Zellteilung und Zelltod!

29.10.2013!
Zell und Gewebereaktionen II!
Teil I:!
•  Stammzellen und Differenzierung!
•  Regeneration und Zellersatz !
•  morphologische Anpassungsreaktionen!
Teil II!
•  Zellteilung und Zellproliferation!
•  Zelltod !
Zellteilung und Zelltod!
Rudolph Virchow 1858: !
„Wo sich eine Zelle entwickelt, muss es eine Vorläuferzelle gegeben haben,!
so wie Tiere von Tieren abstammen und Pflanzen von Pflanzen.“!
Zellproliferation spielt eine Rolle bei: !
•  Entwicklung und Wachstum des Organismus!
•  Zellerersatz: z. B. 1011 neue Blutzellen/Tag!!
•  Regeneration und Wundheilung!
•  Kanzerogenese!
1!
29.10.2013!
Zellteilung: Überblick!
Prinzipielle Aufgabe:!
•  Verdoppelung der chromosomalen DNA ( Replikation)!
•  Verteilung von DNA und Zellkomponenten auf zwei!
genetisch identische Tochterzellen!
Nachweis von teilungsaktiven Zellen!
z. B. Einbau von 3H-Thymidin während DNA-Replikation!
 Autoradiographie!
Schwarze Punkte: Silberkörner der photografischen Emulsion!
Alberts Abb 17-11!
2!
29.10.2013!
Nachweis von teilungsaktiven Zellen!
z. B. Einbau von BrdU (Thymidin-Analogon) während DNA-Replikation!
 Antikörperfärbung gegen BrdU!
BrdU+-Zellen!
blau: DAPI!
Farbstoff der alle Zellkerne!
anfärbt!
 Prozentualer Anteil der mitotischen Zellen !
Analyse der neuronalen Migration !
durch BrdU-Einbau!
BrdU i.p.!
Control!
Triple-KO!
Schwangere Maus!
late!
early!
Herms et al., EMBO J. 23, 4106 (2004)!
3!
29.10.2013!
Zellproliferation and Zelltod werden strikt reguliert!
Zell-!
Proliferation!
Zell-!
Proliferation!
Zelltod!
(Apoptose)!
Krebs!
Zelltod!
(Apoptose)!
Zellproliferation and Zelltod werden strikt reguliert!
Zell-!
Proliferation!
Zell-!
Proliferation!
Zelltod!
(Apoptose)!
Degenerative!
Erkrankungen!
Zelltod!
(Apoptose)!
4!
29.10.2013!
Phasen des Zellzyklus!
Gesamter Zellzyklus dauert bei teilungsaktiven eukayont. Zellen ca. 24 h:!
•  S-Phase: Synthese der DNA, ca 8 h!
•  M-Phase: Mitose, !
Verteilung (Segregation) der Chromosomen, Cytokinese, ca 1h!
•  G = „gap“, Lücke (G1 am längsten ca 11h, G2 ca. 4h)!
G2: Zeit zw. S-Phase!
und Mitose!
 Vorbereitung auf Mitose!
 Proteinsynthese, !
z. B. Spindelapparat.!
= S+G1+G2!
G1: Zeit zw. Mitose und S-Phase!
Alberts Abb. 17-3!
 Synthese von Proteinen für!
Replikation (z. B. Polymerase, Histone)!
Phasen des Zellzyklus: experimentelle Analyse!
Nachweis des DNA-Gehalts durch Durchflusszytometrie !
(=FACS fluorescence activated cell sorter, Durchflusszytometroe)!
(Exkurs: bei der Durchflusszytometrie werden fluoreszenz-markierte
Zellen je nach Färbung in unterschiedliche Reagenzgefäße sortiert)!
Zellen werden mit zellpermeablem Fluoreszenzfarbstoff inkubiert,!
der an DNA bindet (Propidiumjodid). !
Intensität der Floureszenz proportional DNA Gehalt!
Unterscheidung von 3 Gruppen an Zellen:!
•  einfacher Chromosomensatz (G1): ca 2/3 der Zellen!
•  doppelter Chromosomensatz (G2+M): ca 1/3 der Zellen!
•  intermediärer DNA Gehalt (S)!
Kinetische Ananlyse  Dauer der einzelnen Phasen!
5!
29.10.2013!
Phasen der Mitose!
Ziel: Sortierung der Chromatiden und Zellteilung!
mitotische Spindel!
aus Mikrotubuli!
bildet sich aus!
Methaphase"
Kariogramm: Anzahl und
Grobmorphologie der
Chromosomen "
DNA kompaktiert zu !
Schwesterchromatiden!
Zelle in der Metaphase!
Chromosomen!
Spindelapparat aus Mikrotubuli!
Centrosomen!
Intermediärfilamente!
6!
29.10.2013!
Kontrollpunkte des Zellzyklus !
Qualitätskontrolle zu verschiedenen Zeitpunkten:!
Restriktionspunkte des Zellzyklus !
(cell cycle check points, cell cycle restriction points)!
DNA Replikation beendet?!
DNA-Schaden nach Replikation?!
Aufbau der mitotischen Spindel ok?!
Chromatiden gleichmäßig auf Tochterz. verteilt?!
„Anhalten“ für!
DNA-Reparatur!
DNA-Schaden?!
Mitogene Signale ?!
Zellgröße ok?!
Reparatur nicht möglich:!
programmierter Zelltod!
Wie sieht das molekulare Kontrollsystem aus,!
das den Zellzyklus steuert?!
Welche Proteine sind daran beteiligt?!
7!
29.10.2013!
Komponenten der Zellzyklusmaschinerie!
Herzstück: Cyclin-abhängige Proteinkinasen CDKs!
!
!(cyclin dependent kinases) !
Aktivität der CDKs osziliert während der Zellzyklusphasen!
Phosphorylierung spezifischer Substrate/Enzyme!
(aktivierend, inaktivierend) triggert Zellzyklusfortschritt!
CDK bildet Komplex aus 2 Komponenten: !
CDK ohne Cyclin (Regulatorprotein)!
ist inaktiv!
Komplexbildung aktiviert!
Kinasefunktion!
8 Cycline (Cyclin A-H) und !
9 CDKs (Cdk1-9)!
Regulation der CDK Aktivität I !
(vereinfachte schematische Darstellung)"
M-phasen CDK phosphoryliert /aktiviert Proteine die für Mitose benötigt benötigt werden!
•  CDK-Level konstant!
•  Cycline: Konzentration fluktuiert!
cyclische Synthese (transkrip. Kontrolle)!
und Degradation (Proteasom)!
der Cycline während spez. Phasen!
des Zellzyklus !
Kinase-Aktivität!
osziliert!
S-Phasen CDK phosphoryliert Proteine die für DNA-Replikation benötigt werden.!
8!
29.10.2013!
Beispiele für Effektorfunktionen des CDK1/CyclinB!
Komplexes während der Mitose!
CDK1/CyclinB kontrolliert Eintritt in Mitose!
Effektorfunktionen:!
(Phosph. von Histon H1)!
Regulatorische!
Komponente!
Enzym-!
Komponente!
Selbstinaktivierung :!
Aktivierung des Ubiquitin-Proteassom-!
Systems  Degradation von Cyclin B!
Zellzyklusabhängige Aktivitäten der CDK-Komplexe!
Cycline D fluktuiert nicht so ausgeprägt wie andere Cycline!
9!
29.10.2013!
Cyclin-CDK Komplexe dirigieren den Zellzyklus!
z. B EGF/Ras-!
Signalkaskade:!
Transkription!
von CyclinD !
G1/S -Restriktionspunkt wird über!
CyclinD/CDK4,6-Aktivität kontrolliert!
Überaktivität oder konst. Aktivierung der EGF/Ras Kaskade stimuliert Zellzyklus übermäßig!
 Gefahr der malignen Entartung!
Cyclin-CDK Komplexe dirigieren den Zellzyklus!
G2/Mitose Restriktionspunkt!
wird über CyclinB/CDK1 kontrolliert!
Bei Fehlen von"
Wachstumsfaktoren"
Eintritt in G0-Ruhephase"
10!
29.10.2013!
Regulation der CDK Aktivität II !
Hauptmechanismus:!
cvclische Bildung !
(durch Wachstumsfaktoren induz. Transkription)!
und Degradation von Cyclinen!
Regulation der CDK Aktivität II !
Hauptmechanismus:!
cvclische Bildung !
(Wachstumsfaktor-induzierteTranskription)!
und Degradation von Cyclinen!
Feinabstimmung:!
1. Modulation der CDK-Aktivität!
durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung!
11!
29.10.2013!
Regulation der CDK Aktivität II !
Hauptmechanismus:!
cvclische Bildung !
(Wachstumsfaktor-induzierteTranskription)!
und Degradation von Cyclinen!
Feinabstimmung:!
1. Modulation der CDK-Aktivitat!
durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung!
2. Inhibition durch Komplexbildung mit CKIs!
(CDK Inhibitoren, z. B p27, p21)!
CKI: CDK Inhibitoren!
maskieren Kinasefunktion!
Inhibieren z. B. G1/S-Übergang:!
erst nach Entfernen des CKI Blocks !
erfolgt Zellzyklusfortschritt!
Zusammenfassung I!
Multiple Kontrollmechanismen "
•  cyclische Synthese/Abbau der Cycline!
•  Phosphorylierungsstatus der Cycline!
•  Komplexierung mit Inhibitoren!
regulieren die Aktivität der CDKs und gewährleisten damit "
einen strikt kontrollierten Ablauf des Zellzyklus."
12!
29.10.2013!
Dysregulation des Zellzyklus und Onkogenese!
Rb!
Retinoblastom-Protein:"
•  Auslösender Faktor eines seltenen "
Tumors der Netzhaut."
•  Erbliche und erworbene Formen."
•  Bei genetischen, erblichen Formen"
( mit Mutation in den Keimzellen)"
Manifestation in der Kindheit, "
bei erworbenen im Erwachsenen"
•  Transkriptionsfaktor"
•  Tumorsuppressor!
p53!
•  Involviert bei 50% aller "
menschlichen Tumore!"
•  „Hüter des Genoms“"
•  Erbliche und erworbene Formen"
•  Transkriptionsfaktor"
•  Tumorsuppressor "
Physiologische Funktion: Kontrolle des Zellzyklus!
Tumorsupressor: Inaktivierung beider Allele (=loss of heterozygosity LOH)!
(in den Keimzellen oder somatisch)  Hyperproliferation, Tumor"
Rb-Protein als Substrat der CDK4/6-Kinasen:!
Kontrolle der Transkription von S-Phase-Genen, z. B. DNA-Polα!
G1-Phase:!
Promotoren S-Phasen spez. Gene inaktiviert!
durch inhibitorischen Rb Komplex,!
Rb blockiert E2F!
Wachstumsfaktoren!
aktivieren !
Rb-Inhibition ist aufgehoben!
Transkription wird durch E2F!
aktiviert!
z. B DNA-Polymerase α!
Rb-Defizienz führt zu konstitutiver Transkription!
von S-Phasegenen, zu unkontrolliertem Eintritt in S-Phase!
 unkontrollierter Zell-Proliferation, Krebspathogenese!
13!
29.10.2013!
Rolle von p53 in der Zellzykluskontrolle I!
Zelltod!
Apoptose!
Zellzyklus-stop!
Reperatur!
Wie gelingt es p53 den Zellzyklus anzuhalten?!
programmierter Zelltod (Apoptose)!
(transkriptionelle Aktivierung von Bax, siehe später)!
Inhibition von CyclinD/CDK4 durch!
Komplexbildung mit CKI p21!
p21!
Cyclin!
CDK!
14!
29.10.2013!
Rolle von p53 in der Zellzykluskontrolle II!
Defizienz von p53 führt zu:!
•  unkontr. Eintritt in Zellzyklus !
•  fehlender Apoptose bei irreparablen DNA-!
Schäden!
•  Genetischer Instabilität und !
Akkumulation von Mutationen!
Rolle von p53 in der Zellzykluskontrolle II/Krebspathogenese!
Somatische Mutationen des p53 Gens:!
bei mehr als 50% aller menschlichen Tumoren:!
z. B. bei Leukämien, Lymphomen, Hirn-, !
Lungen-, Brust-, und Darmtumoren!!!
Erbliche Formen von p53 Mutationen (Keimbahnmutationen) !
Li-Fraumeni-Syndrom:!
•  Frühzeitiges Auftreten eines Tumors, (insb. Sarkome =Bindegewebstumoren) !
vor dem 45 LJ. Risko liegt bei 50% !!
•  Verwandte ersten und zweiten Grades erkranken ebenfalls vor 45 LJ.!
•  hohes Risiko zur Entwicklung multipler Tumoren,!
insbesondere Tumoren des Bindegewebes (z. B. Knochensarkome), !
Mammakarzinome (50% aller Fälle), Hirntumoren (Glioblastome), !
akute Leukämien und Tumoren der Nebennierenrinde!
15!
29.10.2013!
Mechanismen des Zelltods!
•  Nekrose:!
traumatischer Zelltod!
•  Apoptose:!
programmierter Zelltod!
Trauma: z. B. Hypoxie!
Nekrotischer Zelltod!
tight junctions!
traumatischer Zelltod nach Zellverletzung!
Mitochondrien!
Kern!
•  Zellen und Organellen schwellen an!
•  nicht lokal auf eine Zelle begrenzt,!
i. A. Zellgruppen betroffen!
•  Zellen und Organellen platzen, !
•  Zellmembran löst sich auf!
•  Zellinhalt wird frei gesetzt!
•  Freisetzung chemotaktisch wirksamer!
Zellkomponenten, !
•  Anlocken von Entzündungszellen!
(Granulozyten)!
Entzündungsreaktion!
Abb. 49-3 Pollard, Earnshaw: Cell Biology !
16!
29.10.2013!
Gewebsnekrosen - Infarkt!
Patholog. Definition des Infarkts:!
Gewebsnekrose, die durch Sauerstoffmangel (Hypoxie oder Anoxie) !
infolge einer raschen Verminderung des Blutflusses (Ischemie) durch!
arteriellen oder venösen Verschluss (z. B Thrombose) verursacht wird. !
betroffene Organe: z. B. Herz, Leber, Niere, Milz, Gehirn (Schlaganfall)!
Gewebsnekrosen - Infarkt!
Infarkt des Herzmuskels!
Histologie!
(HE Färbung: Zelle wirkt strukturlos,!
homogen gefärbtes Zytoplasma)!
wichtig: bei Infarkten kommt es sowohl zu Nekrosen als auch (i. a. zeitverzögert) zu apoptotischem Zelltod!
(i. a. periphär zu zentraler nekrotischer Region).!
17!
29.10.2013!
Danke für Ihre!
Aufmerksamkeit!!
nach einen kurzen Pause!
geht es weiter!
Ursachen: Ionisierende Strahlen, Cytostatika,
Mangel anWachstumsfaktoren,!
Hypoxie, Virusinfektion!
•  individuelle Zellen betroffen!
•  interzelluläre Zellkontake (“junctions”)!
brechen!
•  Schrumpfen der Zelle !
(Zellmembran bleibt erhalten, aber permeabel)!
•  Kondensation des Chromatins!
•  Auflösen der Kernmembran!
•  Fragmentierung der DNA (Nucleosomenleiter, !
“ DNA laddering”)!
•  Aktivierung der Caspasen!
•  Zelle fragmentiert in membranöse Vesikel!
(apoptotic bodies)!
•  Zelltrümmer werden durch Phagozytose entfernt!
Keine Entzündung!
18!
29.10.2013!
Charakteristika apoptotischer Zellen!
Apoptose einer Leberzelle nach Chemotherapie:!
Kinetik der morphologischen Veränderungen!
“apoptotic bodies”: membranumhüllte
vesikuläre Strukturen"
Physiologische Funktionen des!
apoptotischen Zelltods!
Essentiell für selektives Überleben/Abbau einzelner !
Zellpopulationen während Entwicklung z. B.:!
•  Interdigitalhäute werden durch Apoptose eliminiert!
•  Selektion von T-Zellen im Thymus!
im adulten Organismus z. B.:!
•  Elimination von Tumorzellen durch Immunsystem!
•  Degeneration des Brutdrüsenepithels nach Laktation!
Bild: Apoptotische Zellen durchlässig "
für Acridinorange, interkaliert in DNA"
Abb. 49-1 Pollard, Earnshaw: Cell Biology 2002!
19!
29.10.2013!
Caspasen: Effektorenzyme der Apoptose!
Caspasen = Cystein-Proteasen, die nach Asp-Resten schneiden!
limitierte, sequenzspezifische Proteolyse
diverser hochspezifischer Substrate!
Spaltung erfolgt nach Asp-Resten!
Caspase substrate:!
über 100 Proteine!!
PARP=Poly(ADP-ribose)polymerase!
CAD= Caspase-aktivierte DNAse!
Nukleosomenleiter!
Entstehung des DNA Ladderings!
•  CAD (Caspase-aktivierteDNAse) spaltet DNA!
•  Grundzustand: !
CAD-ICAD-Komplex!
•  Aktivierung der Caspase 3!
•  Spaltung des ICAD!
•  Aktives CAD!
•  Spaltung der genomischen
DNA an der Linker-DNA!
Aktivierung der
Caspase !
20!
29.10.2013!
DNA Laddering!
Nukleosomenleiter:!
( 146 bp)n!
Hierarchische Organisation in Initiatorkaspasen und Effektorcaspasen!
Klassifikation der Caspasen (bisher 13 Familienmitglieder in Säugern):!
Initiator Caspasen:!
Effektorcaspasen:!
z. B. Casp 8, 9, !
initiieren die Signalkaskade, !
aktivieren nachgeschaltete Effktorcaspasen!
z. B. Casp 3, 6, 7!
spalten zelluläre Zielproteine (z. B CAD-ICAD Komplex), !
bewirken finales Endstadium des apoptotischen Zelltods!
werden durch Casp-Spaltung an Asp-Resten aktiviert!
Casp1/ICE-Familie:! Interleukin 1β convertierendes Enzym, !
beteiligt an Entzündungsreaktionen,!
induziert Apoptose nur nach Überexpression!
21!
29.10.2013!
„take home“ message!
•  Caspasen sind hierarchisch in einer!
Enzym-Kaskade organisiert.!
•  Initiatorcaspasen aktivieren!
nachgeschaltete Effektorcaspasen!
Frage:!
Kennen sie noch andere Proteasekaskaden?!
 Proteasen des Blutgerinnungssystems,!
 Proteasen der Komplementkaskade!
Aktivierung/Reifung der Effektor-Caspasen !
Alle Caspasen werden als inaktive Vorstufen (Proenzyme, Zymogene) synthetisiert!!
Aktivierung der Effektorcaspasen z. B. Casp 3:!
Procaspase (inaktiv)!
p20!
p10!
Aktivierte Caspase!
kurze Prodomäne!
Übergeordnete Initiator-Caspasen Spalten!
Effektorcaspasen an Asp-Resten, !
(nach Prodomäne und zw p20/p10) !
 Caspase-Kaskade !
Aktiv: Heterotetramer mit!
2 katalytischen Zentren (rot)!
LS: large subunit p20!
SS: small subunit p10!
22!
29.10.2013!
Aktivierung der Initiator-Caspasen startet die Signalkaskade !
Initiatorcaspasen z. B Casp8, Casp9!
Procaspase (inaktiv)!
Prodomäne!
p20!
Aktivierte Caspase!
p10!
Lange Prodomäne mit Protein/Protein Interaktionsmotiven :!
DED, death effector domain (Casp8, extr. Weg)!
CARD, Caspase activation and recruitment domain (Casp9, intrins. Weg))!
vermitteln Komplexbildung mit aktivierenden Adaptorproteinen,!
die ebenfalls DED oder CARD-Domänen tragen!
Komplexierung an Adaptormoleküle!
erhöht lokale Casp-Konzentration!
und induziert Konformationsänderung;!
 Dies führt zu wechselseitiger Autoaktivierung!
(z. B Casp8/DISC death inducing signalling complex)!
(“induced proximity model”)!
LS: large subunit p20!
SS: small subunit p10!
katalytisches Zentrum!
liegt in einer gut "
zugänglichen Tasche der"
p10 Untereinheit"
23!
29.10.2013!
Apoptotische Signalkaskaden: Überblick
Extrinsischer Weg!
(TNF Todesrezeptorweg)!
Intrisischer Weg!
(Mitochondrialer Weg)!
Initiatorcaspase!
Initiatorcaspase!
Extrinsischer und!
intrinsischer Weg münden!
in gemeinsame Endstrecke:!
!
Casp 3 Aktivierung !
Effektorcaspase!
(Fig 5. Rang, Dale, Ritter, Moore, 6. Edition 2007) !
TNF: Tumornekrosefaktor!
Apoptotische Signalkaskaden: intrinsischer Weg
Extrinsischer Weg!
Intrisischer Weg!
Auslöser des intrinsischen Wegs:!
•  DNA-Schäden!
•  Zelluläre Stress-Signale (e.g. ROS)!
•  Cytostatika!
•  Hypoxie!
•  Ionisierende Strahlung!
•  Fehlende Interaktion mit!
Wachstumsfaktoren!
Initiatorcaspase!
Initiatorcaspase!
Effektorcaspase!
(Fig 5. Rang, Dale, Ritter, Moore, 6. Edition 2007) !
Austritt pro-apototischer Moleküle!
wie Cytochrom C!
aus Intermembranraum der!
Mitochondrien!
Apoptosom!
24!
29.10.2013!
Apoptotische Signalkaskaden: extrinsischer Weg
Extrinsischer Weg!
Intrisischer Weg!
Auslöser des Extr. Wegs: exogene Signale!
= CD95"
Liganden-Trimer!
(TNF/Fas-Ligandenfamilie)!
bindet an Rezeptor!
Trimerisierung der “Todesrezeptoren”!
(TNFR-Superfamilie)!
Rekrutierung von Adaptormolekülen!
(mit DED-Interaktionsmotif)!
Initiatorcaspase!
Rekrutierung und Aktivierung!
der Initiatorcaspase Casp 8 :!
Ausbildung des DISC-Komplexes!
(death inducing signaling complex)!
Effektorcaspase!
(Fig 5. Rang, Dale, Ritter, Moore, 6. Edition 2007) !
TNF-Rezeptor aktivierte Apoptose!
Liganden-Trimer !
Trimerisierung der Rezeptoren!
TNF-related apoptosis inducing ligand!
TRAIL!
Negative Regulation:!
Sezernierter!
“Abfang”-(Decoy) Rezeptor!
Adaptor “überbrückt” Rezeptor und!
Caspase 8
Autoaktivierung!
!
!von Casp 8!
Negative Regulation:!
Transdominante Pseudocaspase cFLIP!
sequestriert Rezeptortrimer,!
cFLIP wird selbst nicht gespalten!
DISC !
death inducing"
signalling complex!
aus Nicholson, Nature 407, 810, (2000)!
25!
29.10.2013!
Reduzierte Apoptose bei Leukämien!
TNF-related apoptosis inducing ligand!
TRAIL!
Inaktivierende Mutationen des FasR!
(=CD95, = Apo-1, kodiert vom lpr Lokus)"
oder des Fas-Liganden (gpl-Lokus)"
führen zu Leukämien"
 in Folge reduzierter Apoptose"
Hyperproliferation der Lymphozyten"
(Lymphoprolifertive disorder lpr)."
Krebs!
Zelltod!
(Apoptose)!
Zell-!
Proliferation!
DISC !
death inducing"
signalling complex!
aus Nicholson, Nature 407, 810, (2000)!
Regulation des intrinsischen Wegs
Extrinsischer Weg!
Intrisischer Weg!
Mitglieder der Bcl-2 Familie!
Regulieren Permeabilisierung!
der Mitochondrienmembran!
Balance pro-apoptotischer!
und antiapoptotischer !
Bcl-Familienmitglieder!
bestimmt die!
Apoptoseschwelle!
26!
29.10.2013!
Bcl-2 Familienmitglieder regulieren die Apoptose!
Bcl-2: entdeckt als aktiviertes Oncogen bei humanem follikulären B-cell-Lymphom !
(Chromosomale Translokation t(14;18), fehlende Apoptose ruhender B-zellen)!
Klassifikation (strukturell): nach BH Domänen = Bcl-Homologieregion 1-4, α-helices!
(anti-apoptotisch)"
Transmembrandomäne,!
Lokalisation an der!
äußeren Mitoch.membran!
( Quelle: Lehrbuch, Weinberg !
“The Biology of Cancer Cancer”)!
Balance zw. pro- und anti-apoptotischen Bcl Familienmitgliedern entscheidend!!
  (B) Zellen denen Bcl fehlt (bcl-2-/- Knockout) zeigen überschießende Apoptose !
  (C) Zusätzlicher Verlust von pro-apoptitischem bim-2 antagonisiert bcl-2-/- Phänotyp!
( Quelle: Lehrbuch, Weinberg “The Biology of Cancer Cancer”)!
27!
29.10.2013!
1)!
Bcl-2/Bcl-Xl binden an Bad/BAX( Heterodimerisierung/Sequestrierung) !
“neutralisieren” der Apoptose-Auslöser!
1)!
Bcl-2/Bcl-Xl binden an Bad/BAX( Heterodimerisierung/Sequestrierung) !
“neutralisieren” der Apoptose-Auslöser!
2)!
bei Überwiegen pro-apoptotischer Familienmitglieder"
Bax Aktivierung führt zur Permeabilisierung der äußeren Mitochondrienmembran!
Bax permeabilisiert Mitochondrienmembran!
durch Interaktion mit mitochondrialen Kanälen:!
VDAC, voltage dependent anion channel!
( Quelle: Lehrbuch, Weinberg “The Biology of Cancer Cancer”)!
28!
29.10.2013!
Wie wir die Balance der Bcl-Familienmitglieder reguliert?!
Transkriptionsebene :!
•  vermehrte Expression von Bax  Apoptose!
•  vermehrte Expression von Bcl-2  red. Apoptose  !
(typisch für Tumorzellen , z. B. B-cell lymphoma)!
Postranslational:!
•  durch Phosphorylierung/Dephosphgorylierung!
(diverse Proteinkinasen, Phosphatasen,!
aktiviert durch zellulären “Stress” )!
Ausschüttung pro-apoptotischer Faktoren (Cytochrom C) !
aus Mitochondrien führt zur Apoptosombildung!
weitere pro-apoptotische!
Moleküle!
Apaf-1:!
apoptotic protease !
activating factor!
Apoptosom:!
Komplex aus!
Cyt C/Apaf/Casp9!
Trigger der Caspase 9-!
Aktivierung!
CARD: caspase associated recruitment domain"
(Nicholson, Nature 407, 810, (2000)!
29!
29.10.2013!
Rolle von p53 in der Apoptose I!
Zellzyklus-stop!
Reperatur!
Apoptose!
Transkriptionelle
Induktion der CKIs:!
p21 !
p53 vermittelte Apoptose: transkriptionelle Bax-Induktion!
triggert den mitochondrialen Apoptoseweg!
Apoptosome!
3.!
1.!
4.!
5.!
6.!
2.!
30!
29.10.2013!
Molekulare Mechanismen: extrinsischer und intrisischer Weg!
DISC!
Apoptosom!
(Nicholson, Nature 407, 810, (2000)!
Pathophysiologische Aspekte I!
Beispiele reduzierter Apoptose:!
•  Krebs: Reduktion der physiologischen oder durch Cytostatika !
!induziertenApoptose: !
(z. B. Leukämien, z. B. Bcl-2 Überexpression),!
Resistenz von Krebszellen geg. Chemotherapie und Bestrahlung!
•  Persistente Infektionen: unzureichende Elimination bakteriell !
oder viral infizierter Zellen!
•  Autoimmunerkrankungen: fehlende Elimination autoreaktiver CTLs !
oder Autoantikörper produzierender B-Zellen.!
31!
29.10.2013!
Pathophysiologische Aspekte II!
Beispiele exzessiver Apoptose:!
•  Ischämie (Schlaganfall, Herzinfarkt; hierbei auch nekrotischer Zelltod)!
•  Trauma (Verletzungen von Gehirn und Rückenmark, !
hierbei auch nekrotischer Zelltod)!
•  Neurodegenerative Erkrankungen (Alzheimer, Parkinson, Huntington, ALS)!
•  AIDS (Depletion von CD4+ T-Zellen)!
•  Alloreaktivität (Abstoßung von Transplantaten durch T-Zellenreaktion!
gegen fremde MHC-Moleküle).!
Apoptose-basierte Therapeutika in klinischen Studien!
(Tumortherapeutika)!
Pro-apopt.!
Reed Nature Rev. Drug Discovery 1, 111 (2002)!
32!
29.10.2013!
Beispiele pro-apoptotischer Therapieansätze bei Krebs!
Extrinsischer Weg!
Intrisischer Weg!
BCL-2 knockdown!
(antisense)!
Initiatorcaspase!
Effektorcaspase!
(Fig 5. Rang, Dale, Ritter, Moore, 5. Edition 2003) !
Movie on apoptitic cell death!
CD ROM Alberts:!
18.1 apoptosis.mov!
33!
29.10.2013!
Material zur Vorlesung!
Böcker, Denk, Heitz: "
Pathologie, Urban Fischer Verlag"
Kap 2.6.4: Zelltod"
Kap 7.8 Infarkt"
Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter:"
Molecular Biology of the Cell, Garland Science, "
chapter 17: The cell cycle and programmed cell death, see also movies on CD"
Rang, Dale, Ritter, Moore:"
Pharmacology, Churchill Livingstone, "
chapter 5: cell proliferation and apoptosis"
Müller-Esterl:"
Biochemie, Eine Einführung für Mediziner und Naturwissenschaftler,"
Elsevier, Kapitel 32, Zellzyklus und programmierter Zelltod"
Weinberg: “The Biology of Cancer Cancer” 2. Edition, Chapter 9,"
"
see also movies on CD"
Material zur Vorlesung!
Weiterführende Literatur, Reviews (Englisch):!
Nicholson, Nature 407, 810, (2000).!
From bench to Clinic with apoptosis-based therapeutic agents!
Hengartner, O. Nature 407, (2000).!
The biochemistry of apoptosis!
Reed Nature Rev. Drug Discovery 1, 111 (2002).!
Apoptosis-based Therapies!
34!
29.10.2013!
Danke für Ihre!
Aufmerksamkeit!!
Zusatzfolien, "
nicht klausurrelevant!
35!
29.10.2013!
Regulation der CDK Aktivität II !
Animation: Alberts 17.1 Cdk2 movie"
Molekulare Mechanismen: extrinsischer und intrisischer Weg!
DISC!
Apoptosom!
Weitere Ebene der Regulation:!
IAPs: inhibitors of apoptosis proteins,!
Blockieren katalytische Zentren der Casp,!
initiieren Degradation durch Proteasom!
Gegenspieler der IAPs: !
Smac/DIABLO, !
Werden zusätzlich zu Cyt C!
als pro-apototische Faktoren !
von Mitoch. ausgeschüttet!
(Nicholson, Nature 407, 810, (2000)!
36!
29.10.2013!
Apoptose-Induktion durch Immunzellen über drei Signalwege!
Cytotox. T-Zellen CTLs, NK Zellen
sekretieren Poren-bildende Perforine und
Casp3 aktivierende Proteasen:!
Granzyme, Granulysin!
Extrinsicher Weg!
FasL/FasR(CD95) !
Intrinsicher Weg!
Exozytose von Granula!
Granzymes! (apoptose-induz. Proteasen)!
Granulysin!
Caspase 8!
Caspase 9!
Caspase 3!
T-Zellselektion und Apoptose!
Expression funktioneller"
T-Zellrezeptoren"
Apoptose der T-Zelle:!
•  defekter T-Zellrezeptor interagiert !
nicht mit MHC!
•  T-Zelle erkennt “Selbst”-Antigen!
(autoreaktiv)!
•  T-Zelle weist DNA-Defekte auf!
Positive Selektion!
Abb. 49-2 Pollard, Earnshaw: Cell Biology 2002!
ca. 95% der unreifen T-Zellen sterben!
im Thymus postnatal durch Apoptose!
37!
29.10.2013!
Das eukaryontische Zellzyklussystem ist evolutionär hochkonserviert!
Cdc: cell division cycle genes!
38!