Apoptose

Apoptose ⓘ
Eine mit Etoposid behandelte DU145-Prostatakrebszelle explodiert in eine Kaskade von apoptotischen Körpern. Die Teilbilder wurden aus einem 61-stündigen Zeitraffer-Mikroskopievideo extrahiert, das mit quantitativer Phasenkontrastmikroskopie erstellt wurde. Die optische Dicke ist farbkodiert. Mit zunehmender Dicke wechselt die Farbe von grau zu gelb, rot, violett und schließlich schwarz. Sehen Sie das Video unter Die Zelle: Eine Bildbibliothek
Anatomische Terminologie

Apoptose (von altgriechisch: ἀπόπτωσις, romanisiert: apóptōsis, wörtlich: abfallen) ist eine Form des programmierten Zelltods, der in mehrzelligen Organismen auftritt. Biochemische Vorgänge führen zu charakteristischen Zellveränderungen (Morphologie) und zum Tod. Zu diesen Veränderungen gehören Blasenbildung, Zellschrumpfung, Kernfragmentierung, Chromatin-Kondensation, DNA-Fragmentierung und mRNA-Zerfall. Ein durchschnittlicher erwachsener Mensch verliert jeden Tag zwischen 50 und 70 Milliarden Zellen durch Apoptose. Bei einem durchschnittlichen menschlichen Kind zwischen acht und vierzehn Jahren sterben täglich etwa zwanzig bis dreißig Milliarden Zellen. ⓘ

Im Gegensatz zur Nekrose, die eine Form des traumatischen Zelltods ist, der durch eine akute Zellverletzung entsteht, ist die Apoptose ein hochgradig regulierter und kontrollierter Prozess, der im Lebenszyklus eines Organismus Vorteile bringt. Die Trennung von Fingern und Zehen in einem sich entwickelnden menschlichen Embryo beispielsweise erfolgt, weil die Zellen zwischen den Zehen Apoptose erfahren. Im Gegensatz zur Nekrose entstehen bei der Apoptose Zellfragmente, so genannte apoptotische Körper, die von Fresszellen aufgenommen und entfernt werden können, bevor der Zellinhalt auf umliegende Zellen überschwappen und diese schädigen kann. ⓘ

Da die Apoptose nicht gestoppt werden kann, wenn sie einmal begonnen hat, handelt es sich um einen stark regulierten Prozess. Die Apoptose kann über einen von zwei Wegen eingeleitet werden. Auf dem intrinsischen Weg tötet sich die Zelle selbst, weil sie Zellstress wahrnimmt, während sie sich auf dem extrinsischen Weg durch Signale von anderen Zellen selbst tötet. Schwache externe Signale können auch den intrinsischen Weg der Apoptose aktivieren. Beide Wege leiten den Zelltod ein, indem sie Caspasen aktivieren, d. h. Proteasen oder Enzyme, die Proteine abbauen. Beide Wege aktivieren Initiator-Caspasen, die wiederum Henker-Caspasen aktivieren, welche die Zelle durch den wahllosen Abbau von Proteinen töten. ⓘ

Neben seiner Bedeutung als biologisches Phänomen wurden gestörte apoptotische Prozesse auch bei einer Vielzahl von Krankheiten festgestellt. Ein Übermaß an Apoptose führt zu Atrophie, während eine unzureichende Menge zu unkontrollierter Zellproliferation, z. B. Krebs, führt. Einige Faktoren wie Fas-Rezeptoren und Caspasen fördern die Apoptose, während einige Mitglieder der Bcl-2-Proteinfamilie die Apoptose hemmen. ⓘ

Schematischer Ablauf der Apoptose ⓘ

Apoptotische Zelle einer Mausleber ⓘ

Übergeordnet
Programmierter Zelltod
Gene Ontology
QuickGO

Die Apoptose (altgriechisch ἀπόπτωσις apóptosis, von ἀποπίπτειν apopíptein, deutsch ‚abfallen‘) ist eine Form des programmierten Zelltods. Es ist ein „Suizidprogramm“ einzelner biologischer Zellen. Dieses kann von außen angeregt (etwa durch Immunzellen) oder aufgrund von zellinternen Prozessen ausgelöst werden (etwa nach starker Schädigung der Erbinformation). Im Gegensatz zum anderen bedeutenden Mechanismus des Zelltods, der Nekrose, wird die Apoptose von der betreffenden Zelle selbst aktiv durchgeführt und ist somit Teil des Stoffwechsels der Zelle. Dadurch unterliegt diese Form des Zelltods strenger Kontrolle und es wird gewährleistet, dass die betreffende Zelle ohne Schädigung des Nachbargewebes zugrunde geht. ⓘ

Im Unterschied zu den anderen Formen des programmierten Zelltods spielen bei der Apoptose proteolytische Enzyme, sogenannte Caspasen, eine zentrale Rolle. ⓘ

Apoptose und Nekrose lassen sich normalerweise optisch leicht unterscheiden: Während bei der Apoptose ein Schrumpfen der Zelle einsetzt und ein Abbau der DNA durch Endonukleasen in definierte Stücke stattfindet (als DNA-Leiter bekannt und mittels Elektrophorese und sogenannter TUNEL-Methode nachweisbar), schwillt bei der Nekrose die Zelle an, wobei deren Plasmamembran zerstört wird. Als Folge kommt es zu lokalen Entzündungen, da Cytoplasma und Zellorganellen in den Extrazellularraum freigesetzt werden, die durch Makrophagen (Fresszellen) beseitigt werden müssen. Im Vergleich zur Nekrose ist die Apoptose die häufigere Form des Zelltods. In bestimmten Fällen lassen sich Apoptose und Nekrose allerdings nicht scharf voneinander trennen. Der Übergang zwischen beiden Formen des Zelltods ist dann fließend und wird Aponekrose genannt. ⓘ

Der deutsch-schweizerische Naturforscher Carl Vogt entdeckte 1842 als erster die Apoptose beim Studium der Entwicklung von Kaulquappen der Gemeinen Geburtshelferkröte. Die große Bedeutung dieser Entdeckung wurde (erst) über 100 Jahre später erkannt. 1972 prägten John F. R. Kerr, Andrew Wyllie und Alastair R. Currie von der University of Aberdeen den Begriff ‚Apoptose‘ (englisch apoptosis). ⓘ

Entdeckung und Etymologie

Der deutsche Wissenschaftler Carl Vogt beschrieb 1842 als Erster das Prinzip der Apoptose. Im Jahr 1885 lieferte der Anatom Walther Flemming eine genauere Beschreibung des Prozesses des programmierten Zelltods. Doch erst 1965 wurde das Thema wieder aufgegriffen. Bei der Untersuchung von Geweben mit Hilfe der Elektronenmikroskopie gelang es John Kerr von der University of Queensland, die Apoptose vom traumatischen Zelltod zu unterscheiden. Nach der Veröffentlichung einer Arbeit, in der das Phänomen beschrieben wurde, wurde Kerr eingeladen, zusammen mit Alastair Currie und Andrew Wyllie, dem Doktoranden von Currie, an der Universität von Aberdeen zu arbeiten. Im Jahr 1972 veröffentlichte das Trio einen bahnbrechenden Artikel im British Journal of Cancer. Kerr hatte zunächst den Begriff programmierte Zellnekrose verwendet, doch in dem Artikel wurde der Prozess des natürlichen Zelltods als Apoptose bezeichnet. Kerr, Wyllie und Currie schrieben James Cormack, einem Professor für griechische Sprache an der Universität von Aberdeen, den Begriff Apoptose zu. Für seine Beschreibung der Apoptose erhielt Kerr am 14. März 2000 den Paul-Ehrlich- und Ludwig-Darmstaedter-Preis. Er teilte sich den Preis mit dem Bostoner Biologen H. Robert Horvitz. ⓘ

Viele Jahre lang war weder "Apoptose" noch "programmierter Zelltod" ein viel zitierter Begriff. Zwei Entdeckungen machten den Zelltod zu einem wichtigen Forschungsgebiet: die Identifizierung der ersten Komponente der Kontroll- und Effektormechanismen des Zelltods und die Verknüpfung von Anomalien im Zelltod mit menschlichen Krankheiten, insbesondere Krebs. Dies geschah 1988, als nachgewiesen wurde, dass BCL2, das für das follikuläre Lymphom verantwortliche Gen, ein Protein kodiert, das den Zelltod hemmt. ⓘ

Der Nobelpreis für Medizin 2002 wurde Sydney Brenner, H. Robert Horvitz und John Sulston für ihre Arbeit zur Identifizierung von Genen verliehen, die die Apoptose steuern. Die Gene wurden durch Studien an dem Fadenwurm C. elegans identifiziert, und Homologe dieser Gene regulieren beim Menschen die Apoptose. ⓘ

John Sulston erhielt 2002 den Nobelpreis für Medizin für seine bahnbrechenden Forschungen zur Apoptose. ⓘ

Im Griechischen bedeutet Apoptose das "Abfallen" von Blättern von einem Baum. Cormack, Professor für griechische Sprache, führte den Begriff für den medizinischen Gebrauch wieder ein, da er für die Griechen bereits vor über zweitausend Jahren eine medizinische Bedeutung hatte. Hippokrates verwendete den Begriff für "das Abfallen der Knochen". Galen erweiterte seine Bedeutung auf "das Abfallen des Schorfs". Cormack war sich zweifellos dieser Verwendung bewusst, als er den Namen vorschlug. Die Debatte über die korrekte Aussprache geht weiter, wobei die Meinungen zwischen einer Aussprache mit stummem zweiten p (/æpəˈtoʊsɪs/ ap-ə-TOH-sis) und der Aussprache des zweiten p (/eɪpəpˈtoʊsɪs/), wie im griechischen Original, geteilt sind. Im Englischen ist das p des griechischen Konsonantenclusters -pt- am Anfang eines Wortes in der Regel stumm (z. B. pterodactyl, Ptolemäus), wird aber artikuliert, wenn es in kombinierten Formen verwendet wird, denen ein Vokal vorausgeht, wie bei Helikopter oder den Insektenordnungen: Diptera, Lepidoptera usw. ⓘ

In der Originalarbeit von Kerr, Wyllie & Currie gibt es eine Fußnote zur Aussprache:

Wir sind Professor James Cormack von der Abteilung für Griechisch an der Universität Aberdeen sehr dankbar, dass er diesen Begriff vorgeschlagen hat. Das Wort "Apoptose" (ἀπόπτωσις) wird im Griechischen verwendet, um das "Abfallen" oder "Abfallen" von Blütenblättern oder Blättern von Bäumen zu beschreiben. Um die Ableitung deutlich zu machen, schlagen wir vor, die Betonung auf die vorletzte Silbe zu legen und die zweite Hälfte des Wortes wie "Ptosis" (mit stummem "p") auszusprechen, das von der gleichen Wurzel "fallen" stammt und bereits zur Beschreibung des Herabhängens des Oberlids verwendet wird. ⓘ

Aktivierungsmechanismen

Kontrolle der apoptotischen Mechanismen ⓘ

Die Einleitung der Apoptose wird durch Aktivierungsmechanismen streng geregelt, denn wenn die Apoptose einmal begonnen hat, führt sie unweigerlich zum Tod der Zelle. Die beiden am besten verstandenen Aktivierungsmechanismen sind der intrinsische Weg (auch mitochondrialer Weg genannt) und der extrinsische Weg. Der intrinsische Weg wird durch intrazelluläre Signale aktiviert, die bei Stress in der Zelle entstehen, und hängt von der Freisetzung von Proteinen aus dem Intermembranraum der Mitochondrien ab. Der extrinsische Weg wird durch extrazelluläre Liganden aktiviert, die an Todesrezeptoren auf der Zelloberfläche binden, was zur Bildung des todauslösenden Signalkomplexes (DISC) führt. ⓘ

Eine Zelle leitet als Reaktion auf einen Stress, der zum Selbstmord der Zelle führen kann, intrazelluläre apoptotische Signalwege ein. Die Bindung von Kernrezeptoren durch Glukokortikoide, Hitze, Strahlung, Nährstoffentzug, Virusinfektion, Hypoxie, erhöhte intrazelluläre Konzentration freier Fettsäuren und erhöhte intrazelluläre Kalziumkonzentration, z. B. durch Schädigung der Membran, können die Freisetzung intrazellulärer apoptotischer Signale durch eine geschädigte Zelle auslösen. Eine Reihe zellulärer Komponenten, wie z. B. die Poly-ADP-Ribose-Polymerase, können ebenfalls zur Regulierung der Apoptose beitragen. In experimentellen Studien zur stressinduzierten Apoptose wurden Fluktuationen einzelner Zellen beobachtet. ⓘ

Bevor der eigentliche Zelltod durch Enzyme ausgelöst wird, müssen apoptotische Signale regulatorische Proteine veranlassen, den Apoptoseweg zu initiieren. Dieser Schritt ermöglicht es diesen Signalen, den Zelltod auszulösen oder den Prozess zu stoppen, wenn die Zelle nicht mehr sterben muss. Daran sind mehrere Proteine beteiligt, aber es wurden zwei Hauptmethoden der Regulierung identifiziert: die Ausrichtung auf die Funktionalität der Mitochondrien oder die direkte Übertragung des Signals über Adaptorproteine auf die apoptotischen Mechanismen. Ein extrinsischer Weg für die Einleitung, der in mehreren Toxinstudien identifiziert wurde, ist ein Anstieg der Kalziumkonzentration innerhalb einer Zelle, der durch die Medikamentenaktivität verursacht wird, die ebenfalls Apoptose über die kalziumbindende Protease Calpain verursachen kann. ⓘ

Intrinsischer Weg

Der intrinsische Stoffwechselweg wird auch als mitochondrialer Stoffwechselweg bezeichnet. Mitochondrien sind für das mehrzellige Leben unerlässlich. Ohne sie kann eine Zelle nicht mehr aerob atmen und stirbt schnell ab. Diese Tatsache bildet die Grundlage für einige apoptotische Wege. Apoptotische Proteine, die auf Mitochondrien abzielen, beeinflussen diese auf unterschiedliche Weise. Sie können die Mitochondrien durch die Bildung von Membranporen anschwellen lassen oder die Permeabilität der Mitochondrienmembran erhöhen, so dass apoptotische Effektoren austreten können. Sie sind sehr eng mit dem intrinsischen Weg verwandt, und Tumore entstehen aufgrund ihrer Empfindlichkeit häufiger über den intrinsischen als über den extrinsischen Weg. Es gibt auch immer mehr Hinweise darauf, dass Stickstoffmonoxid in der Lage ist, die Apoptose auszulösen, indem es dazu beiträgt, das Membranpotenzial der Mitochondrien abzubauen und sie dadurch durchlässiger zu machen. Stickstoffmonoxid wird mit der Auslösung und Hemmung der Apoptose in Verbindung gebracht, da es möglicherweise als Signalmolekül für nachfolgende Wege zur Aktivierung der Apoptose fungiert. ⓘ

Während der Apoptose wird Cytochrom c durch die Wirkung der Proteine Bax und Bak aus den Mitochondrien freigesetzt. Der Mechanismus dieser Freisetzung ist rätselhaft, scheint aber auf eine Vielzahl von Bax/Bak-Homo- und Hetero-Dimeren von Bax/Bak zurückzuführen zu sein, die in die äußere Membran eingebaut werden. Sobald Cytochrom c freigesetzt ist, verbindet es sich mit dem Apoptotic protease activating factor - 1 (Apaf-1) und ATP, die sich dann an pro-caspase-9 binden, um einen als Apoptosom bekannten Proteinkomplex zu bilden. Das Apoptosom spaltet die Pro-Caspase in die aktive Form der Caspase-9, die wiederum die Pro-Caspase in die Effektor-Caspase-3 spaltet und aktiviert. ⓘ

Die Mitochondrien setzen auch Proteine frei, die als SMAC (second mitochondria-derived activator of caspases) bekannt sind und durch die Erhöhung der Permeabilität der Mitochondrienmembranen in das Zytosol der Zelle gelangen. SMAC bindet an Proteine, die die Apoptose hemmen (IAPs), und deaktiviert sie dadurch, so dass die IAPs den Prozess nicht aufhalten können und die Apoptose weitergehen kann. IAP unterdrückt normalerweise auch die Aktivität einer Gruppe von Cysteinproteasen, den so genannten Caspasen, die für den Abbau der Zelle zuständig sind. Die eigentlichen Abbauenzyme werden also indirekt durch die mitochondriale Permeabilität reguliert. ⓘ

Extrinsischer Weg

Überblick über die Signaltransduktionswege. ⓘ

Überblick über die TNF- (links) und Fas-Signalisierung (rechts) bei der Apoptose, ein Beispiel für eine direkte Signaltransduktion.

Für die direkte Auslösung apoptotischer Mechanismen bei Säugetieren gibt es zwei Theorien: das TNF-induzierte (Tumornekrosefaktor) Modell und das Fas-Fas-Liganden-vermittelte Modell, an denen Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie (TNFR) beteiligt sind, die an extrinsische Signale gekoppelt sind. ⓘ

TNF-Weg

TNF-alpha ist ein Zytokin, das hauptsächlich von aktivierten Makrophagen produziert wird und der wichtigste extrinsische Vermittler der Apoptose ist. Die meisten Zellen im menschlichen Körper haben zwei Rezeptoren für TNF-alpha: TNFR1 und TNFR2. Die Bindung von TNF-alpha an TNFR1 setzt nachweislich den Weg in Gang, der über die Zwischenmembranproteine TNF receptor-associated death domain (TRADD) und Fas-associated death domain protein (FADD) zur Caspase-Aktivierung führt. cIAP1/2 kann die TNF-α-Signalübertragung durch Bindung an TRAF2 hemmen. FLIP hemmt die Aktivierung von Caspase-8. Die Bindung dieses Rezeptors kann auch indirekt zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren führen, die am Zellüberleben und an Entzündungsreaktionen beteiligt sind. Die Signalübertragung durch TNFR1 kann jedoch auch unabhängig von der Caspase die Apoptose auslösen. Die Verbindung zwischen TNF-alpha und Apoptose zeigt, warum eine abnorme Produktion von TNF-alpha bei mehreren menschlichen Krankheiten, insbesondere bei Autoimmunerkrankungen, eine grundlegende Rolle spielt. Zur Superfamilie der TNF-alpha-Rezeptoren gehören auch Todesrezeptoren (DRs) wie DR4 und DR5. Diese Rezeptoren binden an das ProteinTRAIL und vermitteln die Apoptose. Die Apoptose ist bekanntlich einer der wichtigsten Mechanismen der gezielten Krebstherapie. Kürzlich wurden leuchtende Iridiumkomplex-Peptid-Hybride (IPHs) entwickelt, die TRAIL nachahmen und an Todesrezeptoren auf Krebszellen binden, wodurch deren Apoptose ausgelöst wird. ⓘ

Fas-Weg ⓘ

Der Fas-Rezeptor (First apoptosis signal) - (auch bekannt als Apo-1 oder CD95) ist ein Transmembranprotein der TNF-Familie, das den Fas-Liganden (FasL) bindet. Die Interaktion zwischen Fas und FasL führt zur Bildung des todbringenden Signalkomplexes (DISC), der die FADD, Caspase-8 und Caspase-10 enthält. In einigen Zelltypen (Typ I) aktiviert die verarbeitete Caspase-8 direkt andere Mitglieder der Caspase-Familie und löst die Apoptose der Zelle aus. Bei anderen Zelltypen (Typ II) setzt das Fas-DISC eine Rückkopplungsschleife in Gang, die zu einer zunehmenden Freisetzung proapoptotischer Faktoren aus den Mitochondrien und einer verstärkten Aktivierung von Caspase-8 führt. ⓘ

Gemeinsame Komponenten ⓘ

Nach der Aktivierung von TNF-R1 und Fas in Säugetierzellen wird ein Gleichgewicht zwischen proapoptotischen (BAX, BID, BAK oder BAD) und anti-apoptotischen (Bcl-Xl und Bcl-2) Mitgliedern der Bcl-2-Familie hergestellt. Dieses Gleichgewicht ist der Anteil der proapoptotischen Homodimere, die sich in der Außenmembran des Mitochondriums bilden. Die proapoptotischen Homodimere sind erforderlich, um die Mitochondrienmembran für die Freisetzung von Caspase-Aktivatoren wie Cytochrom c und SMAC durchlässig zu machen. Die Kontrolle der proapoptotischen Proteine unter normalen Zellbedingungen in nicht-apoptotischen Zellen ist nur unvollständig bekannt, aber im Allgemeinen werden Bax oder Bak durch die Aktivierung von BH3-Proteinen aktiviert, die zur Bcl-2-Familie gehören. ⓘ

Caspasen

Caspasen spielen die zentrale Rolle bei der Weiterleitung der apoptotischen ER-Signale. Caspasen sind Proteine, die hoch konservierte, cysteinabhängige Aspartat-spezifische Proteasen sind. Es gibt zwei Arten von Caspasen: Initiator-Caspasen, Caspase 2, 8, 9, 10, 11, 12, und Effektor-Caspasen, Caspase 3, 6, 7. Die Aktivierung der Initiator-Caspasen erfordert die Bindung an ein spezifisches oligomeres Aktivatorprotein. Die Effektor-Caspasen werden dann von diesen aktiven Initiator-Caspasen durch proteolytische Spaltung aktiviert. Die aktiven Effektor-Caspasen bauen dann eine Vielzahl von intrazellulären Proteinen proteolytisch ab, um das Zelltodprogramm auszuführen. ⓘ

Caspase-unabhängiger apoptotischer Weg

Es gibt auch einen Caspase-unabhängigen apoptotischen Weg, der durch AIF (Apoptose-induzierender Faktor) vermittelt wird. ⓘ

Apoptosemodell bei Amphibien

Der Amphibienfrosch Xenopus laevis dient als ideales Modellsystem für die Untersuchung der Mechanismen der Apoptose. In der Tat stimulieren Jod und Thyroxin auch die spektakuläre Apoptose der Zellen der Larvenkiemen, des Schwanzes und der Flossen bei der Metamorphose der Amphibien und fördern die Entwicklung ihres Nervensystems, das die aquatische, vegetarische Kaulquappe in den terrestrischen, fleischfressenden Frosch verwandelt. ⓘ

Negative Regulatoren der Apoptose

Die negative Regulierung der Apoptose hemmt Zelltod-Signalwege und trägt dazu bei, dass Tumore dem Zelltod entgehen und Arzneimittelresistenz entwickeln. Das Verhältnis zwischen anti-apoptotischen (Bcl-2) und pro-apoptotischen (Bax) Proteinen entscheidet darüber, ob eine Zelle lebt oder stirbt. Viele Proteinfamilien wirken als negative Regulatoren, die entweder als antiapoptotische Faktoren wie IAPs und Bcl-2-Proteine oder als pro-apoptotische Faktoren wie cFLIP, BNIP3, FADD, Akt und NF-κB eingestuft werden. ⓘ

Proteolytische Caspase-Kaskade: Tötung der Zelle

Viele Wege und Signale führen zur Apoptose, aber diese laufen auf einen einzigen Mechanismus hinaus, der tatsächlich den Tod der Zelle bewirkt. Nachdem eine Zelle einen Stimulus erhalten hat, kommt es zu einem organisierten Abbau von Zellorganellen durch aktivierte proteolytische Caspasen. Zusätzlich zur Zerstörung der Zellorganellen wird die mRNA durch einen noch nicht vollständig charakterisierten Mechanismus schnell und global abgebaut. Der mRNA-Zerfall wird sehr früh in der Apoptose ausgelöst. ⓘ

Eine Zelle, die Apoptose durchläuft, zeigt eine Reihe charakteristischer morphologischer Veränderungen. Zu den frühen Veränderungen gehören:

1. Die Zelle schrumpft und rundet sich, weil sich die Lamellipodien zurückziehen und das proteinhaltige Zytoskelett durch Caspasen abgebaut wird.
2. Das Zytoplasma erscheint dicht, und die Organellen erscheinen dicht gepackt.
3. Das Chromatin kondensiert in kompakten Flecken gegen die Kernhülle (auch als perinukleäre Hülle bezeichnet) in einem Prozess, der als Pyknose bekannt ist und ein Kennzeichen der Apoptose ist.
4. Die Kernhülle wird diskontinuierlich und die darin befindliche DNA wird in einem Prozess fragmentiert, der als Karyorrhexis bezeichnet wird. Durch den Abbau der DNA zerfällt der Zellkern in mehrere diskrete Chromatinkörper oder nukleosomale Einheiten. ⓘ

Die Apoptose schreitet schnell voran und ihre Produkte werden rasch entfernt, so dass sie in klassischen histologischen Schnitten nur schwer zu erkennen oder sichtbar zu machen ist. Während der Karyorrhexis hinterlässt die Endonukleaseaktivierung kurze DNA-Fragmente, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Diese geben nach der Elektrophorese ein charakteristisches "laddered" Aussehen auf Agargel. Tests auf DNA-Laddering unterscheiden die Apoptose vom ischämischen oder toxischen Zelltod. ⓘ

Apoptotischer Zellabbau

Verschiedene Schritte beim Abbau der apoptotischen Zelle. ⓘ

Bevor die apoptotische Zelle entsorgt wird, findet ein Zerlegungsprozess statt. Es gibt drei anerkannte Schritte beim Abbau apoptotischer Zellen:

1. Membrane blebbing: Die Zellmembran weist unregelmäßige Knospen auf, die als Blebs bezeichnet werden. Zunächst handelt es sich dabei um kleinere Oberflächenblasen. Später können diese zu größeren, so genannten dynamischen Membranblasen anwachsen. Ein wichtiger Regulator für das Blebbing der apoptotischen Zellmembran ist ROCK1 (rho associated coiled-coil-containing protein kinase 1).
2. Bildung von Membranausstülpungen: Einige Zelltypen können unter bestimmten Bedingungen verschiedene Arten von langen, dünnen Verlängerungen der Zellmembran, so genannte Membranausstülpungen, entwickeln. Es wurden drei Arten beschrieben: Mikrotubuli-Spikes, Apoptopodien (Füße des Todes) und Perlen-Apoptopodien (letztere sehen aus wie Perlen an einer Schnur). Pannexin 1 ist ein wichtiger Bestandteil von Membrankanälen, die an der Bildung von Apoptopodien und Perlenapoptopodien beteiligt sind.
3. Fragmentierung: Die Zelle zerfällt in mehrere Vesikel, die als apoptotische Körper bezeichnet werden und der Phagozytose unterliegen. Die Ausstülpungen der Plasmamembran können dazu beitragen, die apoptotischen Körper den Phagozyten näher zu bringen. ⓘ

Beseitigung toter Zellen

Die Entfernung toter Zellen durch benachbarte phagozytische Zellen wird als Efferocytose bezeichnet. Absterbende Zellen, die das Endstadium der Apoptose durchlaufen, weisen phagozytotische Moleküle wie Phosphatidylserin auf ihrer Zelloberfläche auf. Phosphatidylserin befindet sich normalerweise auf der inneren Blattoberfläche der Plasmamembran, wird aber während der Apoptose durch ein als Scramblase bekanntes Protein auf die extrazelluläre Oberfläche umverteilt. Diese Moleküle markieren die Zelle für die Phagozytose durch Zellen, die über die entsprechenden Rezeptoren verfügen, wie z. B. Makrophagen. Die Beseitigung absterbender Zellen durch Phagozyten erfolgt in geordneter Weise, ohne eine Entzündungsreaktion hervorzurufen. Während der Apoptose werden zelluläre RNA und DNA voneinander getrennt und in verschiedene apoptotische Körper sortiert; die Trennung der RNA wird als nukleolare Segregation eingeleitet. ⓘ

Knock-outs von Signalwegen

Es wurden viele Knock-outs in den Apoptosewegen durchgeführt, um die Funktion der einzelnen Proteine zu testen. Zusätzlich zu APAF1 und FADD wurden mehrere Caspasen mutiert, um den neuen Phänotyp zu bestimmen. Um einen Tumor-Nekrose-Faktor (TNF) Knockout zu erzeugen, wurde ein Exon mit den Nukleotiden 3704-5364 aus dem Gen entfernt. Dieses Exon kodiert einen Teil der reifen TNF-Domäne sowie die Leader-Sequenz, eine hochkonservierte Region, die für die ordnungsgemäße intrazelluläre Verarbeitung erforderlich ist. TNF-/--Mäuse entwickeln sich normal und weisen keine groben strukturellen oder morphologischen Anomalien auf. Nach einer Immunisierung mit SRBC (rote Blutkörperchen von Schafen) zeigten diese Mäuse jedoch einen Mangel bei der Reifung einer Antikörperreaktion; sie waren in der Lage, normale IgM-Spiegel zu erzeugen, konnten aber keine spezifischen IgG-Spiegel entwickeln. Apaf-1 ist das Protein, das die Caspase 9 durch Spaltung in Gang setzt, um die Caspase-Kaskade in Gang zu setzen, die zur Apoptose führt. Da eine -/- Mutation im APAF-1-Gen embryonal tödlich ist, wurde eine Gen-Fallen-Strategie angewandt, um eine APAF-1 -/- Maus zu erzeugen. Mit diesem Test wird die Genfunktion durch die Schaffung einer intragenischen Genfusion gestört. Wenn eine APAF-1-Genfalle in Zellen eingeführt wird, treten viele morphologische Veränderungen auf, wie z. B. Spina bifida, das Fortbestehen von Interdigitalstegen und ein offenes Gehirn. Nach dem 12,5. Embryonaltag wies das Gehirn der Embryonen außerdem mehrere strukturelle Veränderungen auf. APAF-1-Zellen sind vor Apoptosestimuli wie Bestrahlung geschützt. Eine BAX-1-Knock-out-Maus zeigt eine normale Vorderhirnbildung und einen verringerten programmierten Zelltod in einigen Neuronenpopulationen und im Rückenmark, was zu einer Zunahme der Motoneuronen führt. ⓘ

Die Caspase-Proteine sind integrale Bestandteile des Apoptosewegs, so dass Knock-outs unterschiedliche schädliche Folgen haben. Ein Knock-out von Caspase 9 führt zu einer schweren Hirnfehlbildung. Ein Knock-out von Caspase 8 führt zu Herzversagen und damit zur embryonalen Letalität. Mit Hilfe der Cre-Lox-Technologie wurde jedoch ein Caspase-8-Knock-out erzeugt, der eine Zunahme der peripheren T-Zellen, eine beeinträchtigte T-Zell-Antwort und einen Defekt beim Neuralrohrverschluss aufweist. Diese Mäuse erwiesen sich als resistent gegen die durch CD95, TNFR usw. vermittelte Apoptose, nicht aber gegen die durch UV-Bestrahlung, Chemotherapeutika und andere Reize verursachte Apoptose. Ein Caspase-3-Knock-out schließlich zeichnete sich durch ektopische Zellmassen im Gehirn und abnorme apoptotische Merkmale wie Membranblasen oder Kernfragmentierung aus. Ein bemerkenswertes Merkmal dieser KO-Mäuse ist, dass sie einen sehr eingeschränkten Phänotyp aufweisen: Casp3-, 9- und APAF-1-KO-Mäuse weisen Deformationen des Nervengewebes auf, und FADD- und Casp 8-KO-Mäuse zeigten eine gestörte Herzentwicklung. Bei beiden KO-Typen entwickelten sich jedoch andere Organe normal, und einige Zelltypen waren weiterhin empfindlich gegenüber apoptotischen Reizen, was darauf hindeutet, dass unbekannte proapoptotische Wege existieren. ⓘ

Methoden zur Unterscheidung von apoptotischen und nekrotischen (necroptotischen) Zellen

Langzeit-Live-Cell-Imaging (12 Stunden) von mehrkernigen Prä-Adipozyten der Maus, die versuchen, eine Mitose zu durchlaufen. Aufgrund des Überschusses an genetischem Material kann sich die Zelle nicht replizieren und stirbt durch Apoptose. ⓘ

Zur Analyse von apoptotischen und nekrotischen (nekroptotischen) Zellen kann man die Morphologie mit Hilfe von markierungsfreiem Live-Cell-Imaging, Zeitraffer-Mikroskopie, Durchfluss-Fluorzytometrie und Transmissions-Elektronenmikroskopie untersuchen. Es gibt auch verschiedene biochemische Techniken zur Analyse von Zelloberflächenmarkern (Phosphatidylserin-Exposition versus Zellpermeabilität durch Durchflusszytometrie), zellulären Markern wie DNA-Fragmentierung (Durchflusszytometrie), Caspase-Aktivierung, Bid-Spaltung und Cytochrom c-Freisetzung (Western Blotting). Es ist wichtig zu wissen, wie primäre und sekundäre nekrotische Zellen durch die Analyse des Überstandes auf Kaspasen, HMGB1 und die Freisetzung von Cytokeratin 18 unterschieden werden können. Bisher wurden jedoch keine eindeutigen Oberflächen- oder biochemischen Marker für den nekrotischen Zelltod identifiziert, und es sind nur negative Marker verfügbar. Dazu gehören das Fehlen apoptotischer Marker (Caspase-Aktivierung, Freisetzung von Cytochrom c und oligonukleosomale DNA-Fragmentierung) und eine unterschiedliche Kinetik der Zelltod-Marker (Phosphatidylserin-Exposition und Permeabilisierung der Zellmembran). Eine Auswahl von Techniken, die zur Unterscheidung von apoptotischen und nekroptotischen Zellen eingesetzt werden können, ist in diesen Referenzen zu finden. ⓘ

Auswirkungen auf Krankheiten

Ein Schnitt durch die Leber einer Maus mit mehreren apoptotischen Zellen, gekennzeichnet durch Pfeile ⓘ

Ein Schnitt durch die Leber einer Maus, der die apoptotischen Zellen zeigt (orange) ⓘ

Ultrastruktur neonataler Kardiomyozyten nach Anoxie-Reoxygenierung. ⓘ

Defekte Signalwege

Die vielen verschiedenen Arten von Apoptosewegen enthalten eine Vielzahl unterschiedlicher biochemischer Komponenten, von denen viele noch nicht verstanden sind. Da ein Signalweg mehr oder weniger sequentiell aufgebaut ist, führt das Entfernen oder Verändern einer Komponente zu einer Auswirkung auf eine andere. In einem lebenden Organismus kann dies katastrophale Auswirkungen haben, oft in Form von Krankheiten oder Störungen. Eine Erörterung aller Krankheiten, die durch eine Veränderung der verschiedenen Apoptosewege verursacht werden, wäre unpraktisch, aber das Konzept, das allen zugrunde liegt, ist dasselbe: Das normale Funktionieren des Weges wurde so gestört, dass die Fähigkeit der Zelle, eine normale Apoptose durchzuführen, beeinträchtigt wird. Das Ergebnis ist eine Zelle, die ihr "Verfallsdatum" überschritten hat und in der Lage ist, sich zu replizieren und fehlerhafte Mechanismen an ihre Nachkommen weiterzugeben, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Zelle krebsartig oder krank wird. ⓘ

Ein kürzlich beschriebenes Beispiel für die Anwendung dieses Konzepts ist die Entwicklung eines Lungenkrebses namens NCI-H460. Das X-chromosomale Apoptoseinhibitorprotein (XIAP) ist in den Zellen der H460-Zelllinie überexprimiert. XIAP bindet an die prozessierte Form von Caspase-9 und unterdrückt die Aktivität des apoptotischen Aktivators Cytochrom c, so dass die Überexpression zu einer Verringerung der Zahl der proapoptotischen Agonisten führt. Infolgedessen wird das Gleichgewicht zwischen anti-apoptotischen und proapoptotischen Effektoren zugunsten der ersteren gestört, und die geschädigten Zellen vermehren sich weiter, obwohl sie zum Absterben angewiesen sind. Defekte bei der Regulierung der Apoptose in Krebszellen treten häufig auf der Ebene der Kontrolle von Transkriptionsfaktoren auf. Ein besonderes Beispiel sind Defekte in Molekülen, die den Transkriptionsfaktor NF-κB bei Krebs kontrollieren, die die Art der Transkriptionsregulierung und die Reaktion auf apoptotische Signale verändern, um die Abhängigkeit vom Gewebe, dem die Zelle angehört, zu verringern. Dieser Grad der Unabhängigkeit von externen Überlebenssignalen kann die Metastasierung von Krebs ermöglichen. ⓘ

Dysregulierung von p53

Das Tumorsuppressorprotein p53 reichert sich an, wenn die DNA durch eine Kette biochemischer Faktoren geschädigt wird. Teil dieses Weges sind Alpha-Interferon und Beta-Interferon, die die Transkription des p53-Gens induzieren, was zu einem Anstieg des p53-Proteingehalts und einer Verstärkung der Krebszellen-Apoptose führt. p53 verhindert die Replikation der Zelle, indem es den Zellzyklus in G1 oder in der Interphase anhält, um der Zelle Zeit für die Reparatur zu geben, löst jedoch die Apoptose aus, wenn der Schaden groß ist und die Reparaturbemühungen fehlschlagen. Jede Störung der Regulation der p53- oder Interferon-Gene führt zu einer Beeinträchtigung der Apoptose und möglicherweise zur Bildung von Tumoren. ⓘ

Hemmung

Eine Hemmung der Apoptose kann zu einer Reihe von Krebserkrankungen, entzündlichen Erkrankungen und Virusinfektionen führen. Ursprünglich glaubte man, dass die damit verbundene Anhäufung von Zellen auf eine verstärkte Zellproliferation zurückzuführen ist, aber inzwischen weiß man, dass sie auch auf einen Rückgang des Zelltods zurückzuführen ist. Die häufigste dieser Krankheiten ist Krebs, die Krankheit der übermäßigen Zellproliferation, die häufig durch eine Überexpression von Mitgliedern der IAP-Familie gekennzeichnet ist. Dies hat zur Folge, dass die bösartigen Zellen anormal auf die Apoptoseinduktion reagieren: Zyklusregulierende Gene (wie p53, ras oder c-myc) sind in kranken Zellen mutiert oder inaktiviert, und auch weitere Gene (wie bcl-2) verändern ihre Expression in Tumoren. Einige apoptotische Faktoren sind bei der mitochondrialen Atmung lebenswichtig, z. B. Cytochrom C. Die pathologische Inaktivierung der Apoptose in Krebszellen korreliert mit häufigen Verschiebungen des Atmungsstoffwechsels hin zur Glykolyse (eine Beobachtung, die als "Warburg-Hypothese" bekannt ist. ⓘ

HeLa-Zelle

Die Apoptose in HeLa-Zellen wird durch Proteine gehemmt, die von der Zelle produziert werden; diese hemmenden Proteine richten sich gegen die tumorunterdrückenden Proteine des Retinoblastoms. Diese tumorunterdrückenden Proteine regulieren den Zellzyklus, werden aber inaktiviert, wenn sie an ein inhibitorisches Protein gebunden sind. HPV E6 und E7 sind inhibitorische Proteine, die vom humanen Papillomavirus exprimiert werden. HPV ist für die Bildung des Gebärmutterhalstumors verantwortlich, aus dem die HeLa-Zellen stammen. HPV E6 bewirkt, dass p53, das den Zellzyklus reguliert, inaktiv wird. HPV E7 bindet an die tumorsuppressiven Proteine des Retinoblastoms und schränkt dessen Fähigkeit ein, die Zellteilung zu kontrollieren. Diese beiden hemmenden Proteine sind teilweise für die Unsterblichkeit der HeLa-Zellen verantwortlich, da sie das Auftreten von Apoptose verhindern. Das Hundestaupevirus (CDV) ist in der Lage, trotz dieser hemmenden Proteine Apoptose auszulösen. Dies ist eine wichtige onkolytische Eigenschaft von CDV: Dieses Virus ist in der Lage, Lymphomzellen des Hundes abzutöten. Die Onkoproteine E6 und E7 lassen p53 zwar weiterhin inaktiv, sind aber nicht in der Lage, die Aktivierung der Caspasen zu verhindern, die durch den Stress der Virusinfektion ausgelöst wird. Diese onkolytischen Eigenschaften stellen eine vielversprechende Verbindung zwischen CDV und Lymphom-Apoptose her, die zur Entwicklung alternativer Behandlungsmethoden sowohl für Hunde-Lymphome als auch für menschliche Non-Hodgkin-Lymphome führen kann. Es wird vermutet, dass Defekte im Zellzyklus für die Resistenz bestimmter Tumorzellen gegen Chemotherapie oder Bestrahlung verantwortlich sind, so dass ein Virus, das trotz Defekten im Zellzyklus Apoptose auslösen kann, für die Krebsbehandlung nützlich ist. ⓘ

Behandlungen

Die wichtigste Behandlungsmethode für den potenziellen Tod durch signalvermittelte Krankheiten besteht darin, die Apoptoseanfälligkeit der erkrankten Zellen entweder zu erhöhen oder zu verringern, je nachdem, ob die Krankheit durch eine Hemmung oder ein Übermaß an Apoptose verursacht wird. So zielen Behandlungen darauf ab, die Apoptose wiederherzustellen, um Krankheiten mit mangelhaftem Zelltod zu behandeln, und die Apoptoseschwelle zu erhöhen, um Krankheiten zu behandeln, die mit übermäßigem Zelltod einhergehen. Um die Apoptose zu stimulieren, kann man die Zahl der Todesrezeptor-Liganden (wie TNF oder TRAIL) erhöhen, den anti-apoptotischen Bcl-2-Weg antagonisieren oder Smac-Mimetika einführen, um den Inhibitor (IAPs) zu hemmen. Die Zugabe von Wirkstoffen wie Herceptin, Iressa oder Glivec stoppt den Zellzyklus und aktiviert die Apoptose, indem sie die Wachstums- und Überlebenssignale weiter oben blockiert. Die Zugabe von p53-MDM2-Komplexen schließlich verdrängt p53 und aktiviert den p53-Signalweg, was zum Stillstand des Zellzyklus und zur Apoptose führt. Viele verschiedene Methoden können eingesetzt werden, um die Apoptose an verschiedenen Stellen des Todessignalwegs entweder zu stimulieren oder zu hemmen. ⓘ

Die Apoptose ist ein mehrstufiges Zelltodprogramm, das in jeder Zelle des Körpers abläuft. Bei Krebs ist das Verhältnis zwischen Apoptose und Zellteilung gestört. Die Krebsbehandlung durch Chemotherapie und Bestrahlung tötet die Zielzellen in erster Linie durch Auslösung der Apoptose. ⓘ

Hyperaktive Apoptose

Andererseits kann der Verlust der Kontrolle über den Zelltod (mit der Folge einer übermäßigen Apoptose) zu neurodegenerativen Erkrankungen, hämatologischen Erkrankungen und Gewebeschäden führen. Es ist interessant festzustellen, dass Neuronen, die auf die mitochondriale Atmung angewiesen sind, bei neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson Apoptose erleiden. (eine Beobachtung, die als "Inverse Warburg-Hypothese" bekannt ist). Außerdem besteht eine inverse epidemiologische Komorbidität zwischen neurodegenerativen Erkrankungen und Krebs. Das Fortschreiten von HIV steht in direktem Zusammenhang mit einer übermäßigen, unregulierten Apoptose. Bei einem gesunden Menschen steht die Zahl der CD4+-Lymphozyten im Gleichgewicht mit den vom Knochenmark erzeugten Zellen; bei HIV-positiven Patienten ist dieses Gleichgewicht jedoch gestört, weil das Knochenmark nicht in der Lage ist, CD4+-Zellen zu regenerieren. Im Falle von HIV sterben CD4+-Lymphozyten durch unkontrollierte Apoptose beschleunigt ab, wenn sie stimuliert werden. Auf molekularer Ebene kann die hyperaktive Apoptose durch Defekte in den Signalwegen verursacht werden, die die Proteine der Bcl-2-Familie regulieren. Eine erhöhte Expression von apoptotischen Proteinen wie BIM oder deren verringerte Proteolyse führt zum Zelltod und kann je nach Zelle, in der eine übermäßige Aktivität von BIM auftritt, eine Reihe von Pathologien verursachen. Krebszellen können der Apoptose durch Mechanismen entgehen, die die BIM-Expression unterdrücken, oder durch eine erhöhte Proteolyse von BIM. ⓘ

Behandlungen

Behandlungen, die auf eine Hemmung abzielen, blockieren bestimmte Caspasen. Schließlich fördert die Proteinkinase Akt das Überleben der Zellen über zwei Wege. Akt phosphoryliert und hemmt Bad (ein Mitglied der Bcl-2-Familie), wodurch Bad mit dem 14-3-3-Gerüst interagiert, was zur Dissoziation von Bcl und damit zum Überleben der Zellen führt. Akt aktiviert auch IKKα, was zur Aktivierung von NF-κB und zum Überleben der Zellen führt. Eine aktive NF-κB induziert die Expression von anti-apoptotischen Genen wie Bcl-2, was zu einer Hemmung der Apoptose führt. Es hat sich gezeigt, dass NF-κB sowohl eine antiapoptotische als auch eine proapoptotische Rolle spielt, je nach den verwendeten Stimuli und dem Zelltyp. ⓘ

Fortschreiten von HIV

Das Fortschreiten der Infektion mit dem Humanen Immundefizienz-Virus zu AIDS ist in erster Linie auf den Abbau von CD4+ T-Helfer-Lymphozyten zurückzuführen, und zwar so schnell, dass das körpereigene Knochenmark die Zellen nicht mehr auffüllen kann, was zu einem geschwächten Immunsystem führt. Einer der Mechanismen, durch den die T-Helferzellen dezimiert werden, ist die Apoptose, die durch eine Reihe von biochemischen Prozessen ausgelöst wird:

1. HIV-Enzyme deaktivieren das anti-apoptotische Bcl-2. Dies führt nicht direkt zum Zelltod, sondern bereitet die Zelle auf die Apoptose vor, wenn das entsprechende Signal empfangen wird. Parallel dazu aktivieren diese Enzyme die proapoptotische Procaspase-8, die die mitochondrialen Vorgänge der Apoptose direkt aktiviert.
2. HIV kann die Menge der zellulären Proteine erhöhen, die die Fas-vermittelte Apoptose auslösen.
3. HIV-Proteine verringern die Menge des CD4-Glykoprotein-Markers auf der Zellmembran.
4. Freigesetzte Viruspartikel und Proteine, die sich in der extrazellulären Flüssigkeit befinden, sind in der Lage, die Apoptose in nahe gelegenen T-Helferzellen auszulösen.
5. HIV verringert die Produktion von Molekülen, die die Zelle für die Apoptose markieren, so dass das Virus Zeit hat, sich zu vermehren und weiterhin Apoptoseerreger und Virionen in das umliegende Gewebe freizusetzen.
6. Die infizierte CD4+-Zelle kann das Todessignal auch von einer zytotoxischen T-Zelle erhalten. ⓘ

Zellen können auch als direkte Folge einer Virusinfektion absterben. Die Expression von HIV-1 führt zum G2/M-Stillstand und zur Apoptose der Tubuluszellen. Der Übergang von HIV zu AIDS erfolgt nicht unmittelbar und auch nicht unbedingt schnell; die zytotoxische Aktivität von HIV gegenüber CD4+-Lymphozyten wird als AIDS eingestuft, sobald die CD4+-Zellzahl eines Patienten unter 200 fällt. ⓘ

Forscher der Universität Kumamoto in Japan haben eine neue Methode zur Ausrottung von HIV in Virusreservoirzellen entwickelt, die sie "Lock-in und Apoptose" nennen. Mit Hilfe der synthetisierten Verbindung Heptanoylphosphatidyl L-Inositol Pentakisphophate (oder L-Hippo), die stark an das HIV-Protein PR55Gag bindet, konnten sie die virale Knospung unterdrücken. Durch die Unterdrückung der viralen Knospung gelang es den Forschern, das HIV-Virus in der Zelle zu fangen und der Zelle die Apoptose (den natürlichen Zelltod) zu ermöglichen. Nach Angaben von Professor Mikako Fujita steht dieser Ansatz HIV-Patienten noch nicht zur Verfügung, da das Forschungsteam noch weiter erforschen muss, wie die derzeitige medikamentöse Therapie mit diesem "Lock-in and apoptosis"-Ansatz kombiniert werden kann, um eine vollständige Heilung von HIV zu erreichen. ⓘ

Virale Infektion

Die Apoptose wird durch Viren ausgelöst, wenn eine oder mehrere Zellen eines lebenden Organismus mit einem Virus infiziert werden, was zum Zelltod führt. Der Zelltod in Organismen ist notwendig für die normale Entwicklung von Zellen und die Reifung des Zellzyklus. Er ist auch wichtig für die Aufrechterhaltung der normalen Funktionen und Aktivitäten der Zellen. ⓘ

Viren können die Apoptose infizierter Zellen über eine Reihe von Mechanismen auslösen, darunter

• Bindung an einen Rezeptor
• Aktivierung der Proteinkinase R (PKR)
• Interaktion mit p53
• Expression von Virusproteinen, die an MHC-Proteine auf der Oberfläche der infizierten Zelle gekoppelt sind, was die Erkennung durch Zellen des Immunsystems (wie natürliche Killer- und zytotoxische T-Zellen) ermöglicht, die dann die Apoptose der infizierten Zelle einleiten.

Es ist bekannt, dass das Hundestaupevirus (CDV) in vivo und in vitro Apoptose im zentralen Nervensystem und im lymphatischen Gewebe infizierter Hunde verursacht. Die durch CDV verursachte Apoptose wird in der Regel über den extrinsischen Weg ausgelöst, der Caspasen aktiviert, die die Zellfunktionen stören und schließlich zum Tod der Zellen führen. In normalen Zellen aktiviert CDV zuerst die Caspase-8, die als Initiatorprotein fungiert, gefolgt von dem Ausführungsprotein Caspase-3. Bei der durch CDV ausgelösten Apoptose in HeLa-Zellen ist jedoch das Initiatorprotein Caspase-8 nicht beteiligt. Die durch CDV ausgelöste Apoptose in HeLa-Zellen folgt einem anderen Mechanismus als die Apoptose in Vero-Zelllinien. Diese Veränderung in der Caspase-Kaskade deutet darauf hin, dass CDV die Apoptose über den intrinsischen Weg auslöst, so dass das Initiator-Caspase-8 nicht benötigt wird. Das Henkerprotein wird stattdessen durch die internen Stimuli aktiviert, die durch die Virusinfektion und nicht durch eine Caspase-Kaskade verursacht werden. ⓘ

Das Oropouche-Virus (OROV) gehört zur Familie der Bunyaviridae. Die Untersuchung der durch Bunyaviridae ausgelösten Apoptose wurde 1996 eingeleitet, als beobachtet wurde, dass das La-Crosse-Virus in den Nierenzellen von Babyhamstern und im Gehirn von Babymäusen Apoptose auslöste. ⓘ

OROV ist eine Krankheit, die von Mensch zu Mensch durch die Stechmücke (Culicoides paraensis) übertragen wird. Es wird als zoonotisches Arbovirus bezeichnet und verursacht eine fieberhafte Erkrankung, die durch einen plötzlichen Fieberanfall, das so genannte Oropouche-Fieber, gekennzeichnet ist. ⓘ

Das Oropouche-Virus verursacht auch Störungen in kultivierten Zellen, d. h. in Zellen, die unter bestimmten und spezifischen Bedingungen gezüchtet werden. Ein Beispiel dafür sind die HeLa-Zellen, die kurz nach der Infektion zu degenerieren beginnen. ⓘ

Mit Hilfe der Gelelektrophorese lässt sich feststellen, dass OROV in HeLa-Zellen eine DNA-Fragmentierung verursacht. Dies kann durch Zählen, Messen und Analysieren der Zellen der Sub/G1-Zellpopulation interpretiert werden. Wenn HeLA-Zellen mit OROV infiziert werden, wird das Cytochrom C von der Membran der Mitochondrien in das Zytosol der Zellen freigesetzt. Diese Art der Interaktion zeigt, dass die Apoptose über einen intrinsischen Weg aktiviert wird. ⓘ

Damit die Apoptose innerhalb von OROV stattfinden kann, ist eine virale Entschalung, eine virale Internalisierung sowie die Replikation der Zellen erforderlich. Bei einigen Viren wird die Apoptose durch extrazelluläre Stimuli aktiviert. Studien haben jedoch gezeigt, dass die OROV-Infektion die Apoptose durch intrazelluläre Stimuli aktiviert und die Mitochondrien einbezieht. ⓘ

Viele Viren kodieren für Proteine, die die Apoptose hemmen können. Mehrere Viren kodieren für virale Homologe von Bcl-2. Diese Homologe können proapoptotische Proteine wie BAX und BAK hemmen, die für die Aktivierung der Apoptose wesentlich sind. Beispiele für virale Bcl-2-Proteine sind das Epstein-Barr-Virus BHRF1-Protein und das Adenovirus E1B 19K-Protein. Einige Viren exprimieren Caspase-Inhibitoren, die die Caspase-Aktivität hemmen; ein Beispiel dafür ist das CrmA-Protein der Kuhpockenviren. Eine Reihe von Viren kann die Wirkung von TNF und Fas blockieren. So kann beispielsweise das M-T2-Protein von Myxomviren TNF binden und verhindern, dass dieser an den TNF-Rezeptor bindet und eine Reaktion auslöst. Darüber hinaus exprimieren viele Viren p53-Inhibitoren, die p53 binden und seine transkriptionelle Transaktivierungsaktivität hemmen können. Infolgedessen kann p53 keine Apoptose auslösen, da es die Expression proapoptotischer Proteine nicht induzieren kann. Das E1B-55K-Protein des Adenovirus und das HBx-Protein des Hepatitis-B-Virus sind Beispiele für virale Proteine, die eine solche Funktion erfüllen können. ⓘ

Viren können insbesondere in den letzten Stadien der Infektion von der Apoptose verschont bleiben. Sie können in den apoptotischen Körpern, die sich von der Oberfläche der absterbenden Zelle ablösen, exportiert werden, und die Tatsache, dass sie von Phagozyten verschluckt werden, verhindert die Einleitung einer Wirtsreaktion. Dies begünstigt die Ausbreitung des Virus. ⓘ

Pflanzen

In Vielzellern werden sterbende (apoptotische) Zellen schnell und effizient von spezialisierten oder dafür vorbereiteten Fresszellen (Phagozyten) entfernt. Das gängige Konzept besagt, dass die Beseitigung dieser Zellen ohne Entzündung (Inflammation) verläuft oder sogar eine entzündungshemmende (anti-inflammatorische) Reaktion auslöst. Im Gegensatz dazu löst die Beseitigung nekrotischer Zellen eher eine entzündungsfördernde (pro-inflammatorische) Reaktion aus. Nicht nur die sterbende Zelle selbst, sondern auch die während des Zelltodes freigesetzten Substanzen tragen zum Prozess der Beseitigung der toten Zellen und der daraus folgenden Antwort des Immunsystems bei. ⓘ

Kontrollierter Zelltod ist für die Homöostase multizellulärer Organismen von existentieller Bedeutung. Während der permanenten Zellerneuerung muss der Körper täglich Milliarden durch Apoptose entstandene Zellleichen entfernen. Eine effiziente Clearance apoptotischer Zellen ist von fundamentaler Bedeutung, weil diese andernfalls dazu tendieren, sekundär nekrotisch zu werden, intrazelluläre Bestandteile freizusetzen und dadurch Entzündung und Autoimmunität auszulösen. ⓘ

Caspase-unabhängige Apoptose

Die Charakterisierung der Caspasen ermöglichte die Entwicklung von Caspase-Inhibitoren, mit denen festgestellt werden kann, ob ein zellulärer Prozess aktive Caspasen beinhaltet. Mit Hilfe dieser Inhibitoren wurde entdeckt, dass Zellen absterben können, während sie eine der Apoptose ähnliche Morphologie aufweisen, ohne dass Caspasen aktiviert werden. Spätere Studien brachten dieses Phänomen mit der Freisetzung von AIF (Apoptose-induzierender Faktor) aus den Mitochondrien und seiner Verlagerung in den Zellkern in Verbindung, die durch sein NLS (Nuclear Localization Signal) vermittelt wird. Im Inneren der Mitochondrien ist AIF an der inneren Membran verankert. Um freigesetzt zu werden, wird das Protein durch eine calciumabhängige Calpain-Protease gespalten. ⓘ

Siehe auch

• Anoikis
• Apaf-1
• Apo2.7
• Apoptotische DNA-Fragmentierung
• Atromentin induziert die Apoptose in menschlichen Leukämiezellen U937.
• Autolyse
• Autophagie
• Cisplatin
• Zytotoxizität
• Entose
• Ferroptose
• Homöostase
• Immunologie
• Nekrobiose
• Nekrose
• Nekrotaxis
• Nemose
• p53
• Paraptose
• Pseudoapoptose
• PI3K/AKT/mTOR-Stoffwechselweg ⓘ

Allgemeine Bibliographie

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2015). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science. p. 2. ISBN 978-0815344322. ⓘ

Vorkommen

Während der Entwicklung eines Organismus ist Apoptose essentiell:

• bei der Metamorphose von der Kaulquappe zum Frosch oder der Degeneration der Häute zwischen den Fingern/Zehen (Interdigitalhäute) werden gezielt Zellen zur Apoptose angeregt
• durch apoptotischen Zelltod der Zellen von Glaskörper und Linse des Linsenauges wird die Lichtdurchlässigkeit der Augenlinse erreicht
• zur Gewährleistung der richtigen „Verschaltung“ von Hirnstrukturen sowie einzelner Nervenzellen sterben bis zur Hälfte aller ursprünglich entstandenen Nervenzellen noch vor der Geburt wieder ab ⓘ

Aber auch im adulten Organismus ist sie unerlässlich:

• zur Kontrolle der Zellzahl und der Größe von Geweben
• bei der Verjüngung von Geweben (z. B. beim Riechepithel der Nase)
• bei Selektion und Abbau unnötiger oder potentiell schädlicher Zellen des Immunsystems
• zur Eliminierung entarteter Zellen
• zur Gewährung der Plastizität im zentralen Nervensystem
• zur Selektion von Keimzellen (ca. 95 Prozent der Keimzellen werden vor dem Erreichen ihrer Reife apoptotisch getötet)
• bei der holokrinen Sekretion, d. h. bei den Talgdrüsen des Menschen

Gegenwärtig wird die Apoptose besonders im Zusammenhang mit der Krebs­entstehung und verschiedenen Autoimmunerkrankungen erforscht. Ein Ziel der Krebsforschung ist es, kontrollierte Apoptose bei entarteten Zellen auszulösen. Doch auch die Krebszellen nutzen den Apoptosemechanismus, um menschliche Abwehrzellen, sogenannte tumorinfiltrierende Lymphozyten (TILs), auszuschalten. So findet man an der Oberfläche verschiedener Tumorzelllinien ein Apoptose-auslösendes Protein, den CD95-Liganden (Fas Ligand). Diesen Mechanismus bezeichnet man als tumor counterattack. ⓘ

Die Frage, welche Rolle Apoptose bei neurodegenerativen Krankheiten (wie z. B. Morbus Alzheimer, Chorea Huntington, Morbus Parkinson, ALS) spielt, wird derzeit ebenfalls heftig diskutiert und auf diesem Gebiet laufen verschiedenste Forschungen. ⓘ

Auch in einzelligen Organismen wurden Anzeichen von Apoptose gefunden. In Saccharomyces cerevisiae (Backhefe, Bierhefe) werden – besonders in alten Zellen – verschiedene Marker von Apoptose (DAPI, TUNEL-Färbung) sichtbar. Über evolutionäre Gründe für das Vorhandensein von Apoptose in Einzellern wird spekuliert. Eine Theorie besagt, dass sich einzelne schadhafte Zellen opfern und zum Wohle des Kollektivs „Suizid“ begehen. Dadurch werden Nährstoffe eingespart, die somit den anderen Zellen zur Verfügung stehen. Ziel ist es schließlich, das Genom zu erhalten, das ja auch in den anderen Zellen praktisch identisch vorhanden ist. ⓘ

Darstellung

Histologie

Der Ablauf der Apoptose lässt sich lichtmikroskopisch verfolgen. Zuerst löst sich die betreffende Zelle aus dem Gewebsverband. Im weiteren Verlauf färbt sich die Zelle mehr und mehr eosinophil an und wird zunehmend kleiner. Außerdem bilden sich an der Zellmembran sichtbare Bläschen. Der Zellkern wird kleiner und dichter gepackt. Er kann im Verlauf der Apoptose auch in mehrere Teile zerfallen. Am Ende des Vorgangs bleibt ein homogen eosinophiles Apoptosekörperchen. Dieses wird dann durch Phagozytose abgebaut. Der programmierte Zelltod löst dabei keine Entzündungsreaktion aus. ⓘ

Bildgebende Verfahren

Die Apoptose lässt sich mittels bildgebender Verfahren, wie beispielsweise Positronen-Emissions-Tomographie, Fluoreszenzbildgebung (fluorescence imaging) sowie Magnetresonanztomographie makroskopisch in vivo nachweisen (molekulare Bildgebung). Als Tracer werden modifizierte Aminosäuren, wie (5-Dimethylamino)-1-napththalinsulfonyl-α-ethyl-fluoralanin (NST-732) oder N,N′-Didansyl-L-cystin, verwendet. ⓘ

Signaltransduktionswege

Schematische Darstellung der Signaltransduktionswege ⓘ

Der Vorgang der Apoptose lässt sich in zwei Phasen unterteilen: Initiations- und Effektorphase. ⓘ

Initiationsphase

In der Regel werden hinsichtlich der Initiationsphase zwei Vorgänge unterschieden: der extrinsische (Typ I) und der intrinsische (Typ II) Weg. Eine strikte Trennung der Vorgänge ist in vivo kaum möglich. ⓘ

Stressinduzierter Weg – (Typ III)

Stressreaktionen des Endoplasmatischen Retikulums, die beispielsweise durch deregulierte Entleerung des ER-Calciumspeichers, Glucosemangel, Hypoxie oder missgefaltete Proteine (Unfolded Protein Response) hervorgerufen werden können, können Apoptose initiieren. Es gibt dabei einen Transkriptionsfaktor- und einen Caspase-abhängigen Signalweg. ⓘ

Ausführungsphase und Caspase-Kaskade

Sogenannte Effektorcaspasen, vornehmlich die Caspasen 3, 6 und 7, führen zum apoptotischen Tod der Zelle. Sie sind selbst aktiv am Abbau von Lamin (in der Zellkernmembran) und Actin (Teil des Zytoskeletts) beteiligt. Andererseits aktivieren sie sekundäre Zielproteine (z. B. Caspase aktivierte DNase, CAD, oder andere Caspasen) durch limitierte Proteolyse. Die DNase spaltet genomische DNA an internukleosomalen gekennzeichneten Regionen (linker region) und produziert 180–185 bp Fragmente. Dieses charakteristische Längenmuster lässt sich in einer Agarose-Gel-Elektrophorese als „Apoptoseleiter“ darstellen. Die Darstellung der „Apoptoseleiter“ ist deshalb eine sensitive Methode, um Apoptose vom ischämischen oder toxischen Zelltod abzugrenzen. Ein weiterer Aspekt ist die caspasevermittelte Unterdrückung der DNA-Reparatur. ⓘ

Letztlich schnürt die Zelle nach und nach kleine Vesikel ab, die wiederum durch spezialisierte „Fresszellen“ (Phagozyten) aufgenommen werden. Im Gegensatz zur Nekrose bleibt hierbei die Zellmembran intakt. ⓘ

Der Austritt von Cytochrom c aus Mitochondrien ins Zytoplasma, der ein allgegenwärtiges Anzeichen für Apoptose ist, tritt beim extrinsischen Weg erst spät während der Apoptose auf und ist eher Resultat der Apoptose als ihr Auslöser. ⓘ

Beim extrinsischen Weg unterscheidet man ferner zwischen aktiver (durch Aktivierung von Rezeptoren induziert) und passiver (ausgelöst durch Entzug von Wachstumsfaktoren, z. B. Neurotrophine) Apoptose. ⓘ

Die wichtigsten bei der Unterdrückung der Apoptose beteiligten Proteine sind die anti-apoptotischen Mitglieder der Bcl-2 Familie (Bcl-2 und Bcl-x_L) und die IAPs (Apoptose-inhibitorische Proteine, engl. inhibitor-of-apoptosis proteins), wie beispielsweise Survivin. Weiter stromaufwärts liegen die Proteinkinase B (Alternativbezeichnung: Akt), z. B. in Zusammenhang mit Rezeptoren der Trk-Familie (siehe Neurotrophin) und Transkriptionsfaktoren der FOXO-Familie sowie der Transkriptionsfaktor NF-κB. ⓘ

Zusammenwirken mit Phagozyten

In gesunden, multizellulären Organismen werden apoptotische Zellen unverzüglich entweder von phagozytosefähigen Nachbarzellen oder von spezialisierten Fresszellen (Phagozyten) aufgenommen. Das Problem, das sich aus diesem Szenario ergibt, ist, wie es den spezialisierten Phagozyten gelingt, ihre Beutezelle rechtzeitig zu erreichen, insbesondere, wenn sie sich nicht in der direkten Umgebung der sterbenden Zellen aufhalten. Eine Möglichkeit ist, dass sterbende Zellen lösliche Mediatoren absondern, die die Phagozyten anlocken. Im Überstand apoptotischer Zellen wurden folgende Stoffe als „find-me“-Signale (Chemoattraktantien) identifiziert:

• Lysophosphatidylcholine (LPC)
• Nukleotide
• Thrombospondin-1 (TSP-1) und dessen Bestandteile
• Fraktalkin,
• apoptotische Mikroblebs
• Sphingosin 1 Phosphat (S1P)
• löslicher IL-6 Rezeptor (sIL-6R)
• Kreuzvernetztes Dimer des S19 ribosomalen Proteins (dRP S19),
• Endotheliales Monozyten-aktivierendes Polypeptid II (EMAP II),
• Spaltprodukte humaner Tyrosyl-tRNA Synthetase (TyrRS),
• Laktoferrin ⓘ