11 MZB II - Sartori

angeborene Fehlbildung der Körperglieder
Charakterisiert durch Verwachsung bzw Nicht-Trennung von Finger-oder Zehengliedern

Neurotrophe Faktoren kontrollieren Apoptose
• Überleben von Neuronen (bzw. deren Elimination durch Apoptose) ist vor allem abhängig von der Verfügbarkeit von Nervenwachstumsfaktoren (sog. neurotrophe Faktoren)
• Neurone die nicht genügend trophische Faktoren erhalten, werden durch Apoptose entfernt.
• Nervenwachstumsfaktoren werden sezerniert (ausgeschüttet) von:
  - Zielzellen (parakrin)
  - Neuronen (autokrin)

Neurotrophe Stoffe (Neurotrophine) sind "Überlebensfaktoren" der Nervenzelle bzw. des Axons.

4 Neurotrophine (kleine basische Proteine):
– NGF (nerve growth factor)
– BDNF (brain-derived neurotrophic factor)
– NT-3 (neurotrophine-3)
– NT-4 (neurotrophine-4)

4 Neurotrophin-Rezeptoren:
– p75NTR (gehört zur Famile der Tumornekrosefaktor (TNF)-Rezeptoren; ist in der Lage alle Neurotrophine zu binden, allerdings mit vergleichweise geringer Affinität; Bindung löst Zelltod aus)
– TrkA, TrkB, TrkC (gehören zur Familie der Tyrosinkinase-Rezeptoren; hohe Affinitäten; anti-apoptotische Wirkung)

Apoptose und Krebsentstehung:
Most cancer cells have, during their development, acquired the ability to evade (at least partially) apoptosis (e.g. due to mutation in the p53 tumorsuppressor gene)
-> p53 ist etwa bei 50% aller Krebszellen mutiert
-> p53 ist wichtig für die Apoptose

Apoptose und Krebsbehandlung:
Many cancer treatments (radiotherapy, various chemotherapeutic agents) preferentially activate apoptosis in cancer cells.
These treatments also induce apoptosis in normal cells, but usually to a lesser extent (-> therapeutic index).
-> p53-defiziente Zellen sind resistenter gegenüber Bestrahlung

• Inaktivierung des programmierten Zelltods (zuwenig Zellen sterben):
– Krebs (zB p53 Mutationen)
– Autoimmunkrankheiten (Multiple Sklerose)
  • potentiell autoreaktive B oder T Lymphozyten (die körpereigenes Gewebe angreifen würden) müssen beseitigt werden
• Aktivierung des programmierten Zelltods (zuviele Zellen sterben): – Herzinfarkt und Hirnschlag
  • Ischämie (=Blutunterversogung) löst Sauerstoffmangel aus, führt zum Absterben der Zellen
– AIDS
  • Zerstörung der T-Zellen des Immunsystems
– Neurodegenerative Krankheiten (Parkinson, Alzheimer)

Apoptose (Programmierter Zelltod, aktive Selbstzerstörung):
• Zelle stribt kontrolliert
• Zellinhalt gelangt nicht in die Umgebung und wird rezykliert
• Nachbarzellen werden nicht beschädigt

Nekrose (unprogrammierter Zelltod, passiver Zelltod):
• Zelle platzt
• Zellinhalt gelangt in die Umgebung
• Nachbarzellen werden beschädigt (Entzündung)

Was unterscheidet die zwei Formen des Zelltods voneinander?
• Morphologie
  -> ‘they look different’
• Molekularbiologie/Biochemie
  -> vermittelt durch verschiedene Moleküle und Signalwege (‘Pathways’)

• Endonukleasen (DNasen) schneiden DNA in Fragmente
• Schnitte erfolgen zwischen den Nukleosomen
• in einem Gel kann man Banden von charakteristischer
Länge erkennen (sog. ‘DNA laddering’)

vergleiche auch mit Nekrose (Bild)

Die TUNEL-Methode (TdT-mediated dUTP-biotin nick end labeling) dient der Darstellung von Zellkernen apoptotischer Zellen. „TdT“ steht für „terminal desoxynucleotidyl transferase“, ein Enzym, das in einem Zwischenschritt der Technik verwendet wird.

• Markieren der geschnittenen DNA-Enden mit der TUNEL Technik Tdt-mediated dUTP Nick-End Labeling
• Terminale desoxyribonukleotidyl-Transferase (TdT) knüpft markiertes dUTP (zB dUTPbiotin) an die 3-OH Enden der DNA

Exposition des Phospholipids Phosphatidylserin an der Zelloberfläche

Phosphatidylserin wird von Rezeptoren der Makrophagen erkannt, welche die Zellfragmentephagozytieren und dabei Cytokine sezernieren.

-> Exposition von Phosphatidylserine (PS) auf der Zelloberfläche (‘eat me’ Signal)

Abbau der Mitochondrien mit Freisetzung von Cytochrom c

Ausschüttung von Cytochrom C aus dem Intermembranraum der Mitochondrien ins Zytoplasma

(geschieht nach der Exposition von Phosphatidylserine (PS) auf der Zelloberfläche)

Proteolytische Prozessierung/ Spaltung von über 100 Proteinen durch Caspasen

(geschieht nach der Ausschüttung von Cytochrom C aus dem Intermembranraum der Mitochondrien ins Zytoplasma)

• Proteasen mit Cystein-Rest im aktivem Zentrum
• spalten Zielproteine C-terminal von Asparaginsäure-Resten (Asp, D)
->  Proteasen mit einem Cysteinrest im aktiven Zentrum. Sie spalten Proteine hinter Aspartatresten. Die Bezeichnung entstammt diesem Wirkmechanismus und setzt sich aus Cystein, Aspartat und dem Suffix -ase für das Enzym zusammen.

Caspasen werden synthetisiert als Procaspasen (‘inaktive Zymogene’) und u.a. aktiviert durch andere Caspasen (sowie Cytochrom C)
  -> amplifizierende proteolytische Kettenreaktion

~12 Caspasen im menschlichen Genom kodiert (3 Gruppen)

- Initiator-Caspasen = “Upstream-Caspasen” (zB Caspase-8 und Casp-9)
-  Effektor-Caspasen = “Downstream-Caspasen” (zB Caspase-3)
- Entzündung-Caspasen (zB Caspase-1)

a) Schneiden der (downstream) EffektorCaspasen (zB Casp-3), die als inaktive Zymogene (Pro-Caspasen) vorliegen, durch (upstream) Initiator-Caspasen

b) ‘Induced Proximity’: Aktivierung der Initiator-Caspasen (zB Casp-8) durch Konformationsänderung (Dimerisierung) durch interagierende Proteine (über DED und CARD Motife) und anschliessender autokatalytischer Spaltung

c) Bildung komplexer Caspase-Holoenzyme (Apoptosom; zB Casp-9) durch “Apoptose Protease aktivierende
Faktoren” (Apaf):
• Cytochrom C
• ATP-abhängige Oligomerisierung von Apaf-1

-> der Todes-Rezeptor Pathway

Apoptotischer Stimulus: Zellschädigungen oder Stress (zB DNA Schäden)
-> Cytochrom C und andere pro-apoptotische Faktoren werden aus den Mitochondrien ins Zytoplasma freigesetzt

• Bindung von CytC an Apaf-1 (apoptotischer Protease-Aktivierungsfaktor-1) bewirkt eine Konformationsänderung von Apaf-1 damit die CARD von Apaf-1 an die CARD von Procaspase-9 binden kann.
• Bildung dieses Heterodimers induziert autokatalytische Spaltung von inaktiver Procaspase-9 in die aktive Form der Caspase-9.

eim intrinsischen Signalweg der Apoptose kommt es zur Freisetzung von Cytochrom c aus denMitochondrien, welches daraufhin zusammen mit dATP an Apaf-1 bindet und dieses aktiviert. Es kommt zu einer Oligomerisierung von Apaf-1 zu einem radförmigen Heptamer, dem sogenanntenApoptosom. Durch diese Konformationsänderung wird die Caspase-Rekrutierungs-Domäne (CARD, caspase recruitment domain) frei, mit welcher Apaf-1 an die CARD-Domäne der Initiator-Procaspase 9 binden kann. Diese wird dadurch gespalten und somit aktiviert.

Die DNA-Leiter wird durch eine Caspaseaktivierte DNase (CAD) gebildet

‘Bcl-2’ Proteine regulieren den intrinsischen Weg

3 Gruppen von Bcl-2 Proteinen:
• regulieren die Freisetzung von Cytochrom C aus den Mitochondrien

-> relative Menge von pro- vs. anti-apoptotischen Bcl-2 Proteinen bestimmt ob eine Zelle stirbt oder nicht