Programmierter Zelltod

Programmierter Zelltod ist der absichtlich herbeigeführte 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.

Der programmierte Tod von Zellen ist wie die Proliferation für die Homöostase eines mehrzelligen Organismus unabdingbar. Störungen des geordneten Zusammenwirkens von Zellproliferation und -tod, z. B. ein Ausfall oder eine Verminderung des programmierten Zelltods, kann zur Tumorbildung führen. Aber auch eine verstärkte Zelltodrate kann negative Auswirkungen haben, z. B. durch die Ausbildung degenerativer Erkrankungen wie z. B. Chorea Huntington (HD) oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS). Speziell im Immunsystem spielt der programmierte Zelltod eine wichtige Rolle. So eliminieren zytotoxische T-Zellen virusinfizierte oder entartete Zellen durch die Induktion von programmiertem Zelltod. Auch bei der Reifung von T- und B-Zellen werden im Thymus bzw. im Knochenmark potenziell autoreaktive Zellen durch programmierten Zelltod beseitigt. Dabei auftretende Fehler können Autoimmunkrankheiten wie z. B. Multiple Sklerose oder rheumatoide Arthritis zur Folge haben. Des Weiteren werden nach einer erfolgreichen Immunantwort aktivierte T-Zellen, die nicht mehr benötigt werden, durch programmierten Zelltod entfernt. Der programmierte Zelltod wurde 1842 bei der Beobachtung der Ontogenese von Wirbeltieren zum ersten Mal beschrieben (Vogt, 1842). Vogt beobachtete, dass während der Entwicklung von Amphibien unerwünschte Gewebe (Schwanz, Schwimmhäute) durch Zelltod gezielt abgebaut werden. Dieser „normale“ Zelltod wurde bald auch in der Ontogenese anderer Wirbeltiere und bei Wirbellosen (Invertebrata) nachgewiesen. Der oft benutzte Begriff „Apoptose“ wurde 1972 eingeführt (Kerr et al., 1972) und sollte den „natürlichen“ Zelltod während der Ontogenese vom Unfalltod einer Zelle (Nekrose) abgrenzen.

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Nekrose

Hauptartikel: Nekrose

Das Gegenteil zum programmierten Zelltod stellt die Nekrose (traumatischer Zelltod) dar. Häufige Auslöser sind beispielsweise Schäden hervorgerufen durch Detergentien, Oxidantien, Ischämien, Traumata oder Pathogene. Im Verlauf des nekrotischen Zelltods kommt es durch einen Ausfall der zellulären Ionenpumpen zu einem Einstrom von Kalzium- und Natriumionen. Der daraus resultierende osmotische Einstrom von Wasser führt zur Schwellung der Zelle und der Organellen und schließlich zum Platzen der Zelle. Durch den hierbei austretenden Zellinhalt werden Zellen des Immunsystems aktiviert, die eine entzündliche Reaktion auslösen. Die Nekrose kann nur durch die Entfernung des auslösenden Stimulus verhindert werden und nicht wie bei der Apoptose durch Blockierung eines Signals (Leist et al., 2001).

Typen programmierten Zelltods

Apoptose

Hauptartikel: Apoptose

Im Gegensatz zur Nekrose kommt es bei der Apoptose nicht zum Zerplatzen der Zelle, sondern zu einem Schrumpfen von Zytoplasma und Zellkern. Dazu pumpen die Zellen aktiv Ionen, vor allem Kaliumionen, nach außen und kontrahieren ihr Zytoskelett. Das Chromatin kondensiert und zerfällt in Fragmente. Es kommt zu keiner Schwellung der Organellen, und diese verlieren erst spät ihre Integrität. Des Weiteren bilden sich Ausstülpungen der Plasma- und der Kernmembran, die sich als sogenannte „apoptotische Körperchen“ abschnüren. Diese durch sogenanntes „blebbing“ abgeschnürten Vesikel und die geschrumpften Zellkörper werden dann von phagozytierenden Zellen beseitigt. Durch diese Vorgänge werden die Zellen gerichtet degradiert, und es kommt im Gegensatz zur Nekrose nicht zur Freisetzung des Zellinhalts, so dass keine entzündliche Reaktion induziert wird. Durch das Zerfallen und Schrumpfen der sterbenden Zelle ist es für phagozytierende Zellen leichter, deren Reste aufzunehmen. Die Phagozyten erkennen ihre Ziele an Membranveränderungen, wie z. B. der Umlagerung von Phosphatidylserin von der Innen- auf die Außenseite der Plasmamembran („eat me“-Marker). Die Zellfragmente werden dann von den Phagozyten innerhalb von Vesikeln, den Phagolysosomen, abgebaut.

Apoptose kann durch unterschiedliche Stimuli ausgelöst werden. So können z. B. Chemikalien je nach Konzentration und Zelltyp Apoptose induzieren. Glukokortikoide binden an intrazelluläre Rezeptoren und induzieren in Thymozyten Apoptose. Die Schädigung der DNA durch Strahlung oder Chemikalien führt in vielen Fällen zu apoptotischem Zelltod. Auch ein Entzug von Überlebens-, Wachstumsfaktoren und Zytokinen, die an Oberflächenrezeptoren binden und Signale zum Überleben geben, kann Apoptose auslösen. Todesfaktoren bewirken dagegen das Gegenteil. Wenn sie an ihre Rezeptoren binden, lösen sie Apoptose aus. In der Zelle werden durch die obengenannten Stimuli die Caspasen (Cystein Aspartat-spezifische Proteasen) aktiviert. Diese für die Apoptose bedeutsame Proteinfamilie wurde Anfang der 90er Jahre beschrieben (Miura et al., 1993) und stellt den zentralen Teil der Apoptose-Maschinerie dar (Lamkanfi et al., 2002). Die Bindung von Liganden an Todesrezeptoren führt in einer Zelle zur Aktivierung der Caspase-Kaskade, wobei Initiator-Caspasen nachgeschaltete Effektor-Caspasen aktivieren, die dann durch die Spaltung wichtiger Zellproteine den Tod und die Degradation der Zelle herbeiführen. Zur Zeit sind 280 Proteine bekannt, die durch Caspasen gespalten werden (Fischer et al., 2003). Dazu gehören u. a. Regulatoren der Apoptose, Rezeptoren und Proteine vieler Signalwege, Zelladhäsionsproteine, Proteine des Kern- und Zytoskeletts, Regulatoren des Zellzyklus und der DNA-Synthese, -Degradation und -Reparatur, Zytokine, Proteine und Regulatoren der Transkription und Translation. Anhand des Ortes ihrer Initiation lässt sich die Apoptose in zwei Typen einteilen. Die Apoptose des Typs I ist durch die Todesrezeptor-vermittelte Initiation der Caspase-Kaskade und die direkte Aktivierung der Caspase-3 durch die Caspase-8 charakterisiert (Stennicke et al., 1998). Die Typ II-Apoptose wird dagegen mitochondrial vermittelt und führt zur Aktivierung der Caspase-9.

Caspaseunabhängiger programmierter Zelltod

Im Verlauf der Evolution haben sich aufgrund der zunehmenden Komplexität und Lebensspanne der Organismen möglicherweise mehrere den programmierten Zelltod vermittelnde Signalwege entwickelt. Die Beteiligung von Caspasen im programmierten Zelltod konnte bis jetzt nur bei höher entwickelten tierischen Organismen wie den Wirbeltieren, Insekten und Nematoden sicher nachgewiesen werden. In Pflanzen, Pilzen und Protozoen wurden die sogenannten Metacaspasen und in den Metazoen und dem Schleimpilz Dictyostelium discoideum die Paracaspasen beschrieben (Lamkanfi et al., 2002). Ob diese zur Caspase-Familie gehörenden Proteine auch in den Signalwegen des programmierten Zelltods eine Bedeutung haben, ist noch Gegenstand der Forschung. Es konnte aber gezeigt werden, dass sich die Caspasen aus den Paracaspasen entwickelt haben (Koonin et al., 2002). In Hydra, einem Angehörigen des basal stehenden Stamms der Nesseltiere (Cnidaria), konnte Apoptose (Kuznetsov et al., 2002) und die Expression zweier Caspase-3 homologer Gene gezeigt werden (Cikala et al., 1999). Alternative Caspase-unabhängige Formen des programmierten Zelltods findet man noch heute in primitiveren Organismen. So wird z. B. bei dem Bakterium Bacillus subtilis nach der Sporenbildung die Mutterzelle aktiv lysiert (Smith et al., 1995; Nugroho et al., 1999). Escherichia coli reagiert auf zu starke Schädigung der DNA mit deren Degradation (Cairns, 2002) und zeigt wie Streptococcus pneumoniae eine programmierte Zelllyse (Moyed et al., 1983; Novak et al., 1998). Auch in eukaryotischen Einzellern konnte programmierter Zelltod beschrieben werden. So zeigen Trypanosoma cruzi und T. brucei rhodesiense, D. discoideum und Tetrahymena thermophila einige „apoptotische“ Merkmale wie zytoplasmatisches „blebbing“ und Vakuolisierung, DNA-Fragmentation und Chromatin-Kondensation als Antwort auf Umweltstress oder extrazelluläre Signale (Ameisen, 1996; Ameisen, 2002). In Hefen konnte ein Protein der Familie der Metacaspasen (Madeo et al., 2002), aber keine homologen Proteine zu den im Caspase-System wichtigen Proteinen der Bcl-2, CARD-, DD- oder DED-Familien gefunden werden. Aber auch ohne diese Proteine wurde programmierter Zelltod in diesen Zellen nachgewiesen. Dabei zeigen die Hefen „apoptoseartige“ Merkmale wie DNA-Fragmentierung und -Kondensation, Zeiose („blebbing“) und die Externalisierung von Phosphatidylserin (Fröhlich et al., 2000; Jin et al., 2002). Diese Merkmale konnten selektiv durch Bax-artige Proteine ausgelöst oder zu CED-9 verwandte Genprodukte blockiert werden. Die Befunde aus Prokaryoten und niederen Eukaryoten zeigen, dass es schon vor der Entwicklung des Caspase-Systems entwicklungsgeschichtlich ältere Signalwege des Zelltods gegeben haben muss. Diese könnten in modernen Eukaryoten neben dem dominierenden Caspase-System existieren und im Falle dessen Versagens als Absicherung den programmierten Zelltod garantieren.

Nach der Endosymbionten-Theorie zur Entstehung der eukaryotischen Zelle wurden ein Urahn der Bakterien (oder mehrere) von anderen ursprünglichen Einzellern aufgenommen und entwickelte sich im Verlauf der Evolution zu den heutigen Mitochondrien und anderen Organellen. Moderne Bakterien können Substanzen ausscheiden, die in den Zellmembranen anderer Zellen Poren bilden und diese dadurch abtöten (Colicin K, Colicine 5 und 10) oder die ribosomale RNA der Zielzellen angreifen (Colicin E3). Für viele Proteine und Proteindomänen, die in modernen Zellen eine Funktion im Zelltod haben, konnten in Bakterien homologe Proteine gefunden werden (Koonin et al., 2002). Es ist bezeichnend, dass in den Mitochondrien proapoptotische Faktoren (z. B. Cytochrom c, AIF, Endonuklease G, Smac/DIABLO und Omi/HtrA2) lokalisiert sind, die auf bestimmte Signale ins Zytoplasma gelangen und Zelltod auslösen (van Loo et al., 2002; van Gurp et al., 2003). Für das mitochondriale Protein AIF (Apoptose induzierender Faktor) wird beschrieben, dass seine Überexpression eine Caspase-unabhängige DNA-Degradation auslöst (Susin et al., 1999). Auch die Endonuklease G soll wie AIF im Zusammenspiel mit anderen DNAsen für den Caspase-unabhängigen Abbau der DNA verantwortlich sein (Widlak et al., 2001). Einen anderen Wirkmechanismus haben Smac/DIABLO (Verhagen et al., 2000; Du et al., 2000) und die Serin-Protease Omi/HtrA2 (Gray et al., 2000; Faccio et al., 2000; Martins et al., 2002). Sie inhibieren antiapoptotische Proteine wie XIAP und andere IAP Proteine und erlauben dadurch die Aktivierung des Apaf/Cytochrom c-Komplexes und der Caspase-3. Die Serin-Protease Omi/HtrA2 verstärkt den Zelltod auch durch deren Protease-Aktivität. Omi/HtrA2 ist homolog zur bakteriellen Hitzeschock-Protease HtrA2 und zeigt, dass in den heutigen Eukaryoten immer noch Komponenten ursprünglicher prokaryotischer Zellproteine vorhanden sind.

Programmierter Zelltod ohne Beteiligung der „modernen“ Caspasen ist auch in heutigen Organismen von Bedeutung. Er wurde im Säugetier in vivo bei der negativen Selektion von Lymphozyten (Smith et al., 1996; Doerfler et al., 2000), beim Abbau der embryonalen interdigitalen Häute (Chautan et al., 1999), bei der Tumornekrosefaktor (TNF)-vermittelten Leberschädigung (Künstle et al., 1999) und beim Zelltod von Chondrozyten (Roach et al., 2000) beobachtet. Auch im Nervensystem wurde neuronaler Caspase-unabhängiger Zelltod beschrieben (Cregan et al., 2002; Lang-Rollin et al., 2003). Die unterschiedlichen Ausprägungen des Caspase-unabhängigen Zelltods sind aufgrund ihrer Zelltodmorphologien nicht mehr der klassischen Apoptose zuzuordnen. Aufgrund morphologischer Veränderungen lassen sich drei Typen des programmierten Zelltods unterscheiden (Leist et al., 2001):

1. Bei der klassischen Apoptose kondensiert das Chromatin zu kompakten und geometrischen Formen (kugelförmig, sichelförmig). Andere typische Merkmale sind die Phosphatidylserin-Externalisierung („eat me“-Signal für Makrophagen), Schrumpfung des Zytoplasmas und die aktive als „Zeiose“ oder „blebbing“ bezeichnete Abschnürung von Membranvesikeln. Diese typischen Merkmale werden fast ausschließlich beobachtet wenn Caspasen, insbesondere die Caspase-3, aktiviert werden.
2. Der Begriff „apoptoseartiger programmierter Zelltod“ wird benutzt, um Formen des caspaseunabhängigen Zelltods mit einer Chromatin-Kondensation zu beschreiben, die in ihrem Grad geringer ausgeprägt ist und weniger komplexe geometrische Formen hervorbringt als die klassische Apoptose. Die Zelle zeigt apoptotische Merkmale wie z. B. die Externalisierung von Phosphatidylserin oder eine Schrumpfung des Zytoplasmas.
3. Der nekroseartige programmierte Zelltod beschreibt Formen, bei denen keine oder im besten Falle eine „fleckige“ Chromatin-Kondensation ohne geometrische Strukturen zu beobachten ist. Andere Merkmale des apoptoseartigen Zelltods wie z. B. eine Externalisierung von Phagozytose-Markern können in variablen Ausmaßen auftreten. Einige Formen des nekroseartigen programmierten Zelltods werden auch als „abgebrochene Apoptose“ bezeichnet. Dabei wird die klassische Apoptose initiiert aber auf Ebene der Caspase-Aktivierung blockiert. Anschließend werden caspaseunabhängige Signalwege beschritten, um die Zelle zu töten.

Literatur

• Überblick über programmierten Zelltod und Apoptose (PDF)
• M. Lamkanfi, M. Kalai, P. Vandenabeele: Caspase-12: an overview (engl.)