Programmierter Zelltod - Apoptosis

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1 Programmierter Zelltod - Apoptosis Multizellulärer Organismus -> Kontrolle der Zellteilung und des Zelltodes -> ungebrauchte Zellen sterben Entwickelndes Nervensystem: mehr als die Hälfte der Zellen stirbt Erwachsener Mensch: billionen von Zellen sterben im Knochenmark und im Darm jede Stunde Wozu ist dieser massive Zelltod gut? 1

2 Programmierter Zelltod eliminiert ungewollte Zellen 1) im entwickelnden Organismus Ausbildung der Finger in der entwickelnden Mauspfote durch Apoptose Die Pfote wurde mit Farbstoff behandlet der spezifisch Zellen in Apoptose grün färbt. Die apoptotischen Zellen erscheinen als leuchtend grüne Punkte zwischen den Fingern. Dieser Zelltod eliminiert das Gewebe zwischen den sich entwickelnden Fingern. in der Qaulquappe des Frosches stirbt der Schwanz während der Entwicklung ab 2

3 entwickelndes Nervensystem: Regulation der Zellzahl -> Anzahl Nervenzellen = Anzahl Zielzellen Kompetition der Zellen (Neuronen) für Ueberlebendsfaktoren welche von Zielzellen sezerniert werden. 2) im erwachsenen Organismus Zelltod um Zellteilung auszugleichen damit die Zellzahl konstant bleibt. -> sonst würden Gewebe und Organe wachsen oder schrumpfen. Leber -> entfernen eines Teils -> wächst nach (Proliferation wird angeregt) -> Behandlung von Ratten mit Pentobarbital -> induziert Zellwachstum in der Leber -> Leber vergrössert sich -> absetzen von Pentobarbital -> Leber apoptosis -> Ausgangsgrösse Regulation der Todes und Geburtsrate von Zellen wichtig für mehrzellige Organismen 3

4 Zelltod - Nekrose oder Apoptose in Kulturschale Nekrose: Zelle platzt und schüttet den Inhalt in die Umgebung -> Inflammation dies geschieht z.b. bei Verletzungen im Gewebe Apoptose: Zelle stirbt kontrolliert. Inhalt gelangt nicht in die Umgebung -> Nachbarzellen werden nicht beschädigt. Zytoskelet kollabiert, Nuklearmembran löst sich auf, DNA fragmentiert -> Zelloberfläche verändert sich -> Signal für Phagocytose durch benachbarte Zellen -> Zellinhlat wird recycliert. 4

5 Apoptotische Zellen kann man biochemisch erkennen Endonucleasen schneiden DNA in Fragmente dabei erfolgt der Schnitt zwischen Nukleosomen, deshalb werden in einem Gel Banden beobachtet von charakteristischer Länge. Markieren der geschnittenen DNA enden mit der TUNEL technik (TdT-mediated dutp nick end labeling). Terminale nukleotid transferase (TdT) knüpft dutp zum 3'-OH an Enden der DNA. Are there don't eat me signals? Cytochrome c eat me signal for macrophages but inflammation is prevented Phosphatidylserine 5

6 loss of cell membrane integrity (stains DNA) activation of immunological response Phosphatidyl serine Maschinerie der Apoptose Proteolytische Kaskade durch Caspasen Caspasen = Proteasen mit Cys in aktivem Zentrum -> spaltet Zielproteine an Asparaginsäure Resten => Name Caspasen Caspasen werden synthetisiert als Procaspasen aktiviert durch andere Caspasen => amplifizierende proteolytische Kettenreaktion Zielproteine: nukleäre Lamine DNAsen => effizienter Selbstzerstörungsmechanismus -> vergleichbar einem Zustand im Zellzyklus -> alles oder nichts Entscheid -> irreversibel 6

7 Die Caspase - Kaskade in Apoptosis Jede Zelle hat Quelle für Selbstzerstörung in sich in Form der Procaspase Wie werden sie aktiviert? -> Adaptorproteine die initiator Procaspasen in einen Komplex aggregieren. 2 Möglichkeiten der Aktivierung: 1) jede Procaspase kleine Aktivität -> in Komplex -> reicht um sich gegenseitig zu aktivieren -> Lawine 2) Aggregation -> Konformationsänderung -> Aktivierung der Procaspasen -> Amplifikation des Death Signals Die Aktivierung von Procaspasen kann von aussen induziert werden Death Rezeptoren: z.b. Fas Killer Lymphocyten -> Fas - Ligand -> binden an Zellen mit Fas Death inducing signaling complex 7

8 Aktivieren der Apoptose von innen = intrinsischer Pathway bei Zellschädigungen oder Stress (z.b. Radikale) ->Iinitiation des Selbstzerstörungsprogramms -> wichitges Organell in diesem Zusammenhang sind die Mitochondrien. DNA Beschädigung kann auch Apoptose induzieren -> p53 aktiviert Transkription von Genen deren Produkte das Entrinnen von Cytochrom C aus dem Mitochondrium begünstigen. => Bcl-2 family members 8

9 Bcl-2 Proteine regulieren den intrinsischen Weg der Apoptose Intrazelluläre Regulatoren der Apoptose sind die Proteine der Bcl-2 Familie Sie regulieren die Ausschüttung von Cytochrom c aus den Mitochondrien Pro-apoptotische Familienmitglieder erhöhen die Auschüttung Anti-apoptotische Familienmitglieder erniedrigen die Auschüttung Pro- und Anti-apoptotische Faktoren können aneinander binden und die pro- bzw. antiapoptotische Funktion inhibieren. -> Balance zwischen Pro- und Anti-apoptotischen Faktoren bestimmt ob eine Zelle lebt oder stirbt. 3 Unterfamilien: auf äuserer Mitochondrien Membran Mitochondrienmembran Cytosol Bim: activated when no survival signals (activation of JNK pathway) Puma, Noxa: DNA damage -> p53 oligomerisieren zu aktivem Komplex in Mitochondrien od. ER verbinden apoptotische Stimuli mit intrinsischem Weg, da jeweils durch spezielle stimuli aktiviert 9

10 The role of BH123 pro-apoptotic Bcl2 proteins (Bax and Bak) in the release of mitochondrial intermembrane proteins in the intrinsic pathway of apoptosis Wie pro-apoptotische BH-3 only und anti-apoptotische Bcl2 proteine the intrinsischen Weg regulieren 10

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12 Extrinsischer Weg Bid Verstärkung der Caspase Cascade Intrinsischer Weg IAPs inhibieren Caspasen Inhibitor of apoptosis = IAP binden und inhibieren aktivierte Caspasen können Caspasen ubiquitinieren -> Degradation im Proteasom -> IAPs setzen eine inhibitorische Schwelle. 12

13 Wie survival Faktoren Apoptose unterdrücken 'soziale' Kontrolle: Kaulquappe -> Thyroid hormon -> Schwanzzellen Apoptose Hand bei Säugern -> BMP (bone morphogenic protein) -> Finger Aber auch Survival Faktoren -> kontinuierliche Signale von anderen Zellen nötig damit Zellen überleben (z.b Nervenzellen, wettbewerb um limitierte Mengen an survival Faktor). Survival Faktoren binden an Zelloberflächenrezeptoren -> Signlatransduktionswege welche Bcl2 Proteine regulieren. Kein Survival Faktor -> Selbstmord der Zellen durch Aktivierung von BH-3 only Proteinen 13

14 Extrazelluläre Ueberlebensfaktoren inhibieren die Apoptose auf verschiedene Arten NFkB Mitogene -> Zellteilung Wachstumsfaktoren -> Zellwachstum Survival Factors -> suprimieren Apoptose 14

15 Zuviel oder zuwenig Apoptose löst Krankheiten aus Zuviel Apoptose: Herz Attacken und Hirnschlag -> Ischemia (Blut Unterversorgung, Sauerstoffmangel) Nekrose und Apoptose. -> Caspase Inhibitoren könnten zumindest Apoptotische Zellen retten. Zuwenig Apoptose: Mutationen in Fas Rezeptor oder Fas Ligand -> kein normaler Zelltod von Lymphocyten -> Akkumulieren in Milz und Lymphknoten -> führt zu Autoimmunerkrankungen. B Zell Lymphoma (gab Bcl2 den Namen) -> Lymphocyten Krebs -> zuviel Bcl2 wird produziert -> Apoptosis inhibiert -> Zellen bleiben erhalten -> akkumulieren mehr Mutationen -> entwischen der Zellzykluskontrolle. Mutation in p53 -> keine Apoptose mehr als Antwort auf DNA Beschädigung -> Zellen Proliferieren und akkumulieren mehr Schäden -> Krebs Krebsmedikamente induzieren Apoptose, wenn aber kein p53 -> Zellen nicht mehr sensitiv auf diese Medikamente. 15

16 after 10h 17h 16