sucht man umgekehrt nach Möglichkeiten Apoptose in den befallenen Zellen in Gang zu setzen.

Intrazellulärer Mechanismus: Bei Nematoden ist CED-3 das letzte ausführende Killer-Protein. Es wird durch CED-4 gehemmt. Dieses wiederum wird durch CED-9 gehemmt. Wird die Hemmung von CED-9 aufgehoben, so kommt es zur Apoptose. Bei Säugern gibt es viele Proteine, die zu CED-4 homolog sind. Eines davon ist z.B. Apaf-1. Es bindet an die Caspase-9 und aktiviert sie, die zu CED-3 homolog ist. Apaf-1 wird dadurch aktiviert, dass es ATP und Cytochrom c bindet. CED-9-Homologe sind Mitglieder der bcl-2-Familie. Bei Säugern gibt es im Gegensatz zu Nematoden Todesrezeptoren auf der Oberfläche von Zellmembranen (z.B. CD95 APO-1/Fas). Wenn diese Rezeptoren oligomerisieren, so induzieren sie Apoptose. Die Oligomerisation kann durch ein äußeres Signal hervorgerufen werde. CD95 hat einen intrazellulären Schwanz, der in Wechselwirkung mit einer Domäne, eines Adaptor-Proteins (FADD/MORT1) tritt, das eine death domain besitzt und deren zweite Hälfte die DED = death effector domain ist.

Hier zwei Adressen, wo Animationen der Apoptose zu finden sind: Lecture Guide und Nature

Quellen:
Glucksmann A. (1951). Cell deaths inn normal vertebrate ontogeny. Biol. Rev, 26: 59-86.
Vogt C. (1842). Untersuchungen über die Entwicklungsgeschichte der Geburtshelferkröte. (Alytes obstetricians), Solothurn: Jent und Gassman, pp 130.
Raff, M. + W.C. Earnshaw, Nature 396,119+387
Alberts, B. u.a. Molekularbiologie der Zelle, VCH, Weinheim, 1997
s.a. Linder S. 285

Kontakt:: Mario.Hupfeld@uni-konstanz.de
Home

Impressum · Datenschutz