| Etwa 10 Billionen Zellen hat unser Körper. Mehrere Milliarden davon werden täglich neu gebildet, um verbrauchte, funktionsunfähige oder beschädigte Zellen zu ersetzen. Nur wenn die Neubildung von Zellen durch Proliferation und die physiologische Elimination durch den sogenannten Programmierten Zelltod miteinander im Gleichgewicht stehen, sind konstante Organgrößen gewährleistet. | |
| Apoptose (griech.): Das Fallen der Blätter im Wind |
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| Der Programmierte Zelltod ist ein spezielles Selbstmordprogramm, das binnen weniger Stunden zur kompletten Elimination der betroffenen Zelle führt. Das aus dem Griechischen stammende Wort Apoptose bezeichnet das Fallen der Blätter im Herbst und gibt damit einen bildlichen Vergleich für das altruistische Absterben einzelner Zellen zum Wohle des Gesamtorganismus. Altern (Seneszenz) und Sterben eines Individuums haben mit dem Zelltod durch Apoptose nichts zu tun. Ihre Erforschung befindet sich noch ganz am Anfang. |
| Zellen können durch Nekrose oder Apoptose zu Tode kommen. Unter Nekrose versteht man den durch äußere Einwirkung gewaltsam herbeigeführten "Zell-Mord". Auslöser können u.a. physikalische oder chemische Einwirkungen sein, wie Verbrennung, Vergiftung oder mechanische Beschädigungen. Diese führen in ausgedehnten Gewebsarealen zum Aufplatzen von Zellen, was meist eine Entzündungsreaktion zur Folge hat. Im Gegensatz dazu setzt bei der Apoptose ein genetisch gesteuertes Programm den gezielten "Zell-Selbstmord" in Gang. In ihrer Anfangsphase schrumpfen Zytoplasma und Zellkern; jedoch bleiben die meisten Zellbestandteile, wie Mitochondrien und endoplasmatisches Retikulum, intakt. |
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| Die Zelle stirbt in der intakten Hülle |
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| Die Zellmembran bleibt unbeschädigt, so daß eine Entzündungsreaktion ausbleibt. Schließlich zerfällt die Zelle in membranumschlossene Abschnürungen (apoptotische Körperchen), die von herbeigelockten Freßzellen oder von Nachbarzellen abgebaut werden. Dabei sind in einem Gewebe immer nur einzelne Zellen betroffen. |
| Der Programmierte Zelltod findet bereits während der Embryonalentwicklung in allen Organen statt. So werden Nervenzellen zunächst im Überschuß produziert; davon gehen etwa 50% wieder zugrunde, weil sie keinen Kontakt mit benachbarten Neuronen herstellen konnten. Abb. 2 (leider im Internet nicht verfügbar) zeigt das Frühstadium eines menschlichen Fußes; damit die Zehen voneinander getrennt werden, muß das Gewebe in den Zwischenzehenräumen entfernt werden. Gleiches gilt für die Entwicklung der Hand. |
| Beim Erwachsenen tritt diese Elimination in allen Geweben mit hohem Zellumsatz auf, da alte und funktionsunfähige Zellen beseitigt werden müssen, um Platz für neu gebildete zu machen: in der Haut, den Zellen des Magen-Darm-Traktes und den kernhaltigen Zellen des Blutes. Da rote Blutkörperchen kernlos sind und daher unfähig, ein genetisches Programm wie die Apoptose auszuführen, mußte der Körper mit der Milz ein eigenes Organ entwickeln, um sie aus dem Kreislauf entfernen zu können. Gewebe mit geringem Zellumsatz, wie das Zentralnervensystem, zeigen eine entsprechend kleine Apoptoserate. Allerdings nimmt, vermutlich ebenfalls durch apoptotische Vorgänge, die Masse der Großhirnrinde bis zum 40. Lebensjahr etwa um 15% ab, was zur sinkenden Konzentrations- und Merkfähigkeit beiträgt. |
| Ein Beispiel für die Entfernung nur temporär benötigter Zellen bietet die weibliche Brust: werden nach dem Abstillen die milchproduzierenden Zellen nicht mehr benötigt, sterben diese unter dem Einfluß der veränderten Hormonlage binnen weniger Tage ab, und die Brust verkleinert sich auf die ursprüngliche Größe. |
| Auch Zellen, die eine Gefahr für den Organismus darstellen, müssen eliminiert werden. Dies gilt z.B. für Zellen, die durch mutagene Agenzien Schäden davongetragen haben oder durch Viren infiziert sind, da sie Tumoren ausbilden könnten bzw. eine Quelle für die Infektion weiterer Zellen darstellen. Besonders kritisch ist die Selektion bei den Keimzellen, da sich hier jeder Schaden bei den Nachkommen bemerkbar machen würde. Aus diesem Grund sterben über 95% der Spermien und Eizellen ab, bevor sie überhaupt zur vollen Reife gelangen. |
| Die Störung des fein ausbalancierten Gleichgewichtes zwischen Zellproliferation und -elimination verursacht zwangsläufig pathologische Zustände. So führt entgegen dem früheren Credo nicht nur verstärkte Proliferation zur Entstehung eines Tumors, sondern gegebenenfalls auch eine verringerte Zelleliminationsrate. Vorzeitige oder verstärkte Apoptose führt zu Anämien, zu Zelluntergang bei Mutipler Sklerose, nach Schlaganfällen und Herzinfarkten und vor allem zu neurodegenerativen Erkrankungen. Das Nervengewebe verfügt über keine Regenerationsfähigkeit, so daß sich der Zelltod in diesem Gewebe besonders dramatisch auswirkt. In den letzten Jahren wurde gezeigt, daß der Untergang von Nervenzellen bei Krankheiten wie Alzheimerscher Demenz, amyotrophischer Lateralsklerose (ALS), Chorea Huntington, Creutzfeld-Jacob-Syndrom (CJS) und boviner spongiformer Enzephalopathie (BSE) oder Morbus Parkinson durch apoptotische Zellelimination bewirkt wird. Auch das Absterben der T4-Helferzellen nach einer HIV-Infektion beruht auf einer verstärkten apoptotischen Elimination dieser Zellen. |
| Die klinische Relevanz des Phänomens Apoptose hat die Untersuchung der molekularen Mechanismen und der daran beteiligten Gene zu einem heiß umforschten Gebiet gemacht. Der Ablauf der Apoptose läßt sich in drei Stadien einteilen. In der Induktionsphase führt ein von außen stammender Befehl oder ein intrazellulärer Entscheidungsprozeß zur Aktivierung des apoptotischen Programms. Während der Exekutionsphase wird das Todesurteil ausgeführt, und in der Endphase werden die verbliebenen Zelltrümmer beseitigt. Die Signale der Induktionsphase und ihre intrazellulären Verarbeitungswege sind sehr variabel und zelltypspezifisch. Doch in der Exekutionsphase münden sie vermutlich in einen allgemeingültigen Mechanismus, so daß die Ausführung der Zellelimination für alle Gewebe identisch sein dürfte. |
| Jede Zelle unseres Körpers befindet sich in ständigem Informationsaustausch mit ihrer Umgebung. Sie wird von Wachstumsfaktoren und Hormonen umspült, die sie für ihr Überleben benötigt. Werden die Wachstumsfaktoren entzogen oder die nachbarschaftlichen Kontakte unterbrochen, so führt dies in der Regel zur Auslösung des Selbstmordprogramms. D.h., jede Zelle braucht ein bestimmtes soziales Milieu, das ihr über viele Signale mitteilt, daß sie benötigt wird. Wird ihr dies entzogen, so schaltet sie das Suizidprogramm ein. |
| Die meisten positiven Signale sind vielfältige chemische Botenstoffe, die an der Außenseite der Zelle an Rezeptoren binden. Neben dem Verlust von Botenstoffen und Kontakten kann auch die Besetzung von Rezeptoren mit speziellen Botenstoffen Apoptose auslösen. Darüber hinaus wird Apoptose induziert durch erbgutschädigende Noxen, wie Röntgen- oder UV-Bestrahlung. |
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| Defektes Erbgut wird repariert oder beseitigt |
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| Hohe Dosen an UV- oder Röntgenstrahlung führen zu einer Schädigung des genetischen Materials (DNA) der Zellen. Diese haben dann die Wahl zwischen einer DNA-Reparatur oder der Apoptose bei irreparablen DNA-Schäden. Damit wird verhindert, daß Defekte der Erbmasse (Genom) im Organismus verbleiben und an Tochterzellen weitergegeben werden. Intensive Sonneneinstrahlung löst binnen kurzer Zeit eine massive Apoptose von Zellen der äußeren Hautschicht aus, die sich rötet und ablöst. Ein solcher Sonnenbrand kann jedoch noch nach Jahren, wenn geschädigte Zellen nicht vollständig beseitigt wurden, zu Melanomen führen. |
| Ein Protein - P53 genannt - überprüft die Intaktheit der DNA und wurde daher auch als der "Wächter des Genoms" bezeichnet. Bei irreparablen DNA-Schäden löst P53 Apoptose aus, wahrscheinlich durch Induktion der Synthese des apoptosefördernden Bax-Proteins. Es sorgt demzufolge für die Stabilität des Genoms, indem es genetisch veränderte Zellen ausschaltet und damit die Ausbildung von Tumoren unterdrückt. In der Tat weisen 50% aller soliden Tumoren ein genetisch verändertes und damit funktionsunfähiges P53 auf. Führt eine weitere Genschädigung zum Verlust der Proliferationskontrolle oder zu einer Hemmung der Apoptoseinduktion, so sind der ungehemmten Vermehrung dieser Zellen keine Grenzen gesetzt. |
| Hat ein äußeres Todessignal eine Zelle getroffen, so wird die Berechtigung dieses Befehls überprüft. Diese Aufgabe übernehmen die Proteine der bcl-2-Genfamilie. Diese Proteine verbinden sich untereinander zu Dimeren und wirken entweder fördernd oder hemmend auf die Apoptose. Überwiegen die inhibierenden Familienmitglieder (Bcl-2 oder Bcl-xL), so ist die Apoptose unterdrückt, überwiegen die förderenden (Bax, Bak oder Bcl-xS), so wird Apoptose ausgelöst. Sie stellen eine Art Meßfühler dar, der letztlich über Sein oder Nichtsein der Zelle entscheidet. Einige dieser Proteine sind an Membranen intrazellulärer Bestandteile (wie endoplasmatisches Retikulum, des Kerns und der Mitochondrien) gebunden. Die Strukturaufklärung dieser Proteine zeigte, daß sie Poren ausbilden können und auf diese Weise die Ionendurchlässigkeit von Membranen beeinflussen. Bcl-2- oder Bcl-xL-Dimere unterdrücken die Durchlässigkeit der Mitochondrienmembran für Wasserstoff- und Calciumionen, erhalten damit die Funktionsfähigkeit der Mitochondrien und wirken so der Apoptose entgegen. Überwiegen dagegen in der Zelle Dimere von dem apoptosefördernden Bax oder Bak, so resultiert eine erhöhte Membrandurchlässigkeit der Mitochondrien für Wasserstoff- und Calciumionen und damit ein Zusammenbruch seines Membranpotentials. Als Folge treten mitochondriale Proteine wie z.B. Cytochrom C in das Zytoplasma über und forcieren die Einleitung der Apoptose. |
| Ist innerhalb der Zelle die Entscheidung zum Zelltod gefallen, so werden weitere Proteine aktiviert, die gezielt essentielle Bestandteile der Zelle zerstören, wodurch diese irreversibel geschädigt und funktionsunfähig wird. Die sog. Caspasen zerlegen Schlüsselproteine der Zelle, die für Strukturerhaltung, Replikation und Reparatur der DNA und Neusynthese von Proteinen wichtig sind. Die Endonukleasen zerstören das genetische Material und damit das Informationszentrum der Zelle. Der Tod erfolgt durch Tausende von Schnitten, die Proteine und DNA zerlegen. Am Ende steht der Zerfall der sterbenden Zelle in apoptotische Körperchen, die von anderen Zellen aufgenommen (phagozytiert) und abgebaut werden. |
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| Aufgeklärt: ein Signal für den Programmierten Zelltod |
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| In den letzten Jahren wurde in lymphatischen Zellen die Wirkungsweise eines wichtigen Todessignalsystems aufgeklärt, das in vielen Zellen Apoptose auslösen kann. Die komplizierten Steuerungsmechanismen sollen anhand von Abb. 4 (leider im Internet nicht verfügbar) angedeutet werden: Das System besteht aus einem membranständigen Rezeptor, der CD95 genannt wird. Der Botenstoff ist ebenfalls ein Membranprotein und wird CD95-Ligand genannt. Der CD95-Ligand, der an der Oberfläche bestimmter Zellen gebunden oder auch in löslicher Form vorkommt, bindet an den auf der Oberfläche von Zielzellen vorkommenden Rezeptor CD95. Die Bindung von CD95-Liganden bewirkt das Zusammentreten von drei CD95-Rezeptormolekülen (eine Trimerisierung). Durch diese Trimerisierung werden innerhalb der Zelle die intrazellulären Todesdomänen der CD95- Moleküle zusammengeführt, diese induzieren die Ausbildung des Adaptorkomplexes DISC, der die inaktive Caspase 8 in die aktive Form überführt. Diese Signalcaspase aktiviert eine Reihe von Verstärkercaspasen, die ihrerseits Effektorcaspasen wie Caspase 3 aktivieren und den Zelltod ausführen. |
| Die Arbeitsgruppe um Prof. Krammer (Heidelberg) konnte zeigen, daß cytotoxische T8-Killerzellen nach diesem Prinzip arbeiten: Nach Kontakt mit Zielzellen über den T-Zell-Rezeptor wird deren Oberfläche auf Fremdsubstanzen (z.B. virale Proteine) überprüft. Wird eine Veränderung festgestellt, präsentieren die T-Zellen auf ihrer Oberfläche den CD95-Liganden, der die Apoptose der Zielzellen auslöst. Die Wirkung des CD95-Liganden kann an humanen Tumorzellen in Zellkultur mit Hilfe spezifischer Antikörper gegen den CD95-Rezeptor nachvollzogen werden: wenn diese ebenfalls eine Trimerisierung der CD95-Rezeptormoleküle der Tumorzellen bewirkt, werden diese schon nach fünf Minuten in die Apoptose getrieben. |
| Beim Menschen sind inzwischen zehn verschiedene Caspasen bekannt, die in einer Signalkaskade angeordnet sind. Eine Hemmung der Caspasen unterbricht die Apoptose, die Zelle wird gerettet. Einige Viren haben spezielle Proteine zur Hemmung von Caspasen entwickelt, um auf diese Weise ihr eigenes Überleben zu sichern. |
| Wie in unserem Labor gezeigt werden konnte, gehört zu den Substraten der Caspase 3 das Protein Aktin, das ein Baustein des inneren Zellskeletts und wichtig für die Aufrechterhaltung der Zellform und viele zelluläre Motilitätserscheinungen ist. Aktin kann als einzelnes Molekül (Monomer) vorliegen oder zu langen fadenförmigen Strukturen (Filamenten) aggregieren. Beide Formen stehen in einem dynamischen Gleichgewicht. Caspase 3 baut monomeres Aktin ab, so daß es letztlich zum Abbau der Aktinfilamente kommt. Diese Vorgänge sind für die dramatischen Veränderungen der Zellmorphologie während der Apoptose verantwortlich. |
| Die tödliche Wirkung der Caspasen wird durch Endonukleasen ergänzt, die das Chromatin der Zelle in charakteristischer Weise abbauen und damit die genetische Information zerstören. Im Zellkern liegt die DNA in Assoziation mit Strukturproteinen, den Histonen, vor; der größte Anteil der DNA ist um einen Proteinkern aus Histonen gewickelt wie Nähgarn um die Rolle. Beim apoptotischen Chromatinabbau wird die DNA in den Bereichen abgebaut, die nicht durch die Assoziation mit Histonen geschützt sind, so daß man schließlich DNA-Bruchstücke von 200 Basenpaaren oder Multiplen davon erhält. |
| Nach Extraktion der DNA lassen sich daher durch Auftrennung in einem elektrischen Feld sog. DNA-Leitern sichtbar machen. Nekrotische Zellen zeigen diese Leiter nicht; ihre DNA wird unspezifisch abgebaut. Der Nachweis einer DNA-Leiter gilt als wichtiges biochemisches Charakteristikum apoptotischer Zellen. Diese Zerstörung des "Zentralcomputers" der Zelle ist irreversibel. Der |
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| Programmierter Zelltod: biochemisch nachweisbar |
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| DNA-Abbau soll auch sicherstellen, daß veränderte und potentiell gefährliche DNA-Sequenzen, die durch Virusinfektionen oder mutagene Agenzien auftreten, effektiv beseitigt werden. |
| Die Identität und das Zusammenspiel der apoptotischen Endonukleasen ist noch nicht vollständig geklärt. Über eine durch Caspase aktivierbare Endonuklease, CAD, liegen erst wenige Informationen vor. Unser Labor hat nachweisen können, daß die Desoxyribonuklease I (DNase I) wesentlich an der Apoptose beteiligt und universell verbreitet ist. Sie wird in differenzierten Gewebszellen vor ihrer apoptotischen Elimination gebildet. Abb. 7a (leider im Internet nicht verfügbar) zeigt z.B. einen immunhistochemischen Nachweis der DNase I in der Haut. Der apoptotische DNA-Abbau kann auch histologisch demonstriert werden. Die Tatsache, daß Zellen in Apoptose eine hohe Konzentration an freien DNA-Enden aufweisen, wird genutzt, um mittels einer spezifischen enzymatischen Reaktion diese freien Enden mit fluoreszierenden Farbstoffen zu beladen. Da jedoch die apoptotische Zellelimination sehr rasch abläuft (4 bis 8 Stunden), können in einem Gewebsschnitt nur wenige Zellkerne mit dieser Methode markiert werden. |
| Erst in den letzten Jahren ist der Programmierte Zelltod als der Mechanismus, über den Zellen unseres Körpers entfernt werden, in das Bewußtsein vieler Forscher gedrungen. Bereits Histologen des vorigen Jahrhunderts hatten die apoptotische Zellelimination entdeckt und als Karyorrhexis, Karyopyknose oder Karyolysis beschrieben. Erst durch die Wiederentdeckung und genaue Beschreibung der morphologischen Veränderungen durch die Pathologen Kerr, Currie und Wyllie der Universität Edinburgh 1972 wurde die physiologische Zellelimination als eigenständige und genetisch kontrollierte Form des Zelltodes anerkannt und als biologisches Konzept der Zellteilung (Mitose) gegenübergestellt. Diese Forscher haben auch die Bezeichnung Apoptose geprägt. |
| Bedingt durch die Erkenntnis, daß viele pathologische Vorgänge auf Störungen der Zellelimination zurückzuführen sind, hat in den letzten zehn Jahren das Interesse an den molekularen Vorgängen der Apoptose enorm zugenommen. Das vollständige Verständnis dieses Phänomens wird neue therapeutische Konzepte in vielen Bereichen der Medizin bei der Behandlung von Tumoren oder degenerativer Krankheiten eröffnen. So ist es nicht verwunderlich, daß in den USA eine Reihe klinischer Forschungszentren und Spezialfirmen gegründet wurden, die diese klinischen und pharmakologischen Aspekte auswerten. Mit Sicherheit werden in den nächsten zehn Jahren neue Therapieverfahren von Tumoren entwickelt werden, die die selektive Elimination von Tumorzellen durch Induktion ihres Selbstmordprogramms zum Ziel haben. |
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