II Überblick über Morphologie und molekulare Ereignisse der Apoptose
Der apoptotische Zelltod lässt sich in vier aufeinanderfolgende Stadien einteilen: Initiierung, Entscheidung zu sterben, Ausführung und Engulfment. Eine Reihe von zellulären Stressfaktoren kann die Apoptose durch die Aktivierung intrazellulärer Signalwege oder die Freisetzung von Second Messengern einleiten. Einige Beispiele für Zelltod-Auslöser sind ionisierende Strahlung, Chemotherapeutika, Hyperthermie und Wachstumsfaktor-Entzug. Moleküle, die von anderen Zellen präsentiert werden, wie Fas-Ligand (FasL) und Tumor-Nekrose-Faktor (TNF), können in Zellen, die die entsprechenden Rezeptoren tragen, ebenfalls Apoptose auslösen. Eine Zelle kann eine Vielzahl von Signalen gleichzeitig empfangen, darunter sowohl Proliferations- als auch Zelltodsignale. Als Reaktion auf diese Signale muss eine Zelle ihre Situation einschätzen und entscheiden, ob sie Selbstmord durch Apoptose begeht. Wichtige regulatorische Moleküle in dieser Phase sind Mitglieder der Bcl-2-Proteinfamilie (White, 1996; Yang und Korsmeyer, 1996), obwohl der Mechanismus ihrer Wirkung nicht vollständig verstanden ist. Sobald eine Zelle die Entscheidung zum Sterben getroffen hat, werden Moleküle aktiviert, die als Vollstrecker fungieren. Bei allen untersuchten Arten der Apoptose in einer Vielzahl von multizellulären Organismen gehören zu den Vollstreckern zytosolische Proteasen, von denen die meisten zu einer Familie namens Caspasen gehören (Nicholson und Thornberry, 1997; Alnemri, 1997). Diese Proteasen greifen spezifische zelluläre Proteine an, was zur irreversiblen Zerstörung von kritischen zellulären Prozessen und Strukturen führt. Im letzten Stadium der Apoptose werden die Überreste der absterbenden Zelle erkannt, verschlungen und abgebaut, entweder von einer benachbarten Zelle oder von einem Fresszellen-Makrophagen.
Die morphologischen Veränderungen, die mit der Apoptose einhergehen, sind deutlich und gut charakterisiert (Wyllie, 1987; Darzynkiewicz et al., 1997). Zellen, die eine Apoptose durchlaufen, schrumpfen schnell und kondensieren, wobei sie sich von den benachbarten Zellen wegziehen. Als Folge des Verlusts an Zytoplasma-Volumen bildet die Plasmamembran Blasen und Ausstülpungen, was der Zelle ein blasiges Aussehen verleiht. Ein schneller Anstieg der intrazellulären Kalziumionenkonzentration wird ebenfalls häufig beobachtet (Schwartzman und Cidlowski, 1993). Die Kernmembran verrundet sich und das Chromatin kondensiert und aggregiert zu dichten, sichelförmigen Formen in der Nähe der Kernmembran. Die Chromatinkondensation ist mit der Doppelstrangspaltung der DNA durch eine oder mehrere nukleäre Endonukleasen (Wyllie et al., Montague und Cidlowski, 1996) und dem Abbau der Kernlamina durch Proteasen (Lazebnik et al., 1995) verbunden.
Der DNA-Abbau während der Apoptose erfolgt nach einem präzisen, reproduzierbaren Muster (Wyllie et al., 1992; Montague und Cidlowski, 1996). Zunächst wird die chromosomale DNA in große Segmente von etwa 50-300 Kilobasen gespalten (Oberhammer et al., 1993). In den meisten, aber nicht allen Fällen der Apoptose werden diese Bereiche dann durch Spaltung zwischen Nukleosomen weiter in kleinere Fragmente verdaut. Die Trennung der DNA aus apoptotischen Kernen durch Agarosegel-Elektrophorese ergibt ein charakteristisches Muster dieser mono- oder oligonukleosomalen Fragmente in Vielfachen von 185-200 Basenpaaren (bp), das als DNA-Leiter beschrieben wird (Tilly und Hsueh, 1993). Die Endonukleasen, die für diese DNA-Fragmentierung verantwortlich sind, wurden nicht überzeugend identifiziert, obwohl mehrere Kandidaten vorgeschlagen wurden (Montague und Cidlowski, 1996). Einige Studien haben eine Rolle für DNase I oder II vorgeschlagen, aber diese Enzyme sind normalerweise nicht im Zellkern lokalisiert. Ein vielleicht besserer Kandidat ist eine 18 kD Ca2 +/Mg2 +-abhängige Endonuklease namens NUC18, die aus apoptotischen Kernextrakten isoliert und als hochgradig homolog zu Cyclophilin A befunden wurde. NUC18 ist möglicherweise für die Spaltung der DNA in 50 kD-Fragmente verantwortlich. Darüber hinaus wurde eine neue 95 kD Ca2 +/Mg2 +-abhängige Endonuklease identifiziert, die während der Apoptose aktiv ist (Pandey et al., 1997). Ein Protein namens DNA-Fragmentierungsfaktor (DFF), das die apoptotische(n) Endonuklease(n) zu aktivieren scheint, wurde ebenfalls aus HeLa-Zellen isoliert (Liu et al., 1997).
Veränderungen in den Mitochondrien apoptotischer Zellen gehen der zellulären Kondensation und dem Zerfall des Zellkerns voraus und können ein wesentliches frühes Ereignis in der Apoptose sein (Petit et al., 1996; Kroemer, 1997). Die Mitochondrien weisen eine Depolarisation des Membranpotentials (Δψm) auf (Marchetti et al., 1996; Zamzami et al., 1995b; Zamzami et al., 1996), die offenbar auf die Öffnung der mitochondrialen Permeabilitätsübergangsporen (MPT) zurückzuführen ist (Zoratti und Szabo, 1995). Proteine, die aus apoptotischen Mitochondrien in das Zytoplasma freigesetzt werden, entweder kurz vor oder kurz nach dem MPT, sind in der Lage, Chromatin-Kondensation und DNA-Fragmentierung zu induzieren (Liu et al., 1996; Susin et al, 1996; Zamzami et al., 1996).
Die absterbende Zelle zerfällt in mehrere runde, membranumschlossene Stücke, die apoptotische Körper genannt werden und von phagozytierenden Zellen phagozytiert und abgebaut werden (Savill et al., 1993; Hart et al., 1996). Epithelzellen, Endothelzellen und Fibroblasten in der Nähe von Apoptosestellen können apoptotische Körper verschlingen. Mehrere Studien zeigen auch, dass „professionelle“ Makrophagen an Stellen des Zelltods rekrutiert werden und für einen Großteil der Phagozytose apoptotischer Körper verantwortlich sind (Hopkinson-Woolley et al., 1994; Camp und Martin, 1996). Dieses Engulfment verhindert eine Entzündungsreaktion durch das Austreten von Zelltrümmern in die Interzellularräume. Apoptotische Zellen zeigen eine Reihe von Signalen, um Phagozyten anzulocken, einschließlich Veränderungen der Zelloberflächenmoleküle wie Zucker, Lipide und Proteine. Obwohl die phagozytäre Erkennung apoptotischer Zellen ein kritischer Prozess und ein aktives Forschungsgebiet ist, gehen die Details dieses letzten Ereignisses der Apoptose über den Rahmen dieser Übersicht hinaus.
Die zellulären Ereignisse der Apoptose unterscheiden sich von denen der Nekrose, obwohl beide letztendlich zum Tod der Zelle führen (Darzynkiewicz et al., 1997). Die Nekrose oder der zufällige Zelltod ist durch den schnellen, fast sofortigen Tod einer Zelle aufgrund einer katastrophalen Verletzung gekennzeichnet. Nekrotische Zellen schwellen auf ein großes Volumen an und weisen eine dramatische Zunahme des Mitochondrienvolumens auf. Die Plasmamembran ist zerrissen und zelluläre Inhalte werden freigesetzt, was typischerweise eine Entzündungsreaktion hervorruft, die benachbarte Zellen schädigt. Während der Nekrose kommt es manchmal zur Degradation der DNA; die Spaltstellen sind jedoch zufällig, was zu einer ganzen Reihe von Fragmentgrößen führt. Instanzen des Zelltods können oft klar als nekrotisch oder apoptotisch unterschieden werden, aber in einigen Fällen weist eine sterbende Zelle Merkmale beider Prozesse auf.
Der Begriff programmierter Zelltod (PCD) wird allgemein verwendet, um das Absterben von Zellen während der normalen Entwicklung eines Organismus zu beschreiben. In den meisten, aber nicht allen Fällen verläuft der PCD nach demselben stereotypen Prozess wie die Apoptose; daher werden die Begriffe Apoptose und PCD oft synonym verwendet. Eine alternative Praxis besteht darin, den Begriff Apoptose als beschreibend für einen der Mechanismen der PCD zu definieren. In diesem Kapitel verwenden wir den Begriff Apoptose, um den Zelltod zu beschreiben, der durch abnormale extrazelluläre Belastungen induziert wird, und den Begriff PCD, um den apoptotischen Zelltod zu bezeichnen, der entwicklungsbedingt vorherbestimmt ist und normalerweise auftritt.