II Übersicht der Morphologie und Molekularen Ereignisse der Apoptose
Apoptotischen Zelltod können unterteilt werden in vier aufeinander folgenden Phasen: initiation, decision, zu sterben, Ausführung und engulfment. Eine Reihe von zellulären Belastungen kann Apoptose durch die Aktivierung intrazellulärer Signalwege oder die Freisetzung von zweiten Botenstoffen auslösen. Einige Beispiele für Auslöser des Zelltods sind ionisierende Strahlung, Chemotherapeutika, Hyperthermie und Wachstumsfaktorentzug., Moleküle, die von anderen Zellen präsentiert werden, wie Fas-Ligand (FasL) und Tumornekrosefaktor (TNF), können auch Apoptose in Zellen induzieren, die die entsprechenden Rezeptoren tragen. Eine Zelle kann eine Vielzahl von Signalen gleichzeitig empfangen, einschließlich sowohl Proliferations-als auch Zelltodsignale. Als Reaktion auf diese Signale muss eine Zelle ihre Situation beurteilen und entscheiden, ob sie durch Apoptose Selbstmord begeht. Wichtige regulatorische Moleküle in diesem Stadium sind Mitglieder der Bcl-2-Proteinfamilie (White, 1996; Yang und Korsmeyer, 1996), obwohl der Mechanismus ihrer Wirkung nicht vollständig verstanden ist., Sobald eine Zelle die Entscheidung getroffen hat, zu sterben, werden Moleküle aktiviert, die als Henker fungieren. In allen Arten von Apoptose untersucht, in einer Vielzahl von mehrzelligen Organismen, umfassen die Henker zytosolische Proteasen, von denen die meisten zu einer Familie gehören, die caspases genannt (Nicholson und Thornberry, 1997; Alnemri, 1997). Diese Proteasen greifen spezifische zelluläre Proteine an, was zur irreversiblen Zerstörung kritischer zellulärer Prozesse und Strukturen führt., Im Endstadium der Apoptose werden die Reste der sterbenden Zelle entweder von einer benachbarten Zelle oder von einer aasfressenden Makrophage erkannt, verschlungen und abgebaut.
Die morphologischen Veränderungen im Zusammenhang mit Apoptose sind deutlich und gut charakterisiert (Wyllie, 1987; Darzynkiewicz et al., 1997). Zellen, die sich einer Apoptose unterziehen, schrumpfen schnell und kondensieren schnell und ziehen sich von benachbarten Zellen weg. Infolge des Verlustes des zytoplasmatischen Volumens bildet die Plasmamembran Blebs und Vorsprünge, die der Zelle ein blasiertes Aussehen verleihen., Ein schneller Anstieg der intrazellulären Calciumionenkonzentration wird ebenfalls häufig beobachtet (Schwartzman und Cidlowski, 1993). Die Kernmembran rundet sich auf und das Chromatin kondensiert und aggregiert zu dichten, sichelförmigen Formen in der Nähe der Kernmembran. Chromatinkondensation ist mit einer doppelsträngigen Spaltung der DNA durch eine oder mehrere nukleare Endonukleasen verbunden (Wyllie et al., Montague und Cidlowski, 1996) und Abbau der Kernlamina durch Proteasen (Lazebnik et al., 1995).
Der DNA-Abbau während der Apoptose erfolgt in einem präzisen, reproduzierbaren Muster (Wyllie et al.,, 1992; Montague und Cidlowski, 1996). Zunächst wird chromosomale DNA in große Segmente von etwa 50-300 Kilobasen gespalten (Oberhammer et al., 1993). In den meisten, aber nicht allen Fällen von Apoptose werden diese Domänen dann durch Spaltung zwischen Nukleosomen weiter in kleinere Fragmente verdaut. Die Trennung von DNA von apoptotischen Kernen durch Agarosegelelektrophorese ergibt ein charakteristisches Muster dieser mono-oder oligonukleosomalen Fragmente in Vielfachen von 185-200 Basenpaaren (bp), beschrieben als DNA-Leiter (Tilly und Hsueh, 1993)., Die für diese DNA-Fragmentierung verantwortlichen Endonukleasen wurden nicht überzeugend identifiziert, obwohl mehrere Kandidaten vorgeschlagen wurden (Montague und Cidlowski, 1996). Einige Studien haben eine Rolle für DNase I oder II vorgeschlagen, aber diese Enzyme befinden sich normalerweise nicht im Kern. Vielleicht ist ein besserer Kandidat eine 18 kD Ca2 + / Mg2 + – abhängige Endonuklease namens NUC18, die aus apoptotischen Kernextrakten isoliert wurde und als hoch homolog zu Cyclophilin A.NUC18 kann für die Spaltung von DNA in 50 kD-Fragmente verantwortlich sein., Zusätzlich wurde eine neuartige 95 kD Ca2 +/Mg2 +–abhängige Endonuklease identifiziert, die während der Apoptose aktiv ist (Pandey et al., 1997). Ein Protein namens DNA Fragmentation Factor(DFF), das die apoptotische Endonuklease (en) zu aktivieren scheint, wurde ebenfalls aus HeLa-Zellen isoliert (Liu et al., 1997).
Veränderungen in den Mitochondrien apoptotischer Zellen gehen Zellkondensation und nuklearem Zerfall voraus und können ein wesentliches frühes Ereignis bei Apoptose sein (Petit et al., 1996; Kroemer, 1997). Die Mitochondrien zeigen eine Depolarisation im Membranpotential (ΔψM) (Marchetti et al.,, 1996; Zamzami et al., 1995b; Zamzami et al., 1996), was auf die Öffnung der mitochondrialen Permeabilitätsübergangsporen (MPT) zurückzuführen zu sein scheint (Zoratti und Szabo, 1995). Proteine, die aus apoptotischen Mitochondrien in das Zytoplasma entweder kurz vor oder kurz nach der MPT freigesetzt werden, können Chromatinkondensation und DNA-Fragmentierung induzieren (Liu et al., 1996; Susin et al., 1996; Zamzami et al., 1996).
Die sterbende Zelle zerfällt in mehrere runde membranumschließende Stücke, die als apoptotische Körper bezeichnet werden und von phagozytischen Zellen phagozytiert und abgebaut werden (Savill et al., 1993; Hart et al.,, 1996). Epithelzellen, Endothelzellen und Fibroblasten neben Apoptosestellen können apoptotische Körper verschlingen. Mehrere Studien zeigen auch, dass „professionelle“ Makrophagen an Stellen des Zelltods rekrutiert werden und für einen Großteil der Phagozytose apoptotischer Körper verantwortlich sind (Hopkinson-Woolley et al., 1994; Camp und Martin, 1996). Dieses Verschlingen verhindert eine Entzündungsreaktion durch Austreten von Zelltrümmern in Interzellularräume., Apoptotische Zellen zeigen eine Reihe von Signalen an, um Phagozyten anzulocken, einschließlich Veränderungen in Zelloberflächenmolekülen wie Zucker, Lipiden und Proteinen. Obwohl die phagozytische Erkennung von apoptotischen Zellen ein kritischer Prozess und ein aktives Forschungsfeld ist, sind Details dieses letzten Ereignisses in der Apoptose außerhalb des Rahmens dieser Überprüfung.
Die zellulären Ereignisse der Apoptose stehen im Gegensatz zu denen der Nekrose, obwohl beide schließlich zum Tod der Zelle führen (Darzynkiewicz et al., 1997)., Nekrose oder versehentlicher Zelltod ist durch einen schnellen, fast sofortigen Tod einer Zelle aufgrund einer katastrophalen Verletzung gekennzeichnet. Nekrotische Zellen schwellen zu einem großen Volumen an und zeigen einen dramatischen Anstieg des mitochondrialen Volumens. Die Plasmamembran ist gestört und es werden zelluläre Inhalte freigesetzt, die typischerweise eine Entzündungsreaktion hervorrufen, die benachbarte Zellen schädigt. Der Abbau von DNA tritt manchmal während der Nekrose auf; Die Spaltstellen sind jedoch zufällig, was zu einer vollständigen Palette von Fragmentgrößen führt., Fälle von Zelltod können oft klar als nekrotisch oder apoptotisch unterschieden werden, aber in einigen Fällen zeigt eine sterbende Zelle Eigenschaften beider Prozesse.
Der Begriff programmierter Zelltod (PCD) wird häufig verwendet, um den Untergang von Zellen während der normalen Entwicklung eines Organismus zu beschreiben. In den meisten, aber nicht allen Fällen verläuft die PCD nach demselben stereotypen Prozess wie die Apoptose; Daher werden die Begriffe Apoptose und PCD oft synonym verwendet. Eine alternative Praxis besteht darin, den Begriff Apoptose als beschreibend für einen der Mechanismen von PCD zu definieren., In diesem Kapitel verwenden wir den Begriff Apoptose, um den Zelltod zu beschreiben, der durch abnormale extrazelluläre Belastungen induziert wird, und den Begriff PCD, um den apoptotischen Zelltod anzuzeigen, der entwicklungsbedingt prädestiniert ist und normalerweise auftritt.