Apoptose

Allgemeines

Apoptose ist eine Form des programmierten Zelltods. Es ist ein "Suizidprogramm" einzelner biologischer Zellen. Dieses kann von außen angeregt werden (etwa durch Immunzellen) oder aufgrund von zellinternen Prozessen ausgelöst werden (etwa nach starker Schädigung der Erbinformation).

Apoptose ist der physiologisch ablaufende Tod von Zellen in einem mehrzelligen Organismus. Dieser dient in der Regel dazu, für die Entwicklung oder den Fortbestand des Organismus unnötige oder hinderliche Zellen gezielt zu entfernen.

Apoptose spielt bei der embryonalen Entwicklung, der Erhaltung der Gewebehomöostase sowie bei der Elimination geschädigter und potenziell für den Gesamtorganismus gefährlicher Zellen (z.B. Virusinfektion, Genommutation) eine wesentliche Rolle.

Bei der Apoptose handelt es sich um den physiologischen Untergang von Zellen, der genetisch festgelegt ist und durch das Alter der Zelle oder durch Signale von außen der Zelle ausgelöst werden kann (sog. programmierter Zelltod).

Tierische Zellen können ein intrazelluläres Todesprogrammm aktivieren und sich selbst auf eine kontrollierte Weise töten, wenn sie irreversibel geschädigt sind, nicht mehr benötigt werden oder für den Körper eine Bedrohung darstellen. In den meisten Fällen kommt es zum Tod durch Apoptose: Die Zellen schrumpfen, verdichten sich und brechen oft in Stücke, und Nachbarzellen oder Makrophagen phagoxytieren die Zellen oder Bruchstücke rasch, bevor der cytoplasmatische Inhalt aussickern kann. Die Apoptose wird von proteolytischen Enzymen, den Caspasen, ausgelöst, die spezifisiche intrazelluläre Proteine schneiden, um beim Töten der Zelle zu helfen. Caspasen kommen als inaktive Vorstufen in allen kernhaltigen tierischen Zellen vor. Wenn Initiator-Caspasen in Aktivierungskomplexen in engere Nachbarschaft zueinander kommen, werden sie aktiviert: Sobald sie aktiviert sind, schneiden sie und aktivieren dadurch nachgelagerte Effektor-Caspasen, die daraufhin verschiedene Zielproteine in der Zelle spalten, wodurch eine verstärkende, irreversible proteolytische Kaskade in Gang gesetzt wird.

Apoptose

Abgrenzung zur Nekrose

Im Gegensatz zur anderen Form 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 zur Nekrose 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, schwillt bei der Nekrose die Zelle an, wobei deren Zellmembran zerstört wird. Als Folge kommt es zu lokalen Entzündungen, da Cytoplasma und Zellorganellen in den Extrazellularraum freigesetzt werden, welche durch Fresszellen (Makrophagen) 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.

Im Unterschied zur Nekrose kommt es bei der Apoptose nicht zu einer wesentlichen Freisetzung zytosolischer Zellbestandteile, sodass eine Entzündungsreaktion ausbleibt. Benachbarte Gewebemakrophagen oder Epithelien räumen apoptotische Zellreste sehr schnell ab, sodass selbst eine hohe Rate an apoptopischer Zellen in Geweben morphologisch leicht übersehen werden kann.

Interne Triggerung

"Tierische Zellen können Schäden in ihren zahlreichen Organellen erkennen und falls die Schädigung groß genug ist, können sie sich selbst mittels Apoptose töten. Ein wichtiges Beispiel ist die DNA-Schädigung, die, falls sie nicht repariert wird, krebsfördernde Mutationen erzeugen kann. Zellen besitzen zahlreiche Möglichkeiten, DNA-Schäden aufzuspüren, und unterziehen sich der Apoptose, falls sie die Schäden nicht reparieren können."

"Zellen können ihr Apoptoseprogramm auch innerhalb der Zelle aktivieren, oft als Reaktion auf Stress, wie z.B. einen DNA-Schaden, oder als Antwort auf Entwicklungssignale. In Wirbeltieren werden diese Reaktionen durch den intrinsischen oder mitochandrialen Apoptoseweg bestimmt."

Mögliche Auslöser bei der internen Triggerung der Apoptose sind:

• Alter der Zelle (bestimmte Anzahl mitotischer Teilungen)
• Defekte der DNA wie z.B. eine gefährliche Spontanmutation
• exogene oder endogene Noxen (z.B. Hypoxie, Virusinfektion)

Externe Triggerung

"Extrazelluläre Signalproteine, die an die Todesrezeptoren auf der Zelloberfläche binden, lösen den extrinsischen Weg der Apoptose aus. ... Bei den Rezeptoren handelt es sich um Homotrimere, und sie gehören zur Familie der Tumornekrosefaktor (TNF)-Rezeptoren, zu der der TNF-Rezeptor selbst und der Todesrezeptor 'Fas' zählen. Auch die Liganden, die die Todesrezeptoren aktivieren, sind Homotrimere; sie sind miteinander strukturell verwandt und gehören zur TNF-Familie der Signalproteine."

Gut untersucht ist der Ablauf der externen Triggerung zur Apoptose durch Killerzelen. Durch die Killerzellen werden die Todesrezeptoren aktiviert. Dabei entsteht ein "todinduzierender Signalkomplex" (death-inducing signal complex; DISC). Dadurch werden die Effektor-Caspasen aktiviert und leiten die Apoptose ein.

Ablauf der Apoptose

"Apoptose wird durch Mitglieder einer Familie von spezialisierten intrazellulären Proteasen hervorgerufen, die spezifische Sequenzen in zahlreichen Proteinen in der Zelle spalten. Damit leiten sie die dramatischen Veränderungen in der Zelle ein, die zum Zelltod und zum 'Gefressen-werden' führen. Diese Proteasen besitzen ein Cystein im Aktiven Zustand und schneiden ihre Zielproteine an spezifischen Asparaginsäuren. Deswegen heißen sie 'Caspasen' (zusammengesetzt aus Cystein und Aspartat). Caspasen werden in der Zelle als inaktive Vorläufer synthetisiert und nur während der Apoptose akktiviert."

Neben der gesamtzellulären Schrumpfung kondensiert und aggregiert das Chromatin und wird zugleich von Endonukleasen an den zwischen den Nukleosomen gelegenen ungeschützten Bereichen gespalten. Dadurch entstehen die typischen DNA-Fragmente mit Größenunterschieden von etwa 200 Basenpaaren, die sich in der Gelelektrophorese leiterartig auftrennen lassen (DNA-laddering). Unter Einfluss der Proteasen geht die Zellmembranstabilität verloren (Zeiose) und es entstehen durch Abschnürung kleine membranumhüllte Bläschen (Blebbing; apoptotic bodies). Durch Verlust der Asymmetrie der Membran kommt es zur Lokalisation von Phosphatidylserin an der Zelloberfläche.

"Zellen, die durch Apoptose sterben, erfahren charakteristische morphologische Veränderungen. Sie schrumpfen und verdichten sich, das Cytoskelet fällt auseinander. Die Kernhülle zerfällt und das Chromatin im Zellkern kondensiert und zerbricht in kleine Stücke. ... Die Zelloberfläche der apoptotischen Körperchen wird chemisch verändert, sodass sie von einer Nachbarzelle oder einem Makrophagen (...) schnell einverlebt werden, bevor sie ihren Inhalt 'ausschütten' können. (...) Auf diese Weise stirbt die Zelle 'ordentlich' und wird rasch weggeräumt, ohne eine schädigende Entzündungsreaktion auszulösen. Weil diese Zellen so schnell verschlungen und verdaut werden, sieht man in der Regel nur wenige tote Zellen, auch wenn eine große Anzahl von Zellen durch Apoptose gestorben sind."

Sonstige Informationen

"Das Ausmaß des apoptotischen Zelltods im sich entwickelnden und adulten tierischen Gewebe ist erstaunlich. Im sich entwickelnden Nervensystem der Wirbeltiere z.B. stirbt über die Hälfte von vielen Nervenzelltypen schon kurz nach ihrer Entstehung wieder ab. Es erscheint als erstaunliche Verschwendung, wenn so viele Zellen sterben müssen - insbesondere da die allermeisten völlig gesund sind, bevor sie sich umbringen. Welchem Zweck dient dieser massenhafte Zelltod?
In manchen Fällen ist die Antwort klar. Der Zelltod trägt dazu bei, Hände und Füße während der Embryonalentwicklung zu formen: Sie werden zunächst als schaufelförmige Gebilde angelegt. Die einzelnen Finger bzw. Zehen trennen sich erst voneinander, wenn die Zellen zwischen ihnen sterben ... In anderen Fällen sterben die Zellen, wenn die Struktur, der sie angehören, nicht mehr benötigt wird. Wenn sich eine Kaulquappe während der Metamorphose zum Frosch entwickelt, verschwindet der für den Frosch nicht weiter notwendige Schwanz, indem seine Zellen sterben. Apoptose fungiert auch als ein Qualitätskontrollvorgang in der Entwicklung, indem sie Zellen beseitigt, die anomal, deplatziert, nicht funktionsfähig oder für das Tier möglicherweise gefährlich sind. Auffällige Beispiele kommen im Immunsystem der Wirbeltiere vor: Hier beseitigt die Apoptose die sich entwickelnden T- und B-Lymphocyten, die entweder keine brauchbaren antigenspezifische Rezeptoren oder aber selbstreaktive Rezeptoren bilden ... Durch Apoptose werden auch die meisten durch eine Infektion aktivierten Lymphocyten eliminiert, nachdem sie dazu beigetragen haben, die verantwortlichen Mikroben zu zerstören."

In reifen Geweben, deren Zellen weder wachsen noch schrumpfen, müssen der Zelltod und die Zellteilung ausgeglichen sein. Wenn z.B. ein Teil der Leber einer ausgewachsenen Ratte entfernt wird, nimmt die Zellteilung zu, um den Verlust auszugleichen. Wird hingegen die Ratte mit Phenobarbital behandelt, wodurch die Teilung der Leberzellen angeregt wird und damit die Leber wächst, bewirkt nach Absetzung des Phenobarbital die Apoptose, dass sich die Leber wieder zur normalen Größe zurückentwickelt.

Sonstige Informationen

"Das Ausmaß des apoptotischen Zelltods im sich entwickelnden und adulten tierischen Gewebe ist erstaunlich. Im sich entwickelnden Nervensystem der Wirbeltiere z.B. stirbt über die Hälfte von vielen Nervenzelltypen schon kurz nach ihrer Entstehung wieder ab. Es erscheint als erstaunliche Verschwendung, wenn so viele Zellen sterben müssen - insbesondere da die allermeisten völlig gesund sind, bevor sie sich umbringen. Welchem Zweck dient dieser massenhafte Zelltod?
In manchen Fällen ist die Antwort klar. Der Zelltod trägt dazu bei, Hände und Füße während der Embryonalentwicklung zu formen: Sie werden zunächst als schaufelförmige Gebilde angelegt. Die einzelnen Finger bzw. Zehen trennen sich erst voneinander, wenn die Zellen zwischen ihnen sterben ... In anderen Fällen sterben die Zellen, wenn die Struktur, der sie angehören, nicht mehr benötigt wird. Wenn sich eine Kaulquappe während der Metamorphose zum Frosch entwickelt, verschwindet der für den Frosch nicht weiter notwendige Schwanz, indem seine Zellen sterben. Apoptose fungiert auch als ein Qualitätskontrollvorgang in der Entwicklung, indem sie Zellen beseitigt, die anomal, deplatziert, nicht funktionsfähig oder für das Tier möglicherweise gefährlich sind. Auffällige Beispiele kommen im Immunsystem der Wirbeltiere vor: Hier beseitigt die Apoptose die sich entwickelnden T- und B-Lymphocyten, die entweder keine brauchbaren antigenspezifische Rezeptoren oder aber selbstreaktive Rezeptoren bilden ... Durch Apoptose werden auch die meisten durch eine Infektion aktivierten Lymphocyten eliminiert, nachdem sie dazu beigetragen haben, die verantwortlichen Mikroben zu zerstören."

In reifen Geweben, deren Zellen weder wachsen noch schrumpfen, müssen der Zelltod und die Zellteilung ausgeglichen sein. Wenn z.B. ein Teil der Leber einer ausgewachsenen Ratte entfernt wird, nimmt die Zellteilung zu, um den Verlust auszugleichen. Wird hingegen die Ratte mit Phenobarbital behandelt, wodurch die Teilung der Leberzellen angeregt wird und damit die Leber wächst, bewirkt nach Absetzung des Phenobarbital die Apoptose, dass sich die Leber wieder zur normalen Größe zurückentwickelt.

Bedeutung der Apoptose

Von außen angestoßene Apoptose erfolgt ausschließlich durch Rezeptoren der Zellmembran. Diese sogenannten "Todesrezeptoren" bilden eine Subfamilie der NGF(nerve growth factor)- und TNF(tumor necrosis factor)-Rezeptorfamilie. Sie haben eine hochkonservierte, ca. 80 Aminosäuren lange sogenannte "Todesdomäne" an der Innenseite der Zellmembran. Je nach Modelierung der Rezeptoren werden neben der Apoptose auch Differenzierung, Proliferation und Entzündungsreize vermittelt.

Wird von außen die Apoptose aktiviert, kommt es durch proteolytische Spaltung zur Aktivierung einer Kaskade von Proteasen. Aufgrund eines Cystein im Zentrum und der Fähigkeit dieser Proteasen, nach einem Asparat zu spalten, weren sie als "Caspasen" (Cytein-Aspartasen) bezeichnet. Am Todeskomplex selbst wird die inaktive Procaspase-8 zunächst autokatalytisch gespalten, die dann weitere Effektorcasparpasen, z.B. Caspase-3, aktiviert. Die Effektorcaspasen spalten schließlich integrale Zellbestandteile, wie z.B. Proteine des Zytoskeletts (Aktin) und der Kernmembran (Lamin). Im Endstadium kommt es schließlich zur von DNasen und RNasen.

Durch die Mitarbeit der Mitochondrien an der Apoptose werden insbesondere Zellen elemeniert, die aufgrund einer Schädigung (z.B. Hypoxie, Strahlen, Intoxikation oder fortgeschrittener Alterung ihren Stoffwechsel nicht mehr ausreichend aufrechterhalten können und damit zur Belastung oder gar Gefahr des Gesamtorganismus werden.

Bei höheren, vielzelligen Organismen spielt die Apoptose im Rahmen der normalen Embryonalentwicklung eine fundamentale Rolle bei allen wichtigen Vorgängen wie Implantation, Organogenese, Involution und Metamorphose. So sterben z.B. bei der Entwicklung des ZNS mehr als die Hälfte aller embryonal angelegten neuronalen Vorläuferzellen apoptotisch ab. Andere Organe, wie z.B. die beim Menschen nur rudimentär angelegte Vorniere, verschwinden vollständig mittels Apoptose.

Bei der Homöostase von Wechselgeweben, deren differenzierte Zellen ständig aus Stamm- und Vorläuferzellen nachgebildet werden, ist die Elimination von Zellen durch Apoptose von großer Bedeutung. Durch das Immunsystem werden durch Apoptose autoreaktive oder nutzlose Immunzellen beseitigt, u.a. diese:

• T-Zellen im Thymus, deren Rezeptoren mit körpereigenen Peptiden und MHC reagieren
• B-Zellen nach misslungenem Rearrangement eines Immunglobulinens
• T- oder B-Lymphozyten nach erfolgreichem Ablauf einer Immunantwort

Die Apoptose (AICD = Activation Induced Cell Death) wird über einen Transmembranrezeptor (DC95) ausgelöst. Er verhindert, dass sich klonale Lymphozyten im Lymphknoten oder in der Milz anhäufen. Im Falle einer mangelnden Funktion des DC95-Rezeptorsystems kommt es zu einer Lymphadengophatie mit Autoimmungsymptomen.