2 Regulation der Apoptose

Programmierter Zelltod, Apoptose, wird durch distinkte Signale und Signalwege reguliert (Abb. 2). Ein diesen Signalwegen gemeinsames Prinzip ist die Ausbildung eines zytosolischen Signaltransduktionskomplexes (DISC; Death-inducing signaling complex), an die sich eine kaskadenartig verstärkende Aktivierung einander nachgeschalteter Apoptose-[Seite 9↓]fördernder Faktoren anschließt, welche die Aktivierung exekutierender Enzyme, der Caspasen vermitteln [18]. Dies ist ein evolutionär konserviertes Prinzip, das zu solch archaischen Organismen wie dem Wurm Cenorhabditis elegans und wahrscheinlich noch älteren Organismen wie Schleimpilzen (Dictyostelium) und sogar Bakterien zurückverfolgt werden kann [2,5].

Abb. 2: Apoptose-Signalwege

Das grundlegende Konzept der Aktivierung und Hemmung der Apoptose-Signalkaskade kann evolutionsgeschichtlich bis zu archaischen Organismen wie dem Nematoden Cenorhabditis elegans zurückverfolgt werden. Der humane Apoptosehemmer Bcl-2 ist ein Homolog des C. elegans ced-9 Gens (C. elegansdeath Gen-9), das Apoptose-fördernde Bax ist ein Homolog von egl-1, APAF-1 enthält eine Domäne mit Homologie zu ced-4 und Caspase-3 ist ein Homolog von ced-3. Die Aktivierung eines Zelltod-Effektors wie Bax führt zur Bildung eines Apoptose-induzierenden Signalkomplexes (Death-inducing signaling complex, DISC) und zur Aktivierung von Initiator-Caspasen. Bak lokalisiert besonders ausgeprägt auch im Endoplasmatischen Retikulum (ER) und kann dort die Apoptose-Induktion nach ER-Streß vermitteln (z.B. bei Unfolded Protein Response, UPR). Analog hierzu wird bei Aktivierung von Death-Rezeptoren durch die entsprechenden Liganden ein zytoplasmatischer DISC aus z.B. dem Adapterprotein FADD und der Procaspase-8 gebildet. Die Initiator-Caspasen aktivieren Downstream-Caspasen, die den apoptotischen Zelltod exekutieren. Inhibitoren können diese Signalwege auf jeder Ebene inhibieren; auf der Ebene der Aktivatoren (z.B. Bcl-2), der Adapter (z.B. Bcl-2, FLIP, SOD, CARD-9), bzw. auf der Ebene der Caspasen: FLIPL und IAPs.


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Die bisher am besten molekular definierten DISC-Signalwege werden durch Mitochondrien [19] und die Death-Rezeptoren der TNF-Rezeptorsuperfamilie vermittelt [18,20]. Seit kurzem gibt es Hinweise, dass auch andere Zellkompartimente wie das endoplasmatische Retikulum (ER) über die Aktivierung der Caspase-12 Apoptose induzieren können, z.B. bei Stressreaktionen des ER im Rahmen deregulierter Entleerung des Calcium-Speichers oder massiver Akkumulation pathologischer Proteine (Unfolded Protein Response, UPR) bei Virus-Infektionen oder Amyloid-Protein beim M. Alzheimer [5,21,22].

Die Ausbildung und Aktivierung eines DISC resultiert in der raschen Rekrutierung von Inducer-Caspasen (wie der Caspase-2, -8, -9, -10, oder -12). Diese Inducer-Caspasen aktivieren in der Signalkaskade nachgeschaltete Effektor-Caspasen (Caspase-3, -6 und -7), die dann die Apoptose exekutieren und hunderte von regulatorischen Proteinen degradieren, sowie andere Protease-Systeme und Endonukleasen aktivieren [23,24]. Vergleichbar den Enzymkaskaden der Blutgerinnung oder des Komplementsystems wird durch die Aktivierung der Caspase-Signalkaskade eine lawinenartige Verstärkung des initialen Signals erreicht. Hierdurch wird die irreversible Zerstörung der Zelle eingeleitet. Die Bildung eines DISC wurde erstmals für Death-Rezeptor-vermittelte Apoptose für den CD95/Fas-Rezeptor beschrieben [25]. Durch Rezeptor-Oligomerisierung durch Bindung des Liganden oder durch agonistische Antikörper erfolgt die Bindung von FADD (Fas associated death domain) Adapterproteinen, die wiederum über ihre DED (Death Effektor Domäne) die Procaspasen-8 bzw. -10 rekrutieren können. SOD-Proteine (Silencer of Death Domain) können die Rekrutierung von FADD hemmen [26]. Ebenso können FLIP-Proteine die Bindung der Procaspase-8 (kurze und lange Spleissvariante, FLIPS, FLIPL) bzw. die Aktivierung der Procaspase-8 hemmen (FLIPL) [27].

Ein vergleichbarer Komplex (nicht homologer) Signalproteine wurde dann für den mitochondrialen Apoptose-Signalweg definiert. Hier wird der DISC von dem zytosolischen Adapterprotein APAF-1 gebildet, das mitochondriale Ko-Faktoren (Cytochrom c und ATP) bindet und hierdurch aktiviert wird [28,29,30]. Aktiviertes APAF-1 rekrutiert über die nun zugängliche CARD-Domäne die Pro-Caspase-9, die sowohl im Zytosol lokalisiert ist, als auch aus Mitochondrien freigesetzt wird. Dieser Proteinkomplex aus APAF-1, Cytochrom c und Pro-Caspase-9, sowie ATP, stellt den mitochondrialen DISC dar, der auch als mitochondriales Apoptosom bezeichnet wird.


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2.1  Death-Rezeptoren

Diese in der Plasmamembran lokalisierten Transmembran-Rezeptoren sind durch ihre Primärstruktur repetitiver Cystein-reicher extrazellulärer Domänen charakterisiert, welche die Trimerisierung dieser Rezeptoren vermitteln und die Bindung der ebenfalls trimeren Liganden ermöglichen. Zusätzlich enthalten sie im intrazellulären Teil eine als Death-Domäne (DD) bezeichnete Aminosäuresequenz, welche die Bindung von signaltransduzierenden Adapterproteinen und die Bildung des DISC vermittelt [31,32]. Gegenwärtig sind 6 Death-Rezeptoren bekannt: Der 55 kDa TNF-Rezeptor (TNF-R1), CD95/Fas, die TRAIL-Rezeptoren DR3, 4, und 5, sowie DR6 für den noch kein Ligand identifiziert wurde (Abb. 3).

Abb. 3: Schematische Darstellung von Death-Rezeptoren und neutralisierenden Decoy-Rezeptoren.

Mitglieder dieser Untergruppe der TNF-Rezeptor-Superfamilie sind durch ihre intrazelluläre Death-Domäne (DD) charakterisiert, die als graue Box schematisch dargestellt ist. Die 2 bis 4 Boxen im extrazellulären Teil symbolisieren homologe, Cystein-reiche Domänen, die für die Bindung der Death-Liganden und Trimerisierung der Rezeptoren verantwortlich sind. Den TRAIL Decoy-Rezeptoren DcR1 und DcR2 fehlt die intrazelluläre Domäne bzw. sie enthalten nur eine trunkierte, funktionell inaktive DD. Osteoprotegerin (OPG) und DcR3 werden sezerniert und sind lösliche, nicht membranständige Moleküle. Angegeben sind die jeweiligen gebräuchlichen Bezeichnungen und deren Synonyme für die verschiedenen Death- und Decoy-Rezeptoren.


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Sogenannte Decoy-Rezeptoren können Liganden der Death-Rezeptoren binden und sequestrieren, da es sich entweder um lösliche Moleküle oder Rezeptoren ohne funktionelle zytoplasmatische Death Domänen handelt [20,33]. Die biologische Funktion der Decoy-Rezeptoren für die Apoptose-Regulation, vor allem in vivo und für experimentelle Tumortherapien mit Death-Liganden, wie z.B. TRAIL, ist jedoch noch völlig ungeklärt, insbesondere die Frage, ob hierdurch Resistenzen gegenüber diesen Apoptose-induzierenden Liganden ausgelöst werden können.

Die Bindung der entsprechenden Liganden (CD95/Fas Ligand [34], TNF (Tumor Nekrose Faktor) oder TRAIL [35] (TNF-related apoptosis inducing ligand) vermittelt die Trimerisierung der Death-Rezeptoren [36] und erhöht die lokale Konzentration der Rezeptoren am Ort der Liganden-Bindung. Hierdurch wird auch die Rekrutierung der Adapterproteine FADD zur DD des Rezeptor-Oligomers vermittelt [25] (Abb. 2 und Abb. 4; FADD, Fas associated death domain; sowohl im TNF-R1 als auch CD95/Fas-Signalweg) bzw. RIP und RAIDD im TNF-R1 Signalweg) [5,20]. Die geclusterten Rezeptoren rekrutieren über diese Adapterproteine Inducer-/Initiator-Procaspasen, die hierdurch zu den aktiven heterotetrameren Caspasen gespalten und prozessiert werden. Caspase-8 ist die dominante Rezeptor-aktivierte Caspase und wird z.B. von den TRAIL-Rezeptoren (DR3, 4 und 5), CD95/Fas und TNF-R1 aktiviert [37]. Die der Caspase-8 nahe verwandte Caspase-10 wirkt vorwiegend sowohl im TRAIL- als auch im CD95/Fas-Rezeptorweg und kann Caspase-8 funktionell komplementieren [38]. Der TNF-R1 kann die Pro-Caspase-2 über die RAIDD und RIP Adapterproteine rekrutieren [39,40]. Der Mechanismus der proteolytischen Aktivierung dieser Inducer-Caspasen ist nach wie vor unklar, erfolgt aber wahrscheinlich, wie im Falle der Pro-Caspase-9, autokatalytisch in den multimeren DISC-Komplexen [20].

2.2 Mitochondrien und Apoptose

Die Aktivierung des mitochondrialen Apoptose-Signalwegs (Abb. 4) wird von Bcl-2, Bcl-xL und andere Apoptose-hemmende Mitglieder der Bcl-2-Genfamilie kontrolliert und gehemmt [41]. Im Gegensatz hierzu vermögen Apoptose-fördernde Mitglieder dieser Genfamilie, wie z.B. Bax [42], Bak [43,44] und Bok [45], direkt Mitochondrien zu aktivieren. Der Verlust der Bax-Expression ist in den meisten Tumoren mit der Resistenz gegen zytotoxische Therapiemodalitäten verbunden [46,47,48,49,50]. Der Apoptose-regulierende Mechanismus der Bcl-2 Familienmitglieder ist, obwohl Bcl-2 als eines der ersten Gene in dieser Signalkaskade identifiziert wurde, immer noch nicht vollständig klar. Als gesichert gilt, dass Bax und dessen [Seite 13↓]Homologe Bak und Bok direkt Mitochondrien aktivieren können, die daraufhin Cytochrom c und ATP aus dem Raum zwischen innerer und äußerer Mitochondrienmembran freisetzen [51]. Dieser Vorgang kann durch Bcl-2 gehemmt werden [52].

Abb. 4:Aktivierung des mitochondrialen und des Death-Rezeptor-vermittelten Apoptose-Signalwegs.

a. Aktivierung von Death-Rezeptoren führt zur Bildung eines DISC. Im Fall des CD95/Fas Rezeptors führt die Bindung des trimeren Fas Liganden an ein Rezeptor-Trimer zur DISC-Bildung: das FADD Adapterprotein wird über die Death-Domänen in CD95 und FADD rekrutiert. Dies stimuliert die Bindung von Pro-Caspase-8 (C8) über die Death-Effektor Domäne (DED) in pro-C8, wodurch die Aktivierung von pro-C8 zur aktiven C8 induziert wird.

Die Aktivierung der Mitochondrien kann hierbei in distinkte Aktivierungsschritte unterteilt werden: (1) Die Konformationsänderung im N-Terminus von Bax löst die Translokation vom [Seite 14↓]Zytoplasma und Insertion in die äußere Mitochondrienmembran aus. (2) Dies führt als ein sehr frühes Ereignis zur Öffnung von Kanälen und Freisetzung von ATP und Cytochrom c. (3) Die Atmungskette als Energielieferant bleibt aktiv. (4) Erst später kommt es durch den Einstrom zytosolischer Ionen und H2O zum Zusammenbrechen des mitochondrialen Membranpotentials, der mitochondrialen Permeabilitäts-Transition (ΔΨm) mit Anschwellen der Mitochondrien und Platzen der äußeren und später auch der inneren Membran und letzlich (5) dem Zusammenbrechen der Atmungskette [19,53,54]. Es ist nach wie vor nicht völlig geklärt, wie diese Kanäle gebildet werden. Sowohl für Bcl-2 als auch Bax konnte gezeigt werden, dass diese Proteine nicht nur über die BH-Domänen (Bcl-2 Homologie) dimerisieren, sondern auch oligomerisieren können, um selbst Kanäle zu bilden [55]. Neben dieser Kanalbildung regulieren Bcl-2 und Bax aber auch spannungsabhängige mitochondriale Kanäle [56], die in der äußeren Membran durch das VDAC-Protein [57] (Voltage Dependent Anion Channel) und in der inneren Membran durch das ANT-Protein (Adenin-Nukleotid Transporter) gebildet werden [54,58]. Die Aktivität dieser Kanäle kann durch den peripheren Benzodiazepin-Rezeptor, der auch in der äußeren mitochondrialen Membran lokalisiert ist, moduliert werden.

Das nun zytosolische Cytochrom c bindet an APAF-1, und zwar an dessen WD40-Domäne [59]. Gemeinsam mit der Bindung von ATP bzw. dATP an die CED4-Homologiedomäne von APAF-1 wird hierdurch eine Konformationsänderung in APAF-1 ausgelöst, wodurch die CARD-Domäne (Caspase-Rekrutierungs-Domäne) exponiert wird [60,61]. Dies ermöglicht die Bindung der Procaspase-9 an die APAF-1 CARD-Domäne. Die WD40-Domäne vermittelt auch die Dimerisierung von APAF-1 [62], wodurch mindestens 2 Procaspase-9 Proteine in engen räumlichen Kontakt gelangen und sich autokatalytisch zum biologisch aktiven Caspase-9 Heterotetramer spalten [63]. Neuere Daten lassen vermuten, dass dieses mitochondriale Apoptosom durch weitere CARD-enthaltende Proteine zu großen multimeren Proteinkomplexen assoziiert. Dies erleichtert die Aktivierung der Initiator-Caspase. Die aktive Caspase-9 kann durch limitierte Proteolyse die Effektor-Caspasen-3, -6 und -7 aktivieren und hierdurch die Exekution der Apoptose einleiten [24].

Neben Cytochrom c werden noch weitere Proteine aus den apoptotischen Mitochondrien freigesetzt, unter anderem (1) AIF (Apoptosis Inducing Factor) [64,65], der hohe Homologie zu bakteriellen Flavoproteinen aufweist, in den Zellkern transloziert und dort eine Caspase-unabhängige DNA-Fragmentierung in hochmolekulare Fragmente auslöst. Die Morphologie des AIF-induzierten Zelltods ähnelt jedoch mehr der Nekrose. Der Beitrag dieses Faktors zum apoptotischen Zelltod ist allerdings nach wie vor nicht völlig geklärt. (2) SMAC/DIABLO [66], [Seite 15↓]das die Aktivität der anti-apoptotischen IAPs (s.u.) hemmt und hierdurch die Exekution der Apoptose verstärkt [67,68,69,70] und (3) HSP10, das anti-apoptotische Funktion hat und die Aktivierung der Procaspase-9 hemmen kann [71].

Die Apoptose-hemmende Wirkung von Bcl-2 ist Gegenstand aktueller Diskussionen. Bis vor kurzem wurde die hemmende Wirkung von Bcl-2 im Apoptosom lokalisiert. Grundlage hierfür war, dass eine direkte Bindung von Bcl-xL über dessen Bcl-2-Homologie-Domäne Nr. 4 (BH4) an Ced-4, das C. elegans Homolog von APAF-1 demonstriert wurde [62,72]. Diese Interaktion ist jedoch physikalisch sehr schwach und mittlerweile konnte durch zellbiologische Untersuchungen gezeigt werden, dass Bcl-2 die Apoptose-fördernde Wirkung von APAF-1 nicht zu blockieren vermag und doch nicht an APAF-1 bindet [73,74,75,76]. Als wahrscheinlichstes Modell wird daher zur Zeit favorisiert, dass Bcl-2, Bcl-xL und deren funktionelle Apoptose-hemmenden Homologen die Wirkung der Apoptose-Promotoren Bax, Bak und Bok inhibieren. Dieser Effekt wird über die physikalische Interaktion über die Bcl-2 Homologie-Domänen BH1, BH2, vor allem aber auch über die BH3 vermittelt. APAF-1 hingegen wirkt nachgeschaltet und übt seine Caspase-aktivierende Funktion erst nach Freisetzung des Cytochrom c aus.

Die Unterfamilie der BH3-only Proteine der Bcl-2 Genfamilie [41] reguliert den Vorgang der Aktivierung des mitochondrialen Signalwegs., indem sie Apoptose-hemmende Proteine wie Bcl-xL und Bcl-2 aus der Bindung an Bax verdrängen können und hierdurch Bax (oder auch Bak) aktivieren. Solche Wirkungen wurden mittlerweile für Bad, Bim und Bid gezeigt. Diese BH3-only Proteine agieren wahrscheinlich als Bindeglieder zwischen spezifischen Signalkaskaden und der mitochondrialen Apoptose-Signalkaskade.

2.3 Endoplasmatisches Retikulum und Apoptose

Ein erst vor kurzem entdeckter Mechanismus der Apoptose wird über das endoplasmatische Retikulum (ER) aktiviert (Abb. 2), z.B. durch eine ER-Stressantwort wie der UPR (Unfolded Protein Response), die z.B. nach Hemmung des Proteinexports aus dem ER beobachtet wird. Dieser Signalweg wird durch die Procaspase-12 vermittelt, die spezifisch mit dem ER assoziiert ist. Caspase-12 wird spezifisch durch ER-Stress-Signale aktiviert, wie z.B. Störungen der Calcium-Homöostase im ER oder Akkumulation missgefalteter Proteine im ER. Die Aktivierung dieses Signalwegs ist unabhängig von Death-Rezeptor-Signalen und der mitochondrialen Apoptose-Signalkaskade. Tunicamycin aktiviert diese Signalkaskade [Seite 16↓]ebenfalls, da es die Proteinglykosilierung im Golgi-Apparat blockiert und zur Proteinretention im ER und einer UPR führt. Ebenso lösen kombinierte Hypoxie und Glukose-Entzug eine ER Stressantwort mit Induktion der ER-Chaperone Bip/grp78 und grp94 und Aktivierung der Caspase-12 aus. Dieser Mechanismus ist wahrscheinlich auch auslösend für den neuronalen Zelltod in Folge der Akkumulation von Amyloidproteinen, z.B. beim M. Alzheimer.

Interessanterweise ist die ER-induzierte Apoptose durch Bcl-2 hemmbar. Dieses Protein lokalisiert nicht nur in die Mitochondrienmembran, sondern auch in die äußere ER-Membran, wo sich auch die Procaspase-12 befindet. Die molekularen Aktivatoren dieser Stressantwort sind noch unbekannt, obwohl hier wahrscheinlich das Bax-Homolog Bak funktionell relevant ist, da es auch am ER lokalisiert sein kann.

Möglicherweise können Zelltodsignalwege auch durch andere Organellen oder funktionelle Strukturen der Zelle aktiviert werden. Einige Hinweise deuten darauf hin, dass z.B. DNA-Schädigung über Komponenten des DNA-Reparatursystems nukleäre Apoptose aktiviert [77].

2.4 Vernetzung der Apoptose-Signalwege

Analog zur multiplen Verknüpfung von Zellzyklus und Apoptose bzw. von DNA-Reparatur und Apoptose sind die verschiedenen Komponenten der Apoptose-Signalwege funktionell miteinander verwebt. Eine Vielzahl verschiedener Signale und Apoptose-Signalwege führt zur Aktivierung der mitochondrialen Apoptose-Signalkaskadede über die Aktivieurng der Bax-Homologe Bax [42], Bak [43,44] und Bok/Mtd [45,78]. Eine besondere Stellung nehmen hierbei die BH3-only Proteine der Bcl–2 Genfamilie ein. Sie enthalten lediglich die BH3-Domäne und sehr unterschiedliche Prodomänen, die, wie neuere Daten zeigen, über Phosphorylierung die Funktion dieser Proteine regulieren können. Zum Teil sind diese Proteine gewebespezifisch exprimiert und wahrscheinlich an der Regulation Gewebe- und Zelltyp-spezifischer Mechanismen beteiligt.

Das BH3-only Protein Bad [79] ist ein Bindeglied zum PI3- und dem Akt/PKB-Kinase-Signalweg [80,81,82] und dem Ras-Signalweg [83,84,85]. Es interagiert mit Bcl-xL und inaktiviert es hierdurch funktionell. Bad wird über die PI3/Akt-Kinasekaskade phosphoryliert und inaktiviert [86,87]. Hierdurch kann Bcl-xL aus der Bindung an Bad befreit werden und den mitochondrialen Apoptose-Signalweg hemmen [88].


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Abb. 5: Vernetzung und Amplifikationsschleifen von Apoptose-Signalwegen.

a. Ein wichtiger Signalweg (linker Teil der Abbildung) wird durch Death-Liganden (z.B. CD95 Ligand, CD95L, FasL) aktiviert. Durch Bindung des Liganden wird ein membranständiger Signalkomplex (DISC) gebildet, der aus CD95L, CD95 Rezeptor, dem Adapterprotein FADD und der Initiator-Caspase Procaspase-8 besteht, die hierdurch aktiviert wird. Caspase-8 wiederum spaltet und aktiviert die Effektor-Caspase-3 Dieser Signalweg kann amplifiziert werden durch (1) Caspase-8-vermittelte Spaltung von Bid bzw. (1´) durch die Caspase-6-vermittelte Spaltung von Caspase-8, die beide den Caspase-8-Signalweg mit dem mitochondrialen Apoptosom (mitochondrialer DISC) verknüpfen.

Bim [89] wiederum koppelt den Motor-Dynein-Komplex an den mitochondrialen Zelltodsignalweg [90] und ist an der Regulation der immunologischen Homoöstase und Verhinderung von Autoimmunität [91,92] sowie neuronaler Apoptose [93] beteiligt. Das BH3-only Protein BMF wiederum wird durch den Aktin-Myosin-Motor Komplex reguliert [94]. Noxa [95], Puma [96,97] und wahrscheinlich auch Hrk [98,99] sind hingegen an der p53-vermittelten Apoptose beteiligt. Weiterhin werden neue Mitglieder der Familie der BH3-only Proteine identifiziert.

Bid [100] verbindet Death-Rezeptor-vermittelte Apoptose-Signalwege mit dem mitochondrialen Signalweg. Bid nimmt hierbei eine besondere Stellung ein, da es über einen Caspase-8-abhängigen Mechanismus zu tBid (trunkiertes Bid) gespalten werden kann [101]. Das trunkierte Bid kann mit Bax interagieren und Bax hierdurch aktivieren und dessen Umverteilung vom Zytoplasma in die äußere Mitochondrienmembran induzieren [102] (Abb. 5). Analog hierzu kann Bid nach Spaltung durch die Caspase-3 über einen positiven Rückkopplungsmechanismus die mitochondriale Apoptose-Signalkaskade amplifizieren [103].

BH3-only Proteine wirken also pro-apoptotisch, indem sie in Bax und dessen Homologen eine Konformationsänderung auslösen und hierdurch Mitochondrien-Aktivierung und Freisetzung von Cytochrom c vermitteln [104,105]. Ob dies ein direkter Effekt auf Bax-Homologe ist oder durch Sequestrierung von Apoptose-hemmenden Bcl-2-Homologen erfolgt (wie im Falle von Bad) ist im Detail noch ungeklärt.

2.5 Die Exekution des apoptotischen Zelltods

Die Effektor-Caspasen aktivieren weitere Proteasen wie die Calpaine. Hierdurch werden eine Vielzahl regulatorischer und struktureller Proteine inaktiviert, die für die Aufrechterhaltung der Integrität und das Überleben der Zelle von Bedeutung sind. Insbesondere werden Zytoskelett, Kernmembran, und andere Strukturproteine zerstört. Caspasen aktivieren durch die proteolytische Spaltung auch anti-apoptotische Proteine zu pro-apoptotischen Faktoren [23,24,106]. Caspase-3 kann Bcl-2 und Bcl-xL zu Molekülen mit Bax-ähnlicher Wirkung aktivieren [107]. Inhibitoren von Endonucleasen, z.B. DFF45/ICAD werden gespalten und die CAD-[Seite 19↓]Endonuklease wird zur aktiven DNase [108,109,110]. Diese DNasen fragmentieren die genomische DNA in oligonukleosomale, etwa 180 Basenpaare oder deren Vielfaches messende DNA-Fragmente, die sich im Agarosegel als sogenannte DNA-Leiter nachweisen lassen [111,112]. Die Zerstörung der Kernmembran und die Aktivierung von Chromatin-spaltenden DNasen führt zur Kondensation des nukleären Chromatins und Bildung von Mikronuklei, wie sie z.B. auch in mit ionisierender Strahlung exponierten Zellen nachgewiesen werden können. Die Zerstörung des Zytoskleletts führt zur Bildung apoptotischer Körperchen durch Abschnürung von Zellanteilen, die auch Mikronuklei enthalten können. Dieser Vorgang wird auch als Zeiose oder Blebbing bezeichnet. In der Spätphase der Apoptose kommt es zur Depletion des ATP-Pools und hierdurch zur Inaktivierung von ATP-abhängigen Pumpen. Dies führt zur Vakuolisierung von Organellen, Mitochondrien und ER schwellen an.

Apoptose ist ein aktiver, Energie-abhängiger Mechanismus. Ist der Energiestoffwechsel der apoptotischen Zelle völlig zusammengebrochen, dann geht demzufolge die typische apoptotische Morphologie der Zelle in eine Nekrose-Morphologie über. Im Gegensatz zur Nekrose bleibt bei Apoptose jedoch initial die Plasmamembran erhalten. Allerdings wird die Lipidzusammensetzung verändert. Sphingomyeline werden gespalten, und pro-apoptogene Ceramide gebildet, die die Apoptose weiter amplifizieren. Phosphatidylseringruppen, die normalerweise durch eine ATP-abhängige Flipase zur Innenseite der Membran sortiert werden, sind vermehrt auf der Aussenseite der Zelle lokalisiert und machen sie hierdurch als apoptotische Zelle kenntlich [113]. Die von innen heraus degradierte Zelle kann nun von umliegenden Phagozyten wie z.B. Gewebsmakrophagen eliminiert werden [114,115]. Dieser Vorgang erfolgt in vivo sehr rasch, so dass Apoptose im intakten Gewebsverband extrem schwierig nachzuweisen ist. Dies erklärt auch, warum Apoptose als zellbiologischer Mechanismus erst sehr spät erkannt und definiert wurde [1]. Allerdings kann Apoptose je nach Zell- und Gewebstyp sehr unterschiedlich exekutiert werden und auch die Morphologie ist somit nicht einheitlich. Selbst Charakteristika wie Chromatin-Kondensation und oligonukleosomale DNA-Fragmentierung sind nicht obligat. Zudem ist mittlerweile klar, dass es fließende Übergänge zwischen Apoptose und Nekrose geben kann, z.B. beim Zelltod, der durch TNF ausgelöst wird [116,117]. Besser ist daher, bei aktiv ausgelöstem Zelltod von programmiertem Zelltod zu sprechen.


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28.09.2004