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Lexikon der Biologie

Apoptose

ESSAY

Klaus-Günter Collatz

Apoptose

Apoptose [von griech. apoptōsis = das Abfallen, z. B. eines Blattes] ist ein streng geregelter physiologischer Vorgang in der Art eines "Zellselbstmords", der für Entwicklung, Erhaltung und Altern vielzelliger Organismen eine wichtige Rolle spielt und bei dem einzelne Zellen planmäßig eliminiert werden. Das intensive Studium von Apoptosevorgängen führt derzeit zu einer heterogenen und kaum überschaubaren Fülle von Einzelbefunden, so daß bisher noch kein einheitliches Bild für den Gesamtprozeß existiert. Programmierte Zelluntergänge sind schon im vorigen Jahrhundert mittels Zellfärbungen erkannt und von W. Flemming 1885 bei untergehenden Ovarfollikeln als Chromatolyse beschrieben worden. Inzwischen ist die Atresie (Untergang) der Ovarfollikel (Oogenese) zu einem sehr geeigneten Modellsystem geworden, um die hormonelle Regulation der Apoptose zu studieren. Während der Follikelentwicklung verhindern gonadotrope Hormone zusammen mit lokalen Wachstumsfaktoren die Atresie, wogegen TNFα (Tumor-Nekrosis-Faktor), Fas-Ligand (s. u.) und Androgene die Apoptose auslösen.

Apoptose, programmierter Zelltod, Nekrose

Der Begriff Apoptose wird sehr häufig synonym mit programmiertem Zelltod verwendet. Jedoch weisen verschiedene Autoren darauf hin, daß dies zu Mißverständnissen führen kann. Programmierter Zelltod meint, daß eine genetische Uhr bestimmt, wann eine definierte Anzahl von Zellen zum Zelluntergang vorgesehen wird. Der Zelluntergang selbst wird durch ein anderes genetisches Programm gesteuert, z. B. durch Apoptose. Im allgemeinen wird der Zelltod durch Apoptose klar von dem durch Nekrose unterschieden ( vgl. Tab. ). Ob eine Zelle nach einem externen Streßsignal (Streß) überlebt, nekrotisch wird oder in Apoptose geht, hängt danach vom Ausmaß des Stresses ab. Milder Streß aktiviert Streßantworten (z. B. Reparaturmechanismen), die die Zelle überleben lassen; extrem hoher Streß überfordert das Apoptoseprogramm und führt zur Nekrose; mittlerer Streß aktiviert das Apoptoseprogramm. Nekrose ist also ein pathologischer Vorgang im Gefolge von Gewebsverletzungen, Gifteinwirkung, Nährstoffmangel usw. Nekrotische Zellen verlieren ihre Kontrolle über Ionenflüsse; dadurch kommt es zum Zusammenbruch von Konzentrationsgradienten und in deren Folge zum Wassereinstrom in die Zelle. Zunächst werden Mitochondrienstrukturen zerstört, später platzen die Zellmembranen und können Zellbestandteile freisetzen, die Entzündungsreaktionen (Entzündung) und weitere Zelluntergänge induzieren. Freigesetzte Nucleasen verdauen (Verdau) die DNA unspezifisch.
Inzwischen mehren sich aber die Befunde, daß der Unterschied zwischen Apoptose und Nekrose nicht so gravierend ist, wie bisher angenommen ( vgl. Infobox ). So zeigen einige nekrotische Zellen durchaus auch Apoptosemerkmale, wie z. B. die Leiterstruktur der DNA-Bruchstücke in der Elektrophorese (s. u.). Ähnlichkeiten gibt es auch bei den biochemischen Prozessen der Apoptose. Offenbar sind Apoptose und Nekrose Extreme eines Kontinuums, das je nach Ausgangsbedingungen mehr in die eine oder andere Form des Zelluntergangs driftet. Neuerdings wird vorgeschlagen, den Vorgang des Zelltodes sowohl von Apoptose als auch Nekrose zu trennen. Unterwirft man z. B. Leberzellen einem totalen Sauerstoffentzug, so sind sie bereits nach 150 Minuten abgestorben, ohne daß irgendein histologisches Anzeichen sichtbar wäre, das auf apoptotische oder nekrotische Prozesse hindeutet. Derartige Prozesse finden demnach erst am "Zellkadaver" statt. Nekrose sollte man demgemäß in suizidale (nekrotische Apoptose) und akzidentelle Nekrose (Nekrose im klassischen Sinn) unterteilen. Im Gegensatz zu typischen nekrotischen Zellen erkennt man apoptotische Zellen im Mikroskop an distinkten morphologischen Veränderungen: Blasenbildung an der Plasmamembran, Volumenverlust der Zelle, Vakuolisierung des Cytoplasmas sowie Verdichtung des Chromatins und Zerfall des Zellkerns in basophile Körper, die von der Zellmembran umgeben werden. Cytoplasmatische Bestandteile werden nicht ins umgebende Gewebe entlassen, es kommt nicht zu Entzündungsreaktionen. Die gebildeten Apoptosekörper werden schnell von Makrophagen erkannt und phagocytiert. Benachbarte Zellen können ebenfalls Apoptosekörper aufnehmen. Der gesamte Apoptoseprozeß ist in einem Zeitraum von Minuten bis einigen Stunden abgeschlossen. Die Ultrastruktur der Zellorganellen bleibt bei der Apoptose im Gegensatz zur Nekrose lange erhalten. Eine Fragmentierung der DNA erfolgt in Apoptose-Zellen durch Endonucleasen, die je nach untersuchtem Zelltyp unterschiedliche Cofaktoren benötigen (Ca2+, Mg2+) oder unabhängig von diesen Ionen sind. Sie schneiden die DNA zwischen den Nucleosomen, so daß Bruchstücke von ca. 180 bp und Vielfachen davon entstehen. In nekrotischen Zellen wird DNA an zufälligen Bruchstellen geschnitten. Mittels einer DNA-Elektrophorese kann daher gut zwischen apoptotischer und nekrotischer DNA-Spaltung unterschieden werden. Bei ersterer sind die Bruchstücke in regelmäßiger und typischer "Leiterstruktur" zu erkennen, bei letzterer sind die Banden verschmiert. Allerdings findet man nicht in allen apoptotischen Zellen eine derartige Fragmentierung.

Zahlreiche externe und interne Faktoren lösen Apoptose aus

Gemäß der Einbindung der Apoptose in eine große Anzahl von Prozessen, die für die Integrität des Gesamtorganismus verantwortlich sind, gibt es zahlreiche Faktoren, die Apoptose auslösen. Externe Apoptose auslösende Faktoren (Signale) sind z. B. Ultraviolett, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Oxidation, Hitzeschock (heat-shock-response), cytotoxische Drogen (Cytotoxine), Schwermetalle. Viele Faktoren (externer oder interner Natur), die oxidativen Streß auslösen, sind gleichzeitig Apoptosesignale, so daß Sauerstoffradikalen (freie Radikale) eine entscheidende Bedeutung bei der Apoptoseinduktion zukommt. Radikalfänger und Chelatoren von Metallionen hemmen häufig die Apoptose. Des weiteren wirkt Glutamat über die Erhöhung des intrazellulären Glutathionspiegels (Glutathion, γ-Glutamylzyklus) der Apoptose entgegen. Zum Schutz lebenswichtiger Proteine werden von der Zelle als Streßantwort Chaperone (Polypeptidketten-bindende Proteine) gebildet. Ihre Konzentration darf aber nicht zu hoch sein, da sie sehr wahrscheinlich selbst Apoptose-auslösend wirken. 1998 ist ein Signalmolekül beschrieben worden (HSBP-1), das sowohl an Chaperone als auch an weitere Faktoren, die die Chaperonbildung fördern, bindet. Es bleibt abzuwarten, wieweit derartige Faktoren in den Apoptosevorgang eingebettet sind. – Interne physiologische Stimuli sind ebenso zahlreich und können hier nur beispielhaft aufgeführt werden. Embryonalentwicklungen sind nahezu immer mit Apoptose verbunden. So werden bei der Anlage von Fingern und Federn ganze Zellpopulationen durch Apoptose wieder eliminiert. Für die Entscheidung, welche Zellen eliminiert werden, spielen Signale von anderen Zellen eine wichtige Rolle. Zum Beispiel gehen "Nerve growth factor-(NGF-)"abhängige sympathische Neuronen (Nerve growth factor) in Apoptose, wenn ihnen dieser Faktor vorenthalten wird. Wechselnde Hormonspiegel sind für eine solche Entscheidung ebenfalls verantwortlich. Hormonentzug bewirkt in vielen Geweben eine Gewebsatrophie durch Apoptose, z. B. in der Prostata, in der unter diesen Bedingungen sekretorische Epithelzellen abgebaut werden. Ein Anstieg im Blutspiegel des Thyroxins triggert bei Amphibienlarven die Apoptose in Schwanzzellen und führt damit zum Einschmelzen des Kaulquappenschwanzes beim Übergang vom Wasser zum Land. Die Müllerschen Gänge (Ovidukt), die zunächst bei beiden Geschlechtern angelegt sind, gehen im männlichen Embryo über Apoptose zugrunde, im weiblichen Embryo bilden sie die Eileiter aus. Auch bei der normalen, alle drei bis fünf Tage durchlaufenden Erneuerung der Darmepithelzellen (Darm) sowie bei der Abstoßung des Endometriums während der Menstruation sind Apoptosevorgänge beteiligt. Apoptose ist ebenso verantwortlich für die Rückbildung der Gebärmutter nach der Geburt. Bei Darminfektionen mit Shigellen (Shigella) der Gruppe B wird in Makrophagen der Submucosa des Dickdarms eine Apoptose ausgelöst. Diese Induktion der Apoptose bei Abwehrzellen ist ein ungewöhnlicher pathogener Mechanismus von Mikroorganismen.

Apoptose und Krankheiten

Bei zahlreichen Krankheiten hat man inzwischen die Beteiligung apoptotischer Prozesse erkannt. Herzerkrankungen (z. B. Herzinfarkt), neurodegenerative Krankheiten (Parkinsonsche Krankheit, AIDS – Untergang der T-Zellen des Immunsystems –, Osteoporose, degenerative Arthritis [Rheumatismus]) sind Beispiele. Andererseits kann Hemmung der Apoptose zu Krebs führen. Viele Krebsarten zeichnen sich durch eine Überexpression von Apoptose hemmenden Genen (z. B. bcl-2) oder Mutationen in den entsprechenden Genen (z. B. p53; p53-Protein) aus. Einige Substanzen, die in der Tumortherapie eingesetzt werden, induzieren in sensiblen Tumorzellen Apoptose. Zellen des Immunsystems (Immunzellen) unterliegen während ihrer Reifung ebenfalls der Apoptose; T-Lymphocyten, die ein Selbst-Antigen (Autoantigene) erkennen, werden im Thymus (Thymocyten-Entwicklung) durch Apoptose ausgesondert. Dies bedeutet Schutz vor autoreaktiven Zellen (Autoreaktivität). Werden autoreaktive Immunzellen nicht durch Apoptose eliminiert, können daraus Autoimmunkrankheiten resultieren.

Apoptose-regulierende Gene

Zahlreiche Gene sind mit der Apoptoseinduktion verbunden. So werden bei der Entwicklung des Nematoden Caenorhabditis elegans (Caenorhabditis, Rhabditida), dessen Zellausstattung vollständig bekannt ist, insgesamt 1090 somatische Zellen ausgebildet. 14 Gene regeln in geordneter zeitlicher Sequenz den Untergang von 131 dieser Zellen während der Embryogenese. An dem Zelltod sind 3 Gene beteiligt; 2 von ihnen, ced-3 und ced-4, müssen aktiv sein. Bei Mutationen in einem der beiden Gene überleben Zellen, die sonst durch Apoptose zugrunde gehen. Das dritte Gen (ced-9) muß inaktiv sein, damit die Zellen durch Apoptose eliminiert werden können. Eine abnormale Aktivierung von ced-9 führt dazu, daß Zellen nicht in Apoptose gehen. Die Beseitigung apoptotischer Vesikel durch Nachbarzellen wird bei Caenorhabditis elegans durch 8 weitere Gene gesteuert.
Eine große Anzahl der Apoptose induzierenden Gene ist als Protoonkogene (Onkogene) und Tumorsuppressorgene in die normale Regulation des Zellzyklus integriert. Ihre Produkte können die Apoptose positiv oder negativ regulieren, wobei die Art der Regulation wiederum von einer Reihe extrazellulärer Faktoren und vom Zelltyp abhängt. Apoptotische Stimuli, die in den Zellzyklus eingreifen, führen oft zum Zellteilungsstop in der G1-Phase, noch bevor die eigentliche Apoptose beginnt. Ein gut untersuchtes Beispiel ist die Induktion der Apoptose bei proliferierenden Lymphocyten durch Glucocorticoide. Die Hormone hemmen dabei die Expression einer Reihe von Faktoren, die die G1-Phase beeinflussen, z. B. das c-myc-Genprodukt. C-myc ist für das normale Zellwachstum essentiell. Demgemäß finden sich hohe c-Myc-Proteinkonzentrationen in Zellen, die sich replizieren. Das Gen kann aber auch bei ungeregelter Expression als Onkogen wirken. Sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige Expressionsrate von c-myc kann Zelltod hervorrufen. C-myc-Expression in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren wie IGF-1 (insulin like growth factor) führt die Zellen ebenfalls in Apoptose. Durch die Kontrolle der beiden entgegengesetzten Prozesse Proliferation und Apoptose über die gleichen regulativen Faktoren (speziell c-myc) besitzt die Zelle ein effektives Mittel, um nicht adäquat verlaufende Zellzyklen zu unterbinden. Proliferierende Zellen, denen die notwendigen Wachstumsfaktoren fehlen und die daher maligne entarten können, werden so eliminiert. Auch nicht-proliferierende Zellen (besonders lymphoide Zellen) können nach Bindung von Glucocorticoiden an entsprechende Rezeptoren zur Apoptose bestimmt werden. Dabei sind Teile der Signaltransduktion (Rezeptorbindung, Änderung der Genexpression, Aktivierung apoptotischer Effektormoleküle) identisch. – Beobachtungen an Zellkulturen lassen vermuten, daß Mitosen (Mitose) und Apoptose verschiedene Gemeinsamkeiten besitzen. In beiden Fällen verlieren die Zellen ihre Substrathaftung und runden sich ab. Schrumpfung, Chromatinkondensation und Aufweitungen der Zellmembran sieht man ebenfalls in beiden Prozessen. Ferner sind Komponenten des Zellzyklus wie die p53- und pRb-Tumorsuppressorproteine und andere bei Mitosen und Apoptose beteiligt. Faktoren, die die Apoptose in einem Zelltyp aktivieren, können sie in einem anderen Zelltyp hemmen.
Gene, die in die Apoptose integriert sind, haben sich als sehr konserviert und damit homolog in verschiedenen Organismen erwiesen. Das Nematodengen ced-9 zeigt 25% Sequenzhomologie zum Protoonkogen bcl-2. Das ced-3-Genprodukt der Nematoden besitzt Homologien zum "Interleukin-1β converting enzyme" (ICE, Caspase 1) und damit zur Familie der Cystein-Proteasen, die früher als ICE-ähnliche Proteasen, heute als Caspasen bezeichnet werden ("c" = Cystein-Proteasen, "aspase" = Spaltung nach einem Aspartatrest). Das bcl-2 blockiert Apoptose, die z. B. durch c-myc hervorgerufen wird. Dabei wirkt bcl-2 nicht direkt zellproliferierend, sondern blockiert Apoptose-Induktoren, speziell eine Caspase. Bcl-2 gehört zu einer Familie agonistischer (Bcl-2 selbst und Bcl-xL) oder antagonistischer Proteine, die Hetero- oder Homodimere bilden können. Ein wichtiger Antagonist (Apoptose auslösend) ist Bax. Die Transkription von Bax wird – ebenso wie die von Bcl-2 – über das Tumorsuppressorgen p53 kontrolliert. Das p53-Gen wird aber nicht für alle Apoptoseprozesse verantwortlich gemacht, sondern nur für solche, die durch irreparable DNA-Schädigungen (DNA-Reparatur) ausgelöst werden. Viele Zellen mit UV- oder Cytostatika-induzierten DNA-Schäden reichern dann das p53-Protein an.
Neben den Apoptosesignalen, die vom Kern kommen (p53), gibt es eine Fülle von Transmembranrezeptoren, die Apoptosesignale empfangen und in die Zelle weiterleiten können. Es sind Cytokinrezeptoren aus der Tumor-Nekrosis-Faktor-(TNF-) und "Nerve growth factor-(NGF-)"Familie (Typ-I-Membranproteine, darunter TNFR1 und das CD95/APO-1/Fas-Rezeptorsystem; CD-Marker). Sie sind durch cysteinreiche extrazelluläre Domänen gekennzeichnet. Entsprechende Liganden sind unter anderem die Cytokine TNFα bzw. CD-95-(Fas-)Ligand (Typ-II-Membranproteine). Solche Rezeptoren wurden besonders an Tumorzellen studiert, sind aber auch z. B. für cytotoxische T-Lymphocyten, Hepatocyten und Enterocyten charakteristisch. CD95 ist für die Apoptoseeinleitung bei zahlreichen Krankheiten verantwortlich. So gibt bei der Wilsonschen Erkrankung, die durch eine Kupferintoxikation der Leber charakterisiert ist, CD95 das Apoptosesignal. Die Folge ist die mit dieser Krankheit zusammenhängende typische Leberschädigung. Auch bei Leberkrebs, viralen Infektionen und Alkoholabusus wird über CD95 Apoptose ausgelöst. Andererseits sind Zellen, die CD95 binden können, gegen Angriffe des Immunsystems geschützt. Medizinisch bedeutsam sind die CD95-Liganden bei Transplantationen. Sie verhindern durch Bindung an Immunzellen und Auslösung von deren Apoptose die Transplantatabstoßung. Hodengewebe kann z. B. sehr gut transplantiert werden, da die Sertoli-Zellen über CD95-Liganden (Fas-Ligand, s. u.) an die für die Transplantatabstoßung verantwortlichen Zellen des Immunsystems binden und so die Apoptose-auslösende Wirkung des CD95 unterbinden. Untersuchungen an Knochentumorzellen (Osteosarkom) ergaben, daß eine öfter beobachtete Therapieresistenz gegenüber dem Osteosarkom wahrscheinlich mit Defekten im CD95-System zusammenhängt. In solchen Fällen ist das CD95 nicht membrangebunden, sondern liegt in löslicher Form vor; eine Apoptose der Tumorzellen kann somit nicht medikamentös ausgelöst werden.
Bei der Signaltransduktion über CD95 werden entweder rezeptorempfindliche Empfängerzellen über entsprechende Liganden gebunden (Fas-Ligand), oder die Rezeptoren selbst aggregieren infolge ihrer hohen Dichte und leiten das Apoptosesignal in die Zelle. Dies geschieht in Form einer Reaktionskaskade mit einer Kette von Protein-Protein-Interaktionen. Neben der extrazellulären Ligand-Bindungsdomäne besitzen die Cytokinrezeptoren eine Transmembran- und eine cytoplasmatische Domäne, die entweder ein proliferatives oder ein apoptotisches Signal weitergibt. Für die Signalweiterleitung ist eine sog. Todesdomäne (DD) von etwa 80 Aminosäuren zuständig, die an ähnliche DD-Motive von andereren cytoplasmatischen Proteinen bindet und diese aktiviert. Ein gut untersuchtes derartiges Protein ist der Transkriptionsfaktor NF B. Die CD95-Aktivierung führt zur Spaltung von Sphingomyelin in der Membran und zur Freisetzung von Ceramiden. Ceramide sind daher weitere Mediatoren der Apoptose. – Zusätzlich zu den Caspasen spielt eine Reihe von anderen Proteinen eine Rolle bei der Auslösung der verschiedenen Apoptoseformen, wenn sie in Zellen verbracht werden, z. B. dadurch, daß sich cytotoxische T-Lymphocyten und Killer-Zellen an Empfängerzellen anheften. Zu ihnen gehören Granzym B (Fragmentin-2; Fragmentine) und Cathepsin D (Cathepsine). Granzym B (Granzyme) ist eine Serin-Esterase, die eine Reihe von Caspasen aktivieren kann. Das Enzym wird von den cytotoxischen T-Lymphocyten ausgeschüttet, zusammen mit dem Enzym Perforin. Letzteres durchlöchert die Membran der attackierten Zelle und erlaubt so der Esterase den Eintritt in die Zelle. Granzym B wird dann passiv zum Kern transportiert.

Gemeinsame Endstrecke des Apoptoseprozesses

Die Aktivierung der Caspasen ist der entscheidende Schritt auf dem gemeinsamen Endweg der Apoptose ( vgl. Abb. 1 ). Substrat der Proteasen ist unter anderem Poly-(ADP-Ribose-) Polymerase (PARP). PARP spielt eine Rolle bei der DNA-Reparatur. Das Enzym wird durch DNA-Strangbrüche aktiviert und aktiviert seinerseits DNA-Reparaturenzyme. PARP wird während der Apoptose schnell gespalten. Damit kann das Enzym die DNA-Reparatur nicht mehr unterstützen, außerdem entfällt die Hemmung der oben erwähnten Ca2+/Mg2+- abhängigen Endonucleasen, die für die DNA-Spaltung während der Apoptose verantwortlich sind. Ein kürzlich entdecktes Protein, "scaffold attachment factor" (SAF-A), das unter anderem an "scaffold-associated regions" (SAR-Regionen) der DNA bindet (Regionen, die ihrerseits an das Chromatingerüst binden), scheint für die Integrität des Kern-Chromatins von großer Bedeutung zu sein. Bald nach Eintritt der Zelle in die Apoptose wird es durch Caspasen gespalten, und im selben Zeitraum bricht das Chromatin im Kern zusammen. Man denkt inzwischen daran, Caspasehemmer bei der Organtransplantation therapeutisch einzusetzen, um ein durch Sauerstoffmangel aktiviertes Apoptoseprogramm der Transplantate zu unterbinden. Es gibt allerdings auch Zellsysteme, bei denen die Hemmung der Caspaseaktivität die Apoptose dennoch nicht blockiert.
Bei der Ausbildung von Apoptosekörpern spielt die Proteinkinase C (PKC) eine wichtige Rolle. PKC hat katalytische Funktionen bei der Bildung von Mikrofilamenten des Cytoskeletts (Zellskelett). Hemmt man die PKC z. B. mit Cytochalasin B (Cytochalasane), so werden keine Apoptosekörper ausgebildet. Im einzelnen ist die Rolle von PKC aber derzeit (1998) noch nicht klar. Behandlung von Maus-Thymocyten mit PKC-aktivierenden Substanzen, wie Phorbolester, induziert Apoptose; in anderen Zellsystemen wird Apoptose durch PKC-Aktivierung gehemmt. Entsprechendes gilt für Protein-Phosphatasen (PP). PKC und PP wirken also zellspezifisch auf die Apoptose.

Die zentrale Rolle der Mitochondrien bei der Apoptose

Seit 1996 erscheinen viele Publikationen, in denen den Mitochondrien eine Hauptrolle bei der apoptotischen Signaltransduktion zugeschrieben wird ( vgl. Abb. 2 und vgl. Abb. 3 ). Der Zusammenbruch des mitochondrialen Transmembranpotentials ist neben der Chromatinkondensation und der DNA-Fragmentierung eines der frühesten Ereignisse im Apoptoseprozeß und wurde bei zahlreichen Zelltypen (Neuronen, Fibroblasten, Thymocyten, Monocyten, Hepatocyten, Lymphocyten und Tumorzellen) sowie unabhängig von der Art der Apoptose-Auslösung beobachtet. Er kommt durch die Öffnung eines Porenkomplexes ("megalochannel" bzw. "permeability transition pore") zustande, dessen funktionierender Zustand durch bcl-2 reguliert wird. Durch den Zusammenbruch des Protonengradienten wird die Atmungskette entkoppelt und damit die ATP-Bildung (Adenosintriphosphat) unterbrochen. Kleinere Moleküle (Ca2+, Glutathion) strömen aus den Mitochondrien ins Cytosol. Mitochondriale RNA- und Proteinsynthese werden gestoppt und der Transport der meisten Proteine aus dem Cytoplasma in die Mitochondrien unterbunden. Es kommt zur Bildung von freien Radikalen (Überproduktion von Superoxidradikal-Anionen), einer Oxidation von Coenzymen (NAD[P]H2) und Bildung von GSSG aus GSH (Glutathion, γ-Glutamylzyklus). Insgesamt ergibt sich daraus eine dramatische Verschiebung des Redoxpotentials der Zelle und eine Verschlechterung ihres Energiezustands. Von den ins Cytosol gelangten Proteinen kann Cytochrom c (Cytochrome) zusammen mit einem weiteren löslichen Mitochondrienprotein, dem Apoptose induzierenden Faktor (AIF), und cytosolischen Faktoren Caspasen aktivieren. Diese wiederum aktivieren einen DNA-Fragmentierungsfaktor, der als Aktivator für Nucleasen dient.
Neueste Überlegungen (1998) führen allerdings von der Vorstellung einer linearen Folge von Apoptoseereignissen weg und sehen die Caspaseaktivierung einerseits sowie die Mitochondrienzerstörung andererseits als Teile eines Rückkoppelungsmechanismus an. Danach würde der Funktionsverlust der Mitochondrien die Freisetzung von Caspaseaktivatoren begünstigen, womit Caspasen verstärkt auf die Mitochondrienmembran einwirken können. Dieser sich selbst verstärkende Prozeß könnte dann sowohl durch Caspaseinhibitoren als auch durch Stabilisatoren der Mitochondrienmembran gestoppt und die Zelle am Leben gehalten werden.

Neben der Apoptose scheint es noch andere Mechanismen des programmierten Zelltodes zu geben, bei denen sich die Zellen morphologisch von Apoptose-Zellen unterscheiden. Ein Beispiel ist die Eliminierung intersegmentaler Muskelzellen während der Entwicklung des Schmetterlings (Tabak-Schwärmer) Manduca sexta. Die absterbenden Muskelzellen erscheinen morphologisch anders als Apoptose-Zellen; z. B. fehlt die Chromatinkondensation, die DNA ist nicht fragmentiert, und die Zellen werden nicht phagocytiert. Apoptose ist jedoch die bisher meist beschriebene Form des programmierten Zelltodes. Sie wird, wie die aufgeführten Beispiele zeigen, über eine Fülle von verschiedenen Signalwegen induziert und durch zahlreiche Gene reguliert.




Abb. 1:
Schematische Übersicht über Apoptoseereignisse:
Sowohl Schäden als auch physiologische Stimuli können über verschiedene Wege mit gemeinsamen Zwischenstufen zur Aktivierung von Caspasen und damit zur endgültigen Zellzerstörung führen. Über Kernrezeptoren (Transkriptionsfaktoren) wird die Expression Apoptose-auslösender Gene gesteuert; Cytokinrezeptoren aktivieren über Protein-Protein-Wechselwirkungen Caspasen direkt. Einige Inhibitoren (Bcl-2 und verschiedene Wachstumsfaktoren sowie virale Inhibitoren) können den Prozeß vor dem unwiderruflichen Ende blockieren, wobei crmA stabile Komplexe mit Caspasen bildet.
Abkürzungen: AIF = Apoptose initiierender Faktor, crmA = "cytokine response modifier A" (aus Kuhpocken isoliert), fasL = fas-Ligand, IRF-1 = Interferon-Antwortfaktor 1, p35 = Baculovirus-Protein, SAPK = Streß-aktivierte Proteinkinase, TNF = Tumor-Nekrosis-Faktor, TNFR = Tumor-Nekrosis-Faktor-Rezeptor.




Abb. 2:
Gegenwärtige Vorstellungen über die Rolle der Mitochondrien bei der Apoptoseauslösung:
Verschiedene Stimuli wirken in einer Induktionsphase derart, daß die Permeabilität der Mitochondrienmembran über die Öffnung von Porenkomplexen ("permeability transition pore") drastisch erhöht wird. Eine Induktion der Apoptose über das CD95-System führt direkt zur Aktivierung von Caspasen. Sind DNA-Schäden die Auslöser, wird das p53-Gen aktiviert. Sowohl das p53-Protein als auch Glucocorticoide und das CD95-System bewirken eine Spaltung von Sphingomyelin in der Zellmembran und damit Freisetzung von Ceramiden sowie einen Anstieg von Superoxid-Anionen. Die sich anschließende Effektorphase an der Mitochondrienmembran ist entweder Bcl-2-reguliert (Verschiebung des Verhältnisses von Bcl-2 und Bax-Genprodukten) oder kann auch direkt Caspase-vermittelt sein. Überexpression von Bcl-2 verhindert die Ceramid-abhängige Apoptose. In der Endphase (Degradationsphase) werden Apoptose-auslösende Faktoren aus den Mitochondrien ins Cytoplasma entlassen und wirken zum Teil selbstverstärkend auf die Mitochondrienmembran zurück. Besonders zwei derartige Faktoren sind näher untersucht worden: Cytochrom c und der Apoptose induzierende Faktor (AIF). Cytochrom c benötigt einen oder mehrere bisher nicht näher charakterisierte Faktoren, um über die Aktivierung von Caspasen Apoptose im Kern auszulösen; AIF aktiviert zumindest in vitro die Caspasen direkt. Insgesamt wirkt eine ganze Reihe von Proteasen aus der Proteinfamilie der Caspasen bei der Kerndegradation mit. Ein DNA-Fragmentationsfaktor (DFF), der seinerseits Nucleasen aktiviert, kann ebenfalls der Kern-Apoptose vorgeschaltet sein. Neben der Kerndegradation verursacht der Ausstrom von Substanzen aus den Mitochondrien eine Veränderung des Redoxpotentials in der Zelle (Glutathion-Mangel, NAD[P]H2-Mangel, ATP-Mangel, Vermehrung des Superoxid-Anions, Ca2+-Anstieg) und damit eine "energetische Katastrophe". In Abhängigkeit vom Grad der Porenöffnung der Mitochondrien kommt es entweder zur Nekrose (rapide Verschlechterung des Energiezustands der Zelle), wobei die Integrität der Plasmamembran bereits zusammenbricht, bevor Apoptose-auslösende Proteasen aktiv werden, oder – bei feinerer Regulation der Porenöffnungen – zur Aktivierung der Proteasen und zum typischen morphologischen Apoptose-Bild.




Abb. 3:
Auslöser für die Öffnung der Mitochondrienporenkomplexe und damit Induktion der Apoptose:
Caspasen können durch Fas-Liganden und Quervernetzung der CD95-Rezeptoren aktiviert werden. Weitere Effektoren sind Ca2+ (Anstieg z. B. durch excitatorische Aminosäuren wie Glutamat), Stickoxid, Lipid-Mediatoren (Ceramid, Sphingosin), Überexpression des Bcl-2-Antagonisten Bax (z. B. nach Überexpression von p53 als Folge einer DNA-Schädigung), Inaktivierung des Bcl-2-Proteins durch Phosphorylierung, Verminderung des Energiezustands in der Zelle (ATP-Verlust), vermehrter Anfall von freien Radikalen, Verlust an endogenen Antioxidantien (GSH), Entzug von Wachstumsfaktoren (z. B. NGF), Störungen im Transmembranpotential der Mitochondrien. Viele dieser Auslöser bedingen sich wechselseitig.

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