II Overzicht van de morfologie en moleculaire gebeurtenissen van apoptose
Apoptotische celdood kan worden onderverdeeld in vier opeenvolgende stadia: initiatie, beslissing om te sterven, uitvoering, en opslokking. Een reeks van cellulaire stressfactoren kan apoptose in gang zetten door de activering van intracellulaire signaalwegen of het vrijkomen van tweede boodschappers. Voorbeelden van triggers van celdood zijn ioniserende straling, chemotherapeutische geneesmiddelen, hyperthermie, en ontneming van groeifactoren. Moleculen die door andere cellen worden aangeboden, zoals Fas-ligand (FasL) en tumornecrosefactor (TNF), kunnen ook apoptose induceren in cellen die de juiste receptoren dragen. Een cel kan een verscheidenheid van signalen tegelijk ontvangen, waaronder zowel proliferatie- als celdoodsignalen. In antwoord op deze signalen moet een cel zijn situatie beoordelen en beslissen of hij zelfmoord pleegt door apoptose. Belangrijke regulerende moleculen in dit stadium zijn leden van de Bcl-2 eiwitfamilie (White, 1996; Yang en Korsmeyer, 1996), hoewel het mechanisme van hun werking niet volledig wordt begrepen. Zodra een cel de beslissing heeft genomen om te sterven, worden moleculen geactiveerd die als beulen optreden. In alle bestudeerde vormen van apoptose, in een verscheidenheid van meercellige organismen, omvatten de beulen cytosolische proteasen, waarvan de meerderheid behoort tot een familie die de caspasen wordt genoemd (Nicholson en Thornberry, 1997; Alnemri, 1997). Deze proteasen vallen specifieke cellulaire proteïnen aan, hetgeen leidt tot de onomkeerbare vernietiging van kritieke cellulaire processen en structuren. In de laatste fase van apoptose worden de overblijfselen van de stervende cel herkend, opgeslokt en afgebroken, hetzij door een naburige cel, hetzij door een opruimende macrofaag.
De morfologische veranderingen die gepaard gaan met apoptose zijn duidelijk en goed gekarakteriseerd (Wyllie, 1987; Darzynkiewicz et al., 1997). Cellen die apoptose ondergaan krimpen snel, verdichten zich en trekken zich los van de naburige cellen. Als gevolg van het verlies van cytoplasmatisch volume vormt de plasmamembraan blaren en uitsteeksels, waardoor de cel er blaarvormig uitziet. Een snelle toename van de intracellulaire calciumionconcentratie wordt ook vaak waargenomen (Schwartzman en Cidlowski, 1993). Het kernmembraan wordt bol en het chromatine condenseert en aggregeert in dichte, halvemaanvormige vormen nabij het kernmembraan. Chromatinecondensatie gaat gepaard met dubbelstrengs splitsing van DNA door een of meer nucleaire endonucleasen (Wyllie et al., Montague and Cidlowski, 1996) en afbraak van de nucleaire lamina door proteasen (Lazebnik et al., 1995).
De afbraak van DNA tijdens apoptose verloopt volgens een nauwkeurig, reproduceerbaar patroon (Wyllie et al., 1992; Montague and Cidlowski, 1996). Aanvankelijk wordt chromosomaal DNA gesplitst in grote segmenten van ongeveer 50-300 kilobasen (Oberhammer et al., 1993). In de meeste, maar niet alle, gevallen van apoptose worden deze domeinen vervolgens verder verteerd in kleinere fragmenten door splitsing tussen nucleosomen. Scheiding van DNA uit apoptotische kernen door agarosegel-elektroforese levert een karakteristiek patroon op van deze mono- of oligonucleosomale fragmenten in veelvouden van 185-200 basenparen (bp), beschreven als een DNA-ladder (Tilly en Hsueh, 1993). De endonucleasen die verantwoordelijk zijn voor deze DNA-fragmentatie zijn niet op overtuigende wijze geïdentificeerd, hoewel er verschillende kandidaten zijn gesuggereerd (Montague en Cidlowski, 1996). Sommige studies hebben een rol voor DNase I of II gesuggereerd, maar deze enzymen bevinden zich normaliter niet in de celkern. Misschien is een betere kandidaat een 18 kD Ca2+/Mg2+-afhankelijk endonuclease, NUC18 genaamd, dat werd geïsoleerd uit apoptotische kernextracten en waarvan werd vastgesteld dat het sterk homoloog is met cyclophiline A. NUC18 zou verantwoordelijk kunnen zijn voor de splitsing van DNA in 50 kD fragmenten. Bovendien is een nieuw Ca2 +/Mg2 + -afhankelijk endonuclease van 95 kD geïdentificeerd dat actief is tijdens apoptose (Pandey et al., 1997). Een eiwit dat DNA-fragmentatiefactor (DFF) wordt genoemd en dat de apoptotische endonuclease(n) lijkt te activeren, is ook geïsoleerd uit HeLa-cellen (Liu et al., 1997).
Verschuivingen in de mitochondria van apoptotische cellen gaan vooraf aan cellulaire condensatie en nucleaire desintegratie en kunnen een essentiële vroege gebeurtenis in apoptose zijn (Petit et al., 1996; Kroemer, 1997). De mitochondriën vertonen een depolarisatie van het membraanpotentiaal (Δm) (Marchetti et al., 1996; Zamzami et al., 1995b; Zamzami et al., 1996), die te wijten lijkt te zijn aan de opening van mitochondriale permeabiliteitsovergang (MPT) poriën (Zoratti en Szabo, 1995). Eiwitten die vrijkomen uit apoptotische mitochondriën in het cytoplasma, hetzij vlak voor, hetzij vlak na de MPT, zijn in staat chromatinecondensatie en DNA-fragmentatie te induceren (Liu et al., 1996; Susin et al, 1996; Zamzami et al., 1996).
De stervende cel valt uiteen in verschillende ronde met een membraan omsloten stukken die apoptotische lichaampjes worden genoemd en die door fagocyterende cellen worden gefagocytiseerd en afgebroken (Savill et al., 1993; Hart et al., 1996). Epitheelcellen, endotheelcellen en fibroblasten die in de buurt van de plaats van apoptose liggen, kunnen apoptotische lichaampjes opslokken. Verschillende studies tonen ook aan dat “professionele” macrofagen worden gerekruteerd op plaatsen van celdood en verantwoordelijk zijn voor een groot deel van de fagocytose van apoptotische lichaampjes (Hopkinson-Woolley et al., 1994; Camp and Martin, 1996). Deze opslokking voorkomt een ontstekingsreactie door lekkage van celresten in de intercellulaire ruimten. Apoptotische cellen vertonen een reeks signalen om fagocyten aan te trekken, waaronder veranderingen in moleculen op het celoppervlak, zoals suikers, lipiden en eiwitten. Hoewel de herkenning van apoptotische cellen door fagocyten een kritisch proces is en een actief onderzoeksgebied, vallen de details van deze laatste gebeurtenis in apoptose buiten het bestek van dit overzicht.
De cellulaire gebeurtenissen van apoptose staan in contrast met die van necrose, hoewel beide uiteindelijk resulteren in de dood van de cel (Darzynkiewicz et al., 1997). Necrose, of toevallige celdood, wordt gekenmerkt door een snelle, bijna onmiddellijke dood van een cel als gevolg van een catastrofale verwonding. Necrotische cellen zwellen op tot een groot volume en vertonen een dramatische toename van het mitochondriale volume. Het plasmamembraan is verstoord en de celinhoud komt vrij, wat meestal een ontstekingsreactie veroorzaakt die naburige cellen beschadigt. Afbraak van DNA komt soms voor tijdens necrose; de splitsingsplaatsen zijn echter willekeurig, wat resulteert in een volledig gamma van fragmentgroottes. Bij celdood kan vaak een duidelijk onderscheid worden gemaakt tussen necrotisch en apoptotisch, maar in sommige gevallen vertoont een stervende cel kenmerken van beide processen.
De term geprogrammeerde celdood (PCD) wordt algemeen gebruikt om het afsterven van cellen tijdens de normale ontwikkeling van een organisme aan te duiden. In de meeste, maar niet alle gevallen verloopt PCD volgens hetzelfde stereotiepe proces als apoptose; daarom worden de termen apoptose en PCD vaak door elkaar gebruikt. Een alternatieve praktijk is de term apoptose te definiëren als een beschrijving van één van de mechanismen van PCD. In dit hoofdstuk gebruiken we de term apoptose om celdood te beschrijven die wordt geïnduceerd door abnormale extra-cellulaire stress en de term PCD om apoptotische celdood aan te duiden die voorbestemd is voor de ontwikkeling en die normaal optreedt.