Apoptose

Natürliche Apoptose kommt bei folgenden Prozessen natürlich vor. 

wenn der Organismus Zellen zur Weiterentwicklung nicht mehr benötigt      

weit verbreitet bei der Embryogenese, der Metamorphose, der Atrophie und bei der Entwicklung der Lymphocyten

Entfernen von kranken, von Viren infizierten, transformierten oder verletzten Zellen, bevor der Zellinhalt in den Gewebeverband ausläuft.

Wo kommen Apoptotische Zellen vor?

• Augenlinse
• Haut
• Uterus (Gebärmutterschleimhaut)
• Dünndarm
• Thymus
• Genetisch defekte oder Virus-infizierte Zellen

Apoptose Stadien

1. Die apoptotische Zelle schrumpft und löst sich von den Nachbarzellen ab.
2. Das transmembrane Potential der Mitochondrien sinkt. Gleichzeitig wird die Mitochondrienmembran für Cytochrom c durchlässig. 
3. Die Plasmamembran wird lose und die Zellen erhalten durch Einbuchtungen in vitro ein rosettenförmiges Aussehen.
4. Die intrazelluläre DNA zerfällt in charakteristische Fragmente bestimmter Länge ("DNA ladder").
5. Phosphatidylserin (PS), das in gesunden Zellen auf der Zytosolseite der Plasmamembran lokalisiert ist, wird auf die äussere Bilayerschicht transloziert 
6. Zerfall des Zellkerns
7. Die Zelle zerfällt in apoptotische Körperchen ("apoptotic bodies"), die in vivo durch Phagozytose von den Nachbarzellen oder Makrophagen eliminiert werden.

Caspase = Cystein requiring aspartate protease 

Eigenschaften

• sind Proteasen
• über 12 verschiedene bekannt
• Es gibt die Initiator- und die Effektorcaspasen, d.h. solche, die die Apoptose einleiten und solche, die sie ausführen
• Caspasen liegen als schwach proteolytische Proenzyme vor 
• Caspasen erkennen mehr als 40 verschiedene Zielproteine der Zelle

Funktionen

• Effektorcaspasen induzieren die Aktivierung der nächsten Caspase (Caspasen-Kaskade), bis die letzte Caspase ans „Todessubstrat“ bindet 
• durch Spaltung werden die Proenzyme aktiviert
• Zerstören
  • DNase-Inhibitoren
  • Nukleäre Laminine (Fragmentierung des Nucleus)
  • Cytoskelettproteine. (Zerstörung des Cytoskeletts, Zellfragmentation)

Interne = intrinsische Apoptosesignale: Signale innerhalb der Zelle lösen den Zelltod aus. 

1. im frühen Apoptosestadium Stimulation der Mitochondrien
2. verschiedene Stimuli: Oxidantien, Bax, Ca2+-Überschuss, aktivierte Caspasen
3. Es folgen Umlagerungen in der äussern Mitochondrienmembran durch Proteine der Bcl2-Familie
   • Es gibt verschiedene Vertreter der Bcl-2-Familie:
   • antiapoptotische wie Bcl-2: hemmen Apoptose
   • proapoptotische wie Bax oder Bad: fördern Apoptose
   • Die pro- bzw. antiapoptotische Wirkung hängt von der Konzentration des jeweiligen Bcl-2-Vertreters ab
4.  Bei Zunahme der pro-apoptotischen Proteine wie Bax im Falle eines Schadens innerhalb der Zelle überhand, binden sie als Dimere an die Mitochondrienmembranoberfläche und vermindern dadurch das mitochondriale Membranpotential. 
5. Mitochondrienmembran wird durchlässig
6. Cytochrom c gelangt ins Cytosol 
7. Cytochrom c und ATP bilden mit Apaf-1 einen Komplex
8. Hinzu kommt die inaktive Form von Caspase-9
9. Dieser Komplex von Cytochrom c, Apaf-1 und Caspase-9 wird Apoptosom genannt
10. Durch Einwirkung von ATP auf den Komplex wird die Caspase gespalten und dadurch aktiviert 
11. andere „Downstream-Caspasen“ werden aktiviert: Caspasenkaskade 
12. Zielprotein wird Zerstört

Externe = extrinsische Apoptosesignale Ausserhalb der Zelle binden Todesfaktoren an die Rezeptoren der Zelloberfläche. Todesfaktoren sind:

1. Der Ligand (z. B. TNF a oder β, FasL) bindet an den Rezeptor (TNFR, Fas) 
2. Ligand-Rezeptor trimerisieren
3. Bildung von DISCs (Death inducing signalling complex) mit trimerisiertem Komplex und Adaptermolekülen (FADD = Fas-associated death domain, TRADD = TNF receptor-associated death domain) 
4. Anlagerung mehrerer Procaspase 8-Molekülen
5. Caspase 8-Aktivierung durch Autophosphorylierung
6. Einleitung der Caspasenkaskade 
7. Zielprotein wird Zerstört

Bcl-2  hemmen die Apoptose weil sie das Todessignal blockiert. Die Bcl-2-Moleküle wirken erst, wenn sie als Dimere vorliegen. 

Bei Verminderung der anti-apoptotischen Proteine wie Bcl-2 liegt mehr BAX vor was die Apoptose und die weitergabe von Todessignale fördert. 

1. Cytochrom C bindet an Apaf-1 
2. Konformitätsänderung
3. Die CARD (Caspase recruitment domain) ist dATP abhängig und macht eine Oligomerization durch CARD-CARD-Interaktion
4. Apoptose Coplex wird gebildet

Fas-abhängiger Apoptoseweg

1. FasL + Fas-DD trimerisiert + FADD (Fas-associated DD) + Procaspase 8
2. Caspase 8 
3. Effectorcaspasen
4. Spalten der Todessubstrate 
5. Zelltod

TNF-abhängigen Apoptoseweg 

1. TNF an TNFR-1-DD trimerisiert
2. + TRADD (TNFR-1-associated protein)
3. + FADD 
4. weiter wie bei Fas-Weg 

1. TNF an TNFR-1-DD trimerisiert + TRADD 
2. + RIP 
3. Zelltod oder Survival factors

Das p53-Protein spielt eine zentrale Rolle bei der Expression von Genen, die an der Regulierung der Apoptose und der DNA-Reparatur beteiligt sind.

Stimuliert die Bildung von Bax, NOXA, Puma, Fas, Apaf-1 welche wiederum die Apoptose begünstigen. 

(Bonus) Was ist der Unterschied zwischen Nekrose und Apoptose 2