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B978-3-437-43690-1.10023-3

10.1016/B978-3-437-43690-1.10023-3

978-3-437-43690-1

Phasen des Zellzyklus (innerer Kreis) und cyclinabhängige Kinasen (Cdk) sowie deren Inhibitoren (CKI), die die Übergänge zwischen den einzelnen Zellzyklusphasen regulieren.

Interphase und die Phasen der Mitose im zytologischen Erscheinungsbild.

Interphase mit vollständig dekondensierten Chromosomen und Nucleolus; Prophase mit kondensierenden Chromosomen und Auseinanderweichen der Zentrosomen; Prometaphase mit Auflösung der Kernmembran und Ausbildung der Mitosespindel; Metaphase, die durch die Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene gekennzeichnet ist; Anaphase, in der die Chromatiden zu den Zentrosomen auseinanderweichen; Telophase mit Beginn der Dekondensation der Chromatiden und Neubildung der Kernmembran; Zytokinese als Abschluss der Mitose, in der durch einen kontraktilen Ring in der Äquatorialebene die vollständige Trennung der beiden Zellen erfolgt.

Kontrolle des Restriktionspunkts in humanen Zellen.

Störungen des TGF--Signalwegs in humanen Tumoren.

Nach der Bindung von TGF- an spezifische Rezeptoren werden Transkriptionsfaktoren der Smad-Familie aktiviert. Diese wandern in den Kern und aktivieren spezifische Gene, darunter das INK4B-Gen. In proliferierenden Zellen wird die Expression von INK4B durch Myc reprimiert. Nach Zugabe von TGF- wird die Expression von Myc abgeschaltet. In Tumorzellen finden sich häufig Mutationen, die die Expression von Myc stark erhöhen; in solchen Zellen kann INK4B nicht angeschaltet werden. Daneben finden sich v.a. in kolorektalen Tumoren Mutationen in Smad-Proteinen und im TGF--Rezeptor.

Erkennung von DNA-Schäden in Säugerzellen.

DNA-Schäden treten normalerweise während der Replikation auf; sie treten aber verstärkt nach ionisierender Strahlung, UV-Strahlung und nach Exposition gegenüber DNA-schädigenden Agenzien (Tabakrauch, Chemotherapeutika) auf. Sie werden über spezifische Proteinkomplexe erkannt, die zwei Kinasen, ATM oder ATR, aktivieren. Diese phosphorylieren das p53-Protein, sodass es nicht mehr ubiquitiniert und durch das Proteasom abgebaut werden kann. Daneben kommt es zu einer verstärkten Bildung von p21 und der proapoptotischen Proteine Noxa und Puma.

Kontrolle der Zellproliferation durch die Telomerenlänge.

Physiologisch wird TERT (telomerase reverse transcriptase) nur in Zellen der Keimbahn und in Stammzellen, nicht aber in somatischen Zellen exprimiert. Dadurch kommt es mit jeder Zellteilung zu einer Verkürzung der Telomere, die die maximale Anzahl der Teilungen begrenzt.

Morphologische Veränderungen bei Nekrose und Apoptose.

Aktivierung von Caspasen (a) und nachfolgende Caspasenkaskade (b).

Regulation der Apoptose durch Signalübertragung von Fas, Überlebensfaktoren und apoptotischen Stimuli.

Mitglieder der Bcl2-Familie können pro- (Bax, Bid, Bad) sowie antiapoptotisch (Bcl-xL) wirken. Die Phosphorylierung von Bad als Folge eines Überlebenssignals führt zur Bindung an 14-3-3-Proteine, die Bad aus der Mitochondrienmembran herauslösen. Die Caspasen-8 und -9 lösen gemeinsam die Effektorcaspasekaskade und damit die Apoptose aus.

Aktivierung von p53 durch Onkogene. Onkogene wie Myc oder aktiviertes Ras führen zu einer deregulierten Zellproliferation; hohe Mengen von E2F, die in solchen Zellen aktiv sind, induzieren die Expression des ARF-Proteins. ARF hemmt die Ubiquitin-Ligase Mdm2, die in normalen Zellen das p53-Protein ubiquitiniert und so dessen Abbau über das Proteasom einleitet.

Ausgewählte Tumorsuppressorgene des Menschen und die Funktion der von ihnen kodierten Proteine

Tab. 23.1
Name des Gens (Protein) familiäre Tumorform sporadische Tumoren Funktion des Proteins
RB (pRb) Retinoblastom, Osteosarkom Retinoblastom; Sarkom; Blasen-, Brust-, Speiseröhren- und Lungenkarzinom Repression von E2F
CDKN2A (p16ink4a) familiäre Melanome viele Arten Cdk4-Inhibitor; aktiviert das Retinoblastomprotein
CDC4 (Fbxw7) Endometriumkarzinom Ubiquitin-Ligase, die Myc und Cyclin E abbaut
TP53 (p53) Li-Fraumeni-Syndrom viele Arten Transkriptionsfaktor; induziert die Synthese von p21Cip1, Noxa und Puma (Kap. 23.2.2 und 23.3.3)
TGFBR2 (Tgfbr2) HNPCC Kolon-, Magen-, Pankreaskarzinom TGF--Rezeptor

RB Retinoblastomgen, CDKN Cyclin dependent kinase inhibitor, CDC Cell division cycle, TP Tumorsuppressorprotein, TGFBR2 Transforming growth factor beta receptor 2, HNPCC Hereditary non-polyposis colorectal carcinoma

Zellzyklusinhibitoren und ihre Charakteristika

Tab. 23.2
Inhibitor Zielmoleküle Wirkmechanismus
p21 (CDKN1A)
  • Cyclin E/Cdk2

  • Cyclin A/Cdk2

Aktivierung durch p53 als Antwort auf zellulären Stress (Kap. 23.2.2) Induktion während der terminalen Differenzierung
p27 (CDKN1B)
  • Cyclin E/Cdk2

  • Cyclin A/Cdk2

Abbau durch Proteolyse zu Beginn der S-Phase
p57 (CDKN1C)
  • Cyclin E/Cdk2

  • Cyclin A/Cdk2

Tumorsuppressorgen
p16 (INK4A)
  • Cyclin D/Cdk4

  • Cyclin D/Cdk6

Tumorsuppressorgen: Mutationen in Melanomen
p15 (INK4B)
  • Cyclin D/Cdk4

  • Cyclin D/Cdk6

  • Expression wird durch TGF- reguliert

  • Tumorsuppressorgen; wird durch Methylierung des Promotors abgeschaltet

p18 (INK4C)
  • Cyclin D/Cdk4

  • Cyclin D/Cdk6

Zellzyklusarrest in der Differenzierung von Muskelzellen/Neuronen
p19 (INK4D)
  • Cyclin D/Cdk4

  • Cyclin D/Cdk6

Zellzyklusarrest in der Differenzierung von Neuronen

Proapoptotische Signale und ihre biologische Funktion

Tab. 23.3
Zelltyp Signal Funktion
B- und T-Lymphozyten Stimulierung des T-und B-Zell-Antigen-Rezeptors während der frühen Reifung Eliminierung autoreaktiver Zellen
Lymphozyten Bindung des Fas-Liganden an den Fas-Rezeptor Begrenzung der Immunreaktion nach Stimulation
verschiedene Zelltypen DNA-Schädigung Schutz vor Mutationen
virusinfizierte Zellen Präsentation viraler Antigene auf der Zelloberfläche Begrenzung von Virusinfektionen

Beispiele für die Regulation von pro- und anti-apoptotischen Mitgliedern der Bcl2-Familie

Tab. 23.4
Protein Regulation
proapoptotisch (Multidomänenproteine)
Bax Transkription wird durch p53 induziert
proapoptotisch (BH3-only-Proteine)
Bid Aktivierung nach enzymatischer Spaltung durch Caspase-8
Bad Inaktivierung durch Phosphorylierung durch die Akt-Kinase
Noxa, Puma Transkription wird durch p53 induziert
Bim Transkription wird durch PI3-Kinase gehemmt
antiapoptotisch
Bcl2 Transkription in hohen Mengen in bestimmten Lymphomen als Folge einer chromosomalen Translokation

Apoptose durch Entzug von Überlebensfaktoren

Tab. 23.5
Zelltyp Überlebensfaktor
Wachstumsfaktoren
hämatopoetische Vorläuferzellen Interleukin-3
T-Lymphozyten Interleukin-2
neuronale Zellen Nerve growth factor (NGF)
Hormone
Zellen der Brustdrüse Östradiol, Progesteron
Prostatazellen Testosteron
extrazelluläre Matrixproteine
Epithelzellen Laminin
mesenchymale Zellen Fibronektin

Zellzyklus und Zelltod

M. Eilers

  • 23.1

    Zellproliferation und Cycline 671

  • 23.1.1

    Die Phasen des Zellzyklus671

  • 23.1.2

    Innere und äußere Kontrolle des Zellzyklus672

  • 23.1.3

    Cyclinabhängige Kinasen672

  • 23.2

    Kontrollmechanismen des Zellzyklus 674

  • 23.2.1

    Aktivierung cyclinabhängiger Kinasen674

  • 23.2.2

    Checkpoint-Mechanismen676

  • 23.2.3

    Telomere678

  • 23.3

    Zelltod 678

  • 23.3.1

    Apoptose und Nekrose678

  • 23.3.2

    Caspasen680

  • 23.3.3

    Proteine der Bcl2-Familie682

  • 23.3.4

    Apoptose und Seneszenz als Schutz vor Tumorentstehung683

Praxisfall

Eine 35-jährige Patientin stellt sich mit Fieber, Nachtschweiß und mehr als 10% Gewichtsverlust vor. Ihr Hausarzt stellt vergrößerte zervikale Lymphknoten und eine vergrößerte Leber und Milz fest. Ihre Blutwerte sind bis auf einen deutlich erhöhten Serum-LDH-Wert normal. Im Blutausstrich werden große, blastenartige Zellen gesehen. Die zytogenetische Analyse zeigt eine Translokation der Chromosomen 14 und 18. Durch PCR-Analyse kann die Beteiligung des Bcl2-Gens nachgewiesen werden, was mit einer Hemmung der Apoptose einhergeht. Die Diagnose lautet t(14;18)-positives, aggressives Non-Hodgkin-B-Zell-Lymphom, und die Patientin wird mit einer systemischen Chemotherapie behandelt. In Abhängigkeit vom Tumorstadium wird nach 5 Jahren ungefähr die Hälfte der Patienten ohne Rezidiv überlebt haben.

Zur Orientierung

Die Proliferation humaner Zellen wird sowohl durch externe als auch durch interne Faktoren gesteuert. Um diese Vorgänge zu verstehen, muss man die Grundlagen des Zellzyklus kennen, weshalb in diesem Kapitel zunächst noch einmal näher darauf eingegangen wird. Innerhalb des Zellzyklus regulieren Hormone und Wachstumsfaktoren wie Insulin, EGF (epidermal growth factor), VEGF (vascular endothelial growth factor) oder PDGF (platelet-derived growth factor) über Signalkaskaden die Aktivität cyclinabhängiger Kinasen. Die einzelnen Phasen im Zellzyklus werden dabei gesteuert, indem spezifische Substratproteine phosphoryliert werden.

Bei Störungen im Zellzyklus greifen interne Prozesse, sog. Checkpoint-Mechanismen. Sie messen Störungen, wie z.B. Schädigungen an der DNA, und können die Proliferation anhalten. Zu diesen Mechanismen gehören z.B. das p53-Protein oder der Spindle-assembly-Checkpoint.

Daneben ist der programmierte Zelltod ein weiterer aktiver und kontrollierter Prozess, der als Antwort sowohl auf externe Faktoren als auch auf Zellschäden hin ausgelöst werden kann. Der aktive programmierte Zelltod wird auch als Apoptose bezeichnet. Daran sind sowohl intrazelluläre Proteasen, die Caspasen, als auch die Mitochondrien beteiligt.

Zellproliferation und Cycline

Die Phasen des Zellzyklus

Als Zellzyklus bezeichnet man den zyklischen Ablauf von Ereignissen in eukaryontischen Zellen, die zur Zellteilung führen. Er lässt sich in vier unterschiedliche Phasen einteilen (Abb. 23.1).
  • Nach der Zellteilung befinden sich Zellen in der sog. G1-Phase (für engl. gap: Lücke). Die Chromosomen sind in dieser Phase nicht repliziert. In Geweben, in denen sich Zellen nur noch selten teilen, ist die G1-Phase für einzelne Zellen sehr lang und wird dann auch als G0-Phase bezeichnet. Die G1-Phase dient u.a. der Synthese von Biomolekülen, die für die DNA-Replikation in der nachfolgenden S-Phase benötigt werden. Vor allem dient die G1-Phase dem Zellwachstum, das so lange anhält, bis die Zellen eine bestimmte, zelltypspezifische Größe erreichen.

  • Danach beginnen sie, die chromosomale DNA zu replizieren. Diese Phase des Zellzyklus wird als S-Phase (Synthese-Phase) bezeichnet.

  • An die S-Phase schließt sich in der Regel eine zweite Gap-Phase (G2) an, in der sich die Zelle auf die Mitose vorbereitet.

  • In der M-Phase erfolgt die Trennung der Chromosomen (Mitose) und anschließend die Trennung des Zytoplasmas (Zytokinese).

Die Mitose
Die Mitose wird nach dem zytologischen Erscheinungsbild in einzelne Stadien eingeteilt (Abb. 23.2).
  • In der Prophase findet eine Kondensation des Chromatins und der Chromosomen statt, sodass sie im Lichtmikroskop sichtbar werden. Dabei wird deutlich, dass die DNA repliziert ist: Jedes Chromosomen besteht zu diesem Zeitpunkt des Zellzyklus aus einem Paar lichtmikroskopisch erkennbarer Chromatiden (auch als Schwesterchromatiden bezeichnet), von denen jedes eines der DNA-Moleküle enthält. Beide Chromatiden sind an einem charakteristischen Ort, dem Zentromer, miteinander verbunden. Zentromere sind spezialisierte Regionen des Chromosoms, die sich bei Säugern durch eine Anhäufung repetitiver DNA-Sequenzen auszeichnen. Diese Sequenzen dienen als Bindestellen für die sog. Cohesine, die beide Chromatiden bis zur Trennung miteinander verbinden. In der Prophase löst sich außerdem die Kernmembran auf, und es bildet sich die Mitosespindel aus.

  • In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in der Mitte zwischen den Polen der Spindel in der Metaphasenplatte an. Dabei sind sie über spezialisierte Proteinstrukturen, die Kinetochoren, die am Zentromer angreifen, mit der Spindel verbunden.

  • In der Anaphase trennen sich die beiden Chromatiden und werden zu den Polen der Mitosespindel transportiert. Auslöser der Anaphase ist der proteolytische Abbau der Cohesine. Die für diesen Abbau verantwortliche Protease (Separase) wird zu diesem Zeitpunkt aktiviert, sodass die Trennung der Chromatiden ermöglicht wird.

  • In der Telophase dekondensieren die Chromatiden (die jetzt wieder als Chromosom bezeichnet werden), und die Kernmembran bildet sich wieder.

  • Im Anschluss an die Mitose findet die eigentliche Trennung der beiden Zellkörper, die Zytokinese, statt. Dabei bildet sich in der Mitte zwischen den beiden Polen der Spindel ein kontraktiler Ring, der aus Actin und Myosin besteht. Mit fortschreitender Zeit zieht sich dieser Ring immer weiter zusammen, bis zum Schluss das Zytoplasma beider Zellen vollständig getrennt ist.

Innere und äußere Kontrolle des Zellzyklus

In eukaryontischen Zellen wird das Durchlaufen des Zellzyklus sowohl durch zellintrinsische Mechanismen als auch durch Faktoren in der Umgebung von Zellen kontrolliert. Über spezifische Mechanismen, die den korrekten zeitlichen Ablauf des Zellzyklus sicherstellen, wird erreicht, dass eine Phase des Zellzyklus erst eingeleitet wird, wenn die vorhergehende abgeschlossen ist. Beispielsweise kann die Mitose erst beginnen, wenn die gesamte DNA repliziert ist. Der korrekte Ablauf der Zellzyklusphasen wird an sog. Kontrollpunkten (Checkpoints) überprüft. Mechanismen, die die koordinierte Abfolge des Zellzyklus sicherstellen, werden daher als Checkpoint-Mechanismen bezeichnet.
Die Häufigkeit, mit der Zellen den Zellzyklus durchlaufen, wird v.a. durch Faktoren in der Umgebung von Zellen (z.B. Wachstumsfaktoren) und von internen Faktoren (z.B. dem Differenzierungszustand) kontrolliert. Dabei variiert je nach Zelltyp und -zustand v.a. die Länge der G1-Phase. Nach Stimulation durch Wachstumsfaktoren findet noch vor dem Beginn der S-Phase ein Entscheidungsprozess statt, nach dem die Zelle sich für das Durchlaufen des gesamten Zellzyklus inklusive Mitose festlegt (committed). Der Zeitpunkt dieser Entscheidung wird als Restriktionspunkt bezeichnet. Sowohl die molekularen Prozesse, die den Restriktionspunkt kontrollieren, als auch Checkpoint-Mechanismen sind in vielen humanen Tumoren durch Mutationen gestört.

Cyclinabhängige Kinasen

Übergänge von einer Phase des Zellzyklus zur nächsten werden durch cyclinabhängige Kinasen gesteuert (Abb. 23.1). Kinasen sind Enzyme, die andere Proteine phosphorylieren und so deren Aktivität verändern. So werden z.B. die Proteine der Kernmembran (Lamine) zu Beginn der Mitose phosphoryliert, wodurch der Zusammenhalt der Kernmembran aufgelöst wird. Ähnlich werden zu Beginn der S-Phase spezifische Replikationsfaktoren phosphoryliert und damit aktiviert. Cyclinabhängige Kinasen bestehen aus zwei Proteinen: der eigentlichen katalytischen Untereinheit (Cdk, cyclin dependent kinase) und einer regulatorischen Untereinheit, dem Cyclin. Zu verschiedenen Zeitpunkten im Zellzyklus sind verschiedene Cyclin/Cdk-Komplexe aktiv. So wird die Mitose durch den Cyclin-B/Cdk1-Komplex eingeleitet. Die S-Phase wird durch die beiden Komplexe Cyclin E/Cdk2 und Cyclin A/Cdk2 gesteuert.
Die Aktivität dieser Komplexe wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren kontrolliert:
  • durch die Menge der regulatorischen Untereinheit, der Cycline (daher stammt auch ihr Name: viele Cycline treten periodisch [zyklisch] in bestimmten Phasen des Zellzyklus auf)

  • durch Inhibitorproteine (Abb. 23.1, Tab. 23.1), die spezifische Cyclin/Cdk-Komplexe hemmen. Solche Inhibitorproteine werden z.B. als Antwort auf zellulären Stress synthetisiert (unten). Ihr Verlust führt häufig zu unkontrollierter Zellproliferation und Tumorentstehung.

MERKE

Der eukaryontische Zellzyklus besteht aus definierten Phasen, die nacheinander durchlaufen werden. Dabei steuern interne und externe Faktoren den Übergang von einer Phase zur nächsten; diese Faktoren kontrollieren die Aktivität von cyclinabhängigen Kinasen.

Kontrollmechanismen des Zellzyklus

Aktivierung cyclinabhängiger Kinasen

Hormone und Wachstumsfaktoren, die die Proliferation humaner Zellen stimulieren, z.B. Insulin, EGF (epidermal growth factor) oder VEGF (vascular endothelial growth factor), wirken über die Bindung an spezifische Rezeptoren. Die dadurch ausgelösten Prozesse sollen hier am Beispiel des Wachstumsfaktors PDGF (platelet-derived growth factor) erläutert werden.
  • PDGF bindet an einen Rezeptor an der Zelloberfläche, der eine intrazelluläre katalytische Domäne mit Tyrosin-Kinase-Aktivität besitzt. Die Bindung des Peptids an den Rezeptor führt zur Aktivierung der Kinaseaktivität und über mehrere Zwischenschritte zur Aktivierung des zellulären Ras-Proteins. Damit werden MAP-Kinasen aktiviert, die das Signal in den Zellkern weitergegeben (Kap. 22.4.2).

  • Die MAP-Kinasen wiederum phosphorylieren spezifische Transkriptionsfaktoren und aktivieren so die Transkription einer bestimmten Gruppe von Cyclinen, die als D-Cycline bezeichnet werden. Diese Cycline steuern den Restriktionspunkt in der G1-Phase des Zellzyklus.

  • Die D-Cycline bilden mit Cdk4 oder Cdk6 eine aktive Kinase aus, die u.a. das Retinoblastomprotein (pRb) in der G1-Phase des Zellzyklus phosphoryliert. Die Phosphorylierung des Retinoblastomproteins markiert den Restriktionspunkt: Zellen, in denen das Protein phosphoryliert ist, durchlaufen den weiteren Zellzyklus auch in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren.

Retinoblastomprotein als Repressorprotein
Das Retinoblastomprotein ist ein transkriptioneller Repressor, der in ruhenden Zellen im nichtphosphorylierten Zustand vorliegt. In diesem Zustand bewirkt das Retinoblastomprotein Chromatinveränderungen, die zu einer Repression von Genen führen, die die Replikation kontrollieren. Zu diesen Genen gehören z.B. Cyclin E oder DNA-Polymerase . Auch Gene, die für wichtige Enzyme des Nucleotidstoffwechsels kodieren, wie Dihydrofolat-Reduktase, werden durch das Retinoblastomprotein reprimiert. Dabei bindet das Protein nicht direkt an die DNA; vielmehr wirkt ein spezifischer Transkriptionsfaktor, E2F, als Anker, der das Protein an die DNA rekrutiert.
Die Fähigkeit des Retinoblastomproteins, Gene über die Bindung an E2F zu reprimieren, wird durch Phosphorylierung reguliert. Nur die nichtphosphorylierte Form wirkt als Repressor. Nach Zugabe von Wachstumsfaktoren kommt es zur Phosphorylierung des Proteins; daraufhin kann das Retinoblastomprotein nicht mehr an E2F binden, und es kommt damit zur Aufhebung der Repression dieser Gene (Abb. 23.3).
Retinoblastomprotein als Tumorsuppressor
Das Retinoblastomprotein wird von einem Gen kodiert, dessen Verlust zur Entstehung des Retinoblastoms führt, eines Tumors, der von den Zellen der Retina ausgeht. Da die Bildung dieser Tumoren durch den Funktionsausfall des Gens ausgelöst wird, wird das Retinoblastomgen als Tumorsuppressorgen bezeichnet. Weitere Tumorsuppressorgene, die eine Rolle im Zellzyklus spielen, sind das TP53-Gen und das INK4A-Gen (Tab. 23.1). Damit die Mutation eines Tumorsuppressorgens wirksam wird, müssen in der Regel beide Kopien des Gens entweder durch Mutationen gestört oder die Expression durch Methylierung der DNA des Genpromotors abgeschaltet sein. In manchen Familien ist eine Genkopie bereits in der Keimbahn mutiert oder deletiert. Da in diesen Fällen die Wahrscheinlichkeit, dass in einer der vielen Zellen eines Gewebes die zweite Kopie mutiert, sehr hoch ist, findet man in solchen Familien eine stark erhöhte Tumorhäufigkeit. Neben dem Verlust des Retinoblastomproteins werden in manchen Tumoren auch eine Amplifikation von Genen, die für D-Cycline kodieren, und als Folge dieser Amplifikation eine Überexpression von D-Cyclinen beobachtet.
Hemmung der Zellproliferation
Auch Faktoren, die die Proliferation von Zellen negativ beeinflussen, wirken auf das Retinoblastomprotein. So wird die Proliferation vieler Zellen (z.B. des Darmepithels oder von hämatopoetischen Zellen) negativ durch TGF- (transforming growth factor ), ein lösliches Peptidhormon, kontrolliert (Abb. 23.4). Ebenso wie andere Faktoren bindet auch dieser negative Wachstumsfaktor an Rezeptoren der Zelloberfläche und löst eine Signaltransduktion über Smad-Proteine in den Zellkern aus. Diese Signale steuern die Synthese eines Inhibitors der Cyclin-D-abhängigen Kinasen.
Da D-Cycline mit der Cdk4-Kinase assoziieren, wird dieser Inhibitor als INK4 (inhibitor of Cdk4) bezeichnet. In diesem Fall handelt es sich um die b-Isoform, INK4B. Auch Cdk6-Komplexe, nicht aber Cdk2-Komplexe werden durch diesen Inhibitor gehemmt (Tab. 23.2). In Zellen, an die TGF- gebunden hat, wird deshalb das Retinoblastomprotein auch dann nicht phosphoryliert, wenn D-Cycline synthetisiert werden, und E2F-abhängige Gene werden reprimiert.
Mehrere Proteine, die im TGF--Signalweg eine Rolle spielen, werden durch Tumorsuppressorgene kodiert. Beispielsweise findet man bei bestimmten erblichen Formen von Dickdarmkrebs Mutationen in dem Gen, das für den TGF--Rezeptor kodiert. Auch das Gen, das für das Smad4-Protein kodiert (Abb. 23.4), ist ein Tumorsuppressorgen.
Neben diesen Mutationen beeinflusst auch eine der am häufigsten in humanen Tumoren gefundenen Gruppen von Mutationen die Funktion des Retinoblastomproteins, nämlich Mutationenim Myc-Gen. Dieses Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der u.a. die Synthese des INK4B-Gens reprimieren kann. Zellen, in denen das Myc-Gen durch Mutationen gestört ist, sind durch die Repression des INK4B-Gens resistent gegen die Wachstumshemmung durch TGF- (Abb. 23.4).

Checkpoint-Mechanismen

Neben externen Faktoren wird der Zellzyklus auch durch Mechanismen kontrolliert, die seinen störungsfreien und zeitlich koordinierten Ablauf sicherstellen und als Antwort auf Schäden arretieren. Solche Mechanismen werden als Checkpoint-Mechanismen bezeichnet. Hierbei handelt es sich in erster Linie um Mechanismen, die den Zellzyklus arretieren, wenn die zelluläre DNA z.B. durch UV-Strahlen oder durch Fehler in der Replikation geschädigt ist. Dieser Checkpoint kann sowohl in der G1- als auch in der G2-Phase des Zellzyklus aktiviert werden und führt dann entweder zum Anhalten des Zellzyklus oder zur Apoptose.
Das p53-Protein
Ein entscheidender Vermittler der DNA-Schadensantwort ist das p53-Protein (Abb. 23.5). Wenn in der Zelle ein DNA-Schaden vorliegt, wird dieser durch spezifische Proteine erkannt, die eine von zwei Protein-Kinasen, ATM oder ATR, aktivieren. Diese Kinasen phosphorylieren das p53-Protein. Die Phosphorylierung hat zwei Folgen:
  • Erstens wird unter normalen Bedingungen p53 in Zellen sehr schnell durch die Mdm2-Ubiquitin-Ligase ubiquitiniert und durch das Proteasom abgebaut. Nach Schäden an der DNA verhindert die Phosphorylierung von p53 die Bindung von Mdm2 an p53; deshalb wird p53 stabilisiert, und die Menge des Proteins nimmt stark zu.

  • Zweitens führt die Phosphorylierung zu einer erhöhten Aktivität des p53-Proteins.

p53 ist ein Transkriptionsfaktor, der die Synthese des Cdk-Inhibitors p21 (Tab. 23.1) kontrolliert. Als Antwort auf DNA-Schädigungen kommt es daher zu einem Anhalten des Zellzyklus, da die Aktivität der Cdk2-Kinase durch p21 gehemmt und so der Beginn der Replikation verhindert wird. Die Replikation bleibt so lange gestoppt, bis der Schaden an der DNA repariert ist und damit das Signal, das zur Stabilisierung des p53-Proteins geführt hat, abgeschaltet wird.
Daneben kann p53 auch die Transkription einer Reihe von Genen aktivieren, die für proapoptotische Proteine des intrinsischen (Noxa, Puma u.a.) und extrinsischen Signalwegs (CD95, TRAILR2 u.a.) kodieren. Damit eine durch p53 in ihrem Zellzyklus arretierte Zelle die Möglichkeit erhält, einen durch genotoxischen Stress induzierten DNA-Schaden zu reparieren, muss sichergestellt sein, dass die p53-Aktivierung nicht unmittelbar und in jedem Fall zur Induktion von Apoptose führt. Dies wird u.a. dadurch erreicht, dass das p53-Zielgen PIDD (p53-induced protein with a death domain) gemeinsam mit den Proteinen RIP1 (Receptor interacting protein 1) und NEMO (NF-kappaB essential modulator) einen Komplex bildet, der den Transkriptionsfaktor NF-kappaB aktiviert, der wiederum die Expression einer ganzen Reihe von anti-apoptotischen Proteinen reguliert.
Interessanterweise kann PIDD alternativ auch einen Komplex mit RAIDD (RIP-associated ICH1/CED3-like protein with a death domain) und Caspase-2 bilden, der die Aktivierung der letztgenannten proapoptotischen Protease ermöglicht. PIDD reguliert somit die Balance zwischen p53-induzierter Apoptose und p53-induzierter Zytostase mit assoziierter DNA-Reparatur und Apoptoseresistenz und ist daher für die Qualität der zellulären p53-Antwort entscheidend.

Schon gewusst

Das p53-Gen ist ein wichtiges Tumorsuppressorgen des Menschen, Mutationen im p53-Gen treten in der Mehrzahl humaner Tumoren auf. Sie führen dazu, dass Zellen auch dann proliferieren, wenn ihre DNA geschädigt ist. Als Konsequenz werden weitere Mutationen rasch in der DNA fixiert, statt über DNA-Reparaturmechanismen korrigiert zu werden. Dies führt zum Phänomen der genetischen Instabilität von Tumorzellen und erlaubt diesen, durch Mutationen neue Eigenschaften zu erwerben, die z.B. notwendig sind, wenn die Tumorzellen sich in Form einer Metastase in einer völlig neuen Umgebung vermehren müssen.

Ein verwandter Checkpoint-Mechanismus stellt sicher, dass die Mitose nicht eingeleitet wird, bevor die Replikation der chromosomalen DNA vollständig ist (replication checkpoint).
Mitotische Checkpoint-Mechanismen
Checkpoint-Mechanismen steuern nicht nur die Replikation, sondern auch den Ablauf der Mitose. So verhindert einer dieser Mechanismen den Beginn der Anaphase so lange, bis alle Chromosomen in der Äquatorialebene aufgereiht sind. Da dieser Mechanismus auch den korrekten Aufbau des Spindelapparats überprüft, wird er als Spindle-assembly-Checkpoint bezeichnet.
Chromosomen, die (noch) nicht korrekt an die Spindel gebunden sind, senden ein Signal aus, das die Protease hemmt, die für den Abbau der die Chromatiden zusammenhaltenden Cohesine verantwortlich ist. Die gleiche Protease ist auch für den Abbau von Cyclin B am Ende der Mitose verantwortlich: Solange der Checkpoint aktiv ist, kann also auch Cyclin B nicht abgebaut werden, und die Zelle verharrt in der Mitose. Über diesen Mechanismus ist die Einleitung der Anaphase (der Beginn des Endes der Mitose) an den Aufbau einer korrekt angeordneten Spindel gebunden.

Klinik

Den Spindle-assembly-Checkpoint macht man sich mit sog. Spindelgiften wie Taxol in der Chemotherapie von Tumoren zunutze. Dabei binden Taxol und verwandte Substanzen (Paclitaxel) an Tubulin und führen zu einer Stabilisierung von Mikrotubuli. Eine andere Gruppe von Chemotherapeutika, die Vinca-Alkaloide, führt zur Depolymerisation von Mikrotubuli. In der Mitose sind Mikrotubuli extrem dynamisch, und sie werden konstant auf- und abgebaut. Beide Gruppen von Chemotherapeutika stören daher den normalen Ablauf der Mitose. Sie führen zum Zellzyklusarrest, da sie den Spindle-assembly-Checkpoint aktivieren. Auch dieser Checkpoint ist in vielen Tumoren gestört: So zeigen Zellen, denen das BRCA2-Gen (von engl. breast cancer) fehlt, spezifische Defekte in der Funktion dieses Checkpoints. Dies trägt zur Entstehung von Brustkrebs bei.

Telomere

In den meisten somatischen Zellen, nicht aber in Zellen der Keimbahn fehlt eine spezifische DNA-Polymerase, die Telomerase, die für die Replikation von Chromosomenenden, den Telomeren, notwendig ist (Kap. 11.2.6). Telomere bestehen aus repetitiven DNA-Sequenzen, die keine Gene enthalten. Ihre Integrität ist aber für die Stabilität von Chromosomen notwendig. In Abwesenheit von Telomerase werden Chromosomenenden bei jeder Zellteilung verkürzt; unterhalb einer kritischen Länge werden die Chromosomenenden instabil und lösen einen Arrest des Zellzyklus und Apoptose aus (Krise, Abb. 23.6). Dadurch ist die maximale Anzahl der Zellteilungen begrenzt.
Dies ist ein wichtiger Mechanismus, der die Bildung von Tumoren verhindert: Da in den frühen Phasen einer möglichen Tumorentstehung viele Zellen an Apoptose sterben, ist die (aufgrund der kürzer werdenden Telomere) maximale Zahl von Zellteilungen oftmals zu gering, um die Entstehung eines Tumors zu erlauben. Wenn Tumoren aus somatischen Zellen entstehen, sind daher häufig Mutationen beteiligt, die die Expression des Telomerasegens ermöglichen. Ein wichtiger Mechanismus sind dabei Mutationen, die die Expression des c-Myc-Gens erhöhen, da Myc ein wesentlicher Transkriptionsfaktor ist, der die Expression der Telomerase aktiviert.
Ähnlich wie bei anderen Formen der DNA-Schädigung wird auch bei der Verkürzung von Telomeren das Tumorsuppressorprotein p53 aktiviert und löst den Zellzyklusarrest aus. Zellen, denen das p53-Gen fehlt, überleben in seltenen Fällen die Krise. Dabei können aber auch Chromosomen entstehen, deren Telomere zu kurz sind. Solche Telomere sind instabil und führen zu der Akkumulation weiterer Chromosomenmutationen.

Klinik

Humane Tumoren exprimieren in der Regel Telomerase. Tumorzellen sind dadurch potenziell unsterblich. In Zellkulturexperimenten wird das Wachstum vieler Tumorzellen durch eine Hemmung der Telomerase unterdrückt. Deshalb bieten Inhibitoren der Telomerase möglicherweise einen neuen Ansatz, um spezifisch das Tumorwachstum auch in vivo zu hemmen.

MERKE

Um eine ordnungsgemäße Übertragung der genetischen Information von einer Zelle auf die beiden Tochterzellen zu gewährleisten, gibt es im Verlauf des Zellzyklus verschiedene Kontrollpunkte (Checkpoints). Sie regulieren die Aktivität der Cycline. Diese Kontrollen stellen sicher, dass die nächste Phase erst dann beginnt, wenn die vorherige Phase vollständig abgeschlossen und fehlerfrei verlaufen ist. Fehlfunktionen dieses Regulationsmechanismus spielen bei der Tumorentstehung eine entscheidende Rolle.

Zelltod

Apoptose und Nekrose

Während des gesamten Lebens eines Organismus findet neben der Zellproliferation in kontrollierter Weise auch Zelltod statt. Man unterscheidet dabei zwei Formen, Apoptose und Nekrose:
  • Die Apoptose ist ein energieverbrauchender Prozess und tritt in vielen physiologischen und pathologischen Situationen auf. Induziert wird sie durch gut verstandene Signalwege, die letztendlich in definierter Weise biochemische Mechanismen aktivieren, die in ihrer Summe die wohlbekannten morphologischen Charakteristika apoptotischer Zellen bedingen (unten). Apoptotische Prozesse sind sehr oft von der Aktivität von Proteasen der Caspasefamilie abhängig, wohingegen die Nekrose unabhängig von diesen Molekülen erfolgt.

  • Die Nekrose wurde lange Zeit als eine durch physikochemischen Stress induzierte, zufällig und unkontrolliert ablaufende Form von Zelltod betrachtet. In den vergangenen Jahren zeigte sich jedoch, dass der nekrotische Zelltod nicht weniger kontrolliert und programmiert abläuft als die weit besser verstandene, durch Caspasen vermittelte Apoptose. Eine wichtige Rolle bei der Nekrose kommt dabei der Serin/Threonin-Kinase RIP1 zu, die auch in der PIDD-vermittelten NF-kappaB-Aktivierung wichtig ist. So kann z.B. der apoptoseinduzierende Tumor-Nekrose-Faktor (TNF) in Abhängigkeit vom Zelltyp über seinen Rezeptor TNFR1 auch den nekrotischen Zelltod auslösen. Dies beruht auf der durch RIP1 und das Adapterprotein TRAF2 vermittelten Aktivierung der NADPH-Oxidase NOX1, die reaktive Sauerstoffradikale produzieren kann. Diese sind für die Exekutionsphase des nekrotischen Zelltods von zentraler Bedeutung. So stimulieren Sauerstoffradikale die Hyperaktivierung der poly(ADP-ribose)-Polymerase 1 (PARP1) sowie die Aktivierung der cJun-N-terminalen Kinase (JNK), und sie induzieren mitochondriale Fehlfunktionen – alles Prozesse, die für den nekrotischen Zelltod typisch sind. Interessanterweise wird RIP1 durch Initiatorcaspasen (unten), die früh während der Apoptose aktiviert werden, gespalten und inaktiviert. Das nekrotische Programm der Zelle wird also durch die Apoptose aktiv inhibiert, kann jedoch, wenn diese ausfällt (z.B. in apoptoseresistenten Tumorzellen), an deren Stelle treten. Die Nekrose kann somit als Backup-Mechanismus für die Apoptose fungieren.

Morphologisch unterscheiden sich nekrotische und apoptotische Zellen stark voneinander (Abb. 23.7). Kennzeichen nekrotischer Zellen sind Schwellung, Verlust der Membranintegrität, Freisetzung des Zellinhalts, Verlust der Organellen und Abbau der DNA durch Endo- und Exonucleasen. Die apoptotische Zelle dagegen behält des Weiteren eine intakte Zellmembran, sie schrumpft und bildet sog. apoptotische Körperchen, d.h. Zellabschnürungen, die von einer Zellmembran umgeben sind. Die in diesen Körperchen enthaltenen Organellen bleiben noch für eine längere Zeit intakt, und im Zellkern bilden sich Fragmente von kondensiertem Chromatin. Die apoptotischen Körperchen können nun von den umliegenden Zellen phagozytiert werden. Die Apoptose geht im Körper nicht mit einer Entzündung einher, wie es bei der Nekrose der Fall ist.
Auslöser der Apoptose
Verschiedene Stimuli sind in der Lage, Apoptose auszulösen (Tab. 23.3).
  • Zum einen kann sie durch die Bindung extrazellulärer Liganden an Transmembranrezeptoren der Zellmembran ausgelöst werden. Physiologisch geschieht das v.a. durch Cytokine (z.B. TNF-) und Oberflächenmoleküle benachbarter Zellen (z.B. Fas-Ligand). Die Bindung dieser Proteine als Liganden an spezifische Todesrezeptoren auf der Zelloberfläche (TNF-Rezeptor-1 und Fas) triggert intrazelluläre Signaltransduktionskaskaden, die zur Apoptose führen. Viele Zellen zeigen eine hohe inhärente Bereitschaft zur Apoptose und sind für ihr Überleben von der konstanten Präsenz sog. Überlebenssignale (engl. survival factors; z.B. insulinähnliche Wachstumsfaktoren) abhängig (Tab. 23.5, Kap. 23.3.3).

  • Apoptose kann andererseits auch durch zellinterne Prozesse ausgelöst werden. Dazu gehören v.a. Schädigungen der Zelle, insbesondere Schädigungen der DNA. Auch viele Faktoren, die die Zellproliferation kontrollieren, greifen in die Regulation apoptotischer Prozesse ein.

Caspasen

Gemeinsam ist den verschiedenen apoptotischen Stimuli und den daran beteiligten unterschiedlichen Signaltransduktionskaskaden die Aktivierung von Caspasen. Diese bilden eine Familie verwandter Proteasen, die im aktiven Zentrum einen Cysteinrest (C) tragen und Proteine substratspezifisch hinter einem Aspartatrest (asp) spalten (-ase). Caspasen liegen als inaktive Proenzyme in der Zelle vor und können aufgrund unterschiedlicher Aktivierungsmechanismen und Funktionen in zwei grundlegende Kategorien unterteilt werden:
  • Effektorcaspasen werden durch aktive Initiatorcaspasen oder andere bereits aktivierte Effektorcaspasen proteolytisch prozessiert und so enzymatisch aktiv (Caspasekaskade, Abb. 23.8).

  • Initiatorcaspasen hingegen werden zunächst durch Dimerisierung aktiviert, ohne dass damit eine Prozessierung einhergeht. Die Dimerisierung erfolgt dabei durch die Aktivierung von Adapterproteinen, die daraufhin oligomerisieren und mehrere Initiatorcaspasemoleküle rekrutieren. In den so entstehenden oligomeren Proteinkomplexen können sich Initiatorcaspasen zu enzymatisch aktiven Dimeren zusammenlagern. Diese werden dann durch autokatalytische Prozessierung in eine reife Form überführt, die der prozessierter Effektorcaspasen entspricht. Nach der Ablösung von den aktivierenden oligomeren Proteinkomplexen können dann weitere noch nicht prozessierte Initiatorcaspasemoleküle durch den Proteinkomplex umgesetzt werden. Aktivierte Initiatorcaspasen prozessieren und aktivieren dann ihrerseits Effektorcaspasen. Monomere, noch nicht prozessierte Initiatorcaspasen, können dabei auch von bereits aktivierten Effektorcaspasen prozessiert und aktiviert werden (positive Rückkopplung).

Die unterschiedlichen Mechanismen der Aktivierung von Initiator- und Effektorcaspasen spiegeln sich auch in der Größe der Prodomänen der Proenzyme wider. So verfügen die Initiatorcaspasen (Caspase-2, -8, -9 und -10) über vergleichsweise große Prodomänen (100–200 Aminosäuren), die die Interaktion mit den aktivierenden Adapterproteinen ermöglichen. Die Effektorcaspasen (Caspase-3, -6 und -7) verfügen dagegen lediglich über sehr kurze Prodomänen, die im Wesentlichen eine autoinhibitorische Funktion besitzen.
Externe Aktivierung
Initiatorcaspasen können durch externe Signale, die auf Rezeptoren auf der Zelloberfläche wirken, aktiviert werden. So führt z.B. die Stimulierung des Fas- oder des TNF-Rezeptors-1 bzw. der TRAIL-(TNF-related apoptosis inducing ligand-)Rezeptoren TRAILR1 und TRAILR2 über Adaptormoleküle zur Prozessierung von Caspase-8. Die genannten Rezeptoren werden daher als Todesrezeptoren bezeichnet. FLIP (FLICE inhibitory protein), ein antiapoptotisches Protein, das in mehreren Isoformen vorkommt und ähnlich wie Caspase-8 aufgebaut ist, jedoch keine enzymatische Aktivität besitzt, kann in Caspasen-8-aktivierende Rezeptorsignalkomplexe eingebaut werden und verhindert dort die Aktivierung bzw. die Prozessierung der Procaspase-8. Die FLIP-Isoformen stellen die wichtigsten Negativregulatoren der durch Todesrezeptoren induzierten Apoptose dar und sind oftmals an der Resistenzentwicklung von Tumorzellen beteiligt. So ist es nicht verwunderlich, dass FLIP durch onkogene Signalwege wie dem PI3-Kinase/Akt-Weg oder dem NF-kappaB-Signalweg induziert wird.
Wie bereits erwähnt, prozessiert aktive Caspase-8 verschiedene Effektorcaspasen, die kritische zelluläre Proteinsubstrate proteolytisch schneiden und damit in der Regel inaktivieren. Substrate der Caspasekaskade sind z.B. Zellstrukturproteine wie -Actin und nucleäre Laminine, DNA-Reparaturenzyme wie PARP1 sowie antiapoptotische Mitglieder der Bcl2-Familie (unten). Ein wesentliches Substrat des Caspasen ist v.a. auch ICAD, ein Inhibitor der Caspase-aktivierten DNAse (CAD), die chromosomale DNA während der Apoptose zwischen den Nucleosomen spaltet. Die so entstehenden DNA-Fragmente können dann in der Agarosegelelektrophorese als apoptosetypische DNA-Leiter nachgewiesen werden. Die mit der Aktivierung der Caspasekaskade verbundene Spaltung definierter zellulärer Proteine bedingt somit die bei der Apoptose beobachteten morphologischen und biochemischen Veränderungen (Abb. 23.7).
Interne Aktivierung
Caspasen können auch über einen zellintrinsischen Signalweg aktiviert werden. Der intrinsische Signalweg kann z.B. nach einer Schädigung von DNA durch die Aktivierung von p53 ausgelöst werden. Aber auch andere Faktoren, wie der Verlust der Nährstoff- oder der Sauerstoffversorgung, können den zellintrinsischen Signalweg auslösen. An den intrazellulären Signalwegen, die Apoptose auslösen, sind Mitochondrien ganz wesentlich beteiligt. Apoptotische Signale können zu einer Freisetzung von Cytochrom c, einem Protein der Atmungskette, aus dem Intermembranraum der Mitochondrien in das Zytoplasma führen, wo es an Apaf-1 (apoptotic protease-activating factor) bindet. In Anwesenheit von ATP aktiviert dieser Komplex eine spezifische Caspase, Caspase-9, die wiederum zur Aktivierung von Effektorcaspasen (z.B. Caspase-3) und der gesamten Caspasekaskade führt (Abb. 23.8).
Neben Cytochrom c können noch weitere proapoptotische Proteine aus den Mitochondrien freigesetzt werden, insbesondere SMAC (second mitochondria-derived activator of caspases), HtrA2/Omi, AIF (apoptosis-inducing factor) und Endonuclease G. SMAC und HtrA2/Omi wirken dabei als Inhibitoren der IAPs (inhibitor of apoptosis protein), die ihrerseits Inhibitoren der Effektorcaspasen sind. SMAC und HtrA2/Omi wirken daher synergistisch mit dem freigesetzten Cytochrom c bei der Aktivierung von Effektorcaspasen. AIF und Endonuclease G können hingegen caspaseunabhängig zelltodfördernde Prozesse induzieren. Der intrinsische apoptotische Signalweg ist daher nicht in jedem Fall caspaseabhängig, und entsprechende apoptotische Prozesse können daher nicht immer durch Caspaseinhibition verhindert werden.

Proteine der Bcl2-Familie

Wie oben beschrieben, tritt Cytochrom c während der Apoptose durch spezifische Poren in der äußeren Mitochondrienmembran in das Zytosol aus. Diese Poren werden durch Mitglieder der Bcl2-Protein-Familie (Bcl von B cell lymphoma) gebildet, die selbst integrale Proteine der Mitochondrienmembran sein können.
Es gibt eine ganze Familie von Bcl2-verwandten Proteinen, die in drei Klassen eingeteilt werden (Tab. 23.4): eine anti-apoptotische Unterfamilie, zu der Bcl2 selbst gehört, und zwei proapoptotische Klassen, nämlich die Multidomänenproteine (Bax und Bak) sowie eine Gruppe von Proteinen, die nur eine einzelne, regulatorische Domäne mit den anderen Familienmitgliedern gemeinsam haben (BH3-only-Proteine, z.B. Bid, Bad, Noxa und Puma). Pro- und antiapoptotische Familienmitglieder sind in der Lage, über homologe (sequenzähnliche) Domänen miteinander zu dimerisieren. Dabei sind die antiapoptotischen Mitglieder notwendig, um die Integrität der Mitochondrienmembran zu gewährleisten und die Freisetzung von Cytochrom c zu verhindern. Diese Proteine binden und hemmen Bax und Bak, die für die Freisetzung von Cytochrom c verantwortlich sind, indem sie Poren in der mitochondrialen Membran bilden. Die Integrität der Mitochondrienmembran wird auf diese Weise durch das Mengenverhältnis der drei Unterfamilien bestimmt; eine Vielzahl von Stimuli reguliert die Menge und Aktivität der einzelnen Mitglieder dieser Proteinfamilie.
Ein wesentlicher Faktor, der das Gleichgewicht dieser Proteine reguliert, wurde bereits erwähnt: das Tumorsuppressorprotein p53. Wenn p53 aktiv ist, induziert es nicht nur die Transkription des Zellzyklusinhibitors, p21, sondern auch diejenige der Gene, die für die proapoptotischen Proteine Bax, Puma und Noxa kodieren. Auf diese Weise kann die Aktivierung von p53 sowohl zum Zellzyklusarrest als auch zur Apoptose führen, und Zellen, in denen DNA stark geschädigt ist, können eliminiert werden.
Überlebensfaktoren
In normalen Zellen wird das funktionelle Gleichgewicht zwischen pro- und antiapoptotischen Mitgliedern der Bcl2-Familie durch Überlebensfaktoren (survival factors, Tab. 23.5) reguliert. Dabei ändert sich unter der Einwirkung dieser Faktoren zum einen das Mengenverhältnis von pro- und antiapoptotischen Mitgliedern der Bcl2-Familie. Zum anderen ändert sich aber auch die Funktion einzelner Mitglieder dieser Proteinfamilie: Beispielsweise bewirkt die Bindung von Überlebenssignalen (z.B. Wachstumsfaktoren) an spezifische Rezeptoren an der Zelloberfläche die Aktivierung einer intrazellulären Signaltransduktionskaskade, die über die Aktivierung der Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3-Kinase) initiiert wird und zur Bildung von PIP3 führt. Dieses phosphorylierte Lipid wirkt als Rezeptor für eine Reihe von Proteinen, die dann Signale in das Zellinnere weitergeben. Eine Konsequenz der Aktivierung der PI3-Kinase ist die Phosphorylierung des proapoptotischen BH3-only-Proteins Bad. Nichtphosphoryliertes Bad-Protein fördert die Apoptose. Wird Bad aber durch Kinasen phosphoryliert, bindet es an ein im Zytosol lokalisiertes Protein, das die Bezeichnung 14-3-3 trägt, und wird damit aus der Mitochondrienmembran entfernt. So wird die Bindung an Bax und Bak verhindert, und das Gleichgewicht zwischen pro- und antiapoptotischen Signalen verändert sich (Abb. 23.9). So kommt es zu einem schützenden Effekt.
Mitochondrien sind auch an dem Signalweg, der durch externe Rezeptoren stimuliert wird, beteiligt. Ein Substrat von Caspase-8, die durch Todesrezeptoren aktiviert wird, ist das proapoptotische Bcl2-Familienmitglied Bid (BH3 interacting domain death agonist; Tab. 23.4). Durch die Spaltung von Bid entsteht das Spaltprodukt tBid, das an den Mitochondrien mit antiapoptotischen Mitgliedern der Bcl2-Familie heterodimerisieren und die Freisetzung von Cytochrom c stimulieren kann (Abb. 23.9). Durch die Spaltung von Bid und die folgenden Ereignisse wird zwischen den zwei Wegen – dem vom Todesrezeptor gesteuerten und dem mitochondrialen – eine Verbindung hergestellt und dadurch das apoptotische Signal verstärkt.

Klinik

Das Mengenverhältnis der Mitglieder der Bcl2-Familie kann auch durch Mutationen verändert werden. Wichtigstes Beispiel hierfür ist das BCL2-Gen. Es wurde zuerst am chromosomalen Bruchpunkt einer häufigen Chromosomentranslokation von bestimmten B-Zell-Lymphomen entdeckt (Praxisfall). In diesen Tumoren wird Bcl2 als Folge der Translokation unter der Kontrolle des sehr starken Immunglobulin-enhancer-Elements exprimiert, und es werden deutlich erhöhte Mengen von Bcl2 synthetisiert. Dadurch wird die physiologische Apoptose dieser Zellen verhindert, und das Gleichgewicht zwischen Proliferation und Apoptose verschiebt sich auf die Seite der Proliferation. Die Hemmung der Expression und/oder Funktion von antiapoptotischen Proteinen wie Bcl2 erscheint heute als vielversprechender Therapieansatz für bestimmte Tumoren.

Apoptose und Seneszenz als Schutz vor Tumorentstehung

Viele der in Kap. 23.2.1 geschilderten Mutationen führen z.B. durch den Verlust des Retinoblastomproteins zu einer unkontrollierten zellulären Proliferation. Würden diese einzelnen Mutationen ausreichen, um einen Tumor zu induzieren, wäre kein vielzelliger Organismus existenzfähig. Die Deregulation des Zellzyklus löst vielmehr in normalen Zellen Apoptose aus. So führen Mutationen, die in einer Überexpression von c-Myc resultieren, nicht nur zu einer erhöhten Proliferation der betroffenen Zellen, sondern auch zu einer vermehrten Apoptoseinduktion und damit zum Absterben der Zellen, die eine entsprechende Mutation dieses Gens tragen. Apoptose ist somit ein wichtiger Schutzmechanismus, der verhindert, dass die Mutation einzelner Gene Krebs auslösen kann. Erst wenn weitere Mutationen die Bereitschaft von Zellen zur Apoptose herabsetzen, kann sich ein Tumor bilden.
Die Bedeutung dieses Schutzmechanismus kann in Tiermodellen eindrucksvoll demonstriert werden. In Mäusen, die nach Gentransfer eine zusätzliche Kopie des c-Myc-Gens tragen, kann die Rate, mit der die Expression von c-Myc Tumoren auslöst, durch die gleichzeitige, zusätzliche Expression des antiapoptotisch wirkenden Bcl2 dramatisch erhöht werden.
Auch die durch das c-Myc-Protein (oder den Verlust des Retinoblastomproteins) ausgelöste Apoptose wird durch das Tumorsuppressorgen TP53 (p53) vermittelt (Abb. 23.10). Dabei wird ebenso wie nach DNA-Schädigung eine Stabilisierung des p53-Proteins beobachtet. Die Stabilisierung beruht darauf, dass unter der Kontrolle von c-Myc (bzw. durch aktives E2F nach Verlust des Retinoblastomproteins) ein Protein synthetisiert wird, das den Abbau von p53 hemmt (p19ARF). ARF (alternate reading frame) bindet nicht direkt an p53, sondern interagiert mit der Ubiquitin-Ligase, die für den Abbau von p53 verantwortlich ist (Mdm2). Mutationen in p19ARF werden ebenso wie Mutationen im TP53-Gen in vielen Tumoren beobachtet; sie führen zu einer unkontrollierten Proliferation und zur Tumorbildung von Zellen, die Mutationen tragen, die den Zellzyklus deregulieren.
Neben der Apoptose gibt es weitere genetische Schutzmechanismen, die vor zellulärer Transformation schützen. So induzieren bestimmte Mutationen des Ras-Gens ein beschleunigtes Altern von Zellen in Kultur, das unabhängig von einer Telomerenverkürzung stattfindet. Dieses Phänomen wird als Seneszenz bezeichnet. In seneszenten Zellen werden eine deutliche Zunahme der p16INK4A- und p15INK4B-Proteine und wiederum eine Stabilisierung des p53-Proteins gefunden. In seneszenten Zellen ist das Retinoblastomprotein aktiv und induziert eine irreversible Repression E2F-abhängiger Gene. Seneszente Zellen finden sich sowohl in experimentellen als auch in natürlich vorkommenden Tumorvorstufen. So liegen z.B. in benignen Nävi, den Vorläufern von Melanomen, aktivierte Onkogene vor, und die Zellen in Nävi sind häufig ein Leben lang seneszent. Die Entwicklung zum Melanom findet nur dann statt, wenn durch zusätzliche Mutationen in einzelnen Zellen die Fähigkeit zur Seneszenz verloren gegangen ist; z.B. kommen in Melanomen häufig Mutationen im p16INK4A-Gen vor.

MERKE

Es gibt zwei Arten von Zelltod: Nekrose, ein wenig verstandener, aber dennoch kontrollierter Prozess, der durch ROS und JNK vermittelt wird und Apoptose, ein durch extrazelluläre und intrazelluläre Signale gesteuerter, energieverbrauchender Prozess, der oft durch Caspasen vermittelt wird und ohne begleitende entzündliche Vorgänge abläuft. Extrazelluläre Signale sind Überlebensfaktoren (z.B. Wachstumsfaktoren) oder sog. Todesliganden, die über Todesrezeptoren intrazellulär über einen Kaskadenmechanismus Caspasen aktivieren. Mitglieder der Bcl2-Familie sind intrazelluläre Regulatoren, die pro- oder antiapoptotisch wirken. Apoptose ist ein Schutzmechanismus des Organismus, der schädliche Zellen, z.B. Krebszellen, beseitigt.

ZUSAMMENFASSUNG

Der Zellzyklus in Eukaryonten besteht aus vier definierten Phasen; G1-, S- (Synthese), G2- und M-Phase (Mitose). Übergänge zwischen diesen Phasen werden durch cyclinabhängige Kinasen katalysiert. Die Aktivität dieser Kinasen wird in der G1-Phase durch externe Wachstumsfaktoren gesteuert. Dabei ist der entscheidende Schritt die Phosphorylierung des Retinoblastomproteins: Ist dieses phosphoryliert, durchläuft eine Zelle den Rest des Zyklus auch in der Abwesenheit von Wachstumsfaktoren. Daneben stellen Checkpoint-Mechanismen sicher, dass der Zellzyklus anhält, wenn die DNA geschädigt wird oder die Segregation der Chromosomen in der Mitose fehlerhaft verläuft. Viele Checkpoint-Mechanismen führen zur Aktivierung des Tumorsuppressorproteins p53; aktives p53 kann sowohl einen Zellzyklusarrest als auch die Apoptose auslösen.

Die Apoptose wird durch die Aktivierung einer Gruppe von Proteasen, den Caspasen, ausgelöst. Diese können sowohl als Antwort auf externe Faktoren als auch als Antwort auf interne Stresssignale (aktives p53) aktiviert werden. Bei beiden Prozessen spielen Mitochondrien eine entscheidende Rolle. Während der Apoptose wird Cytochrom c aus Mitochondrien freigesetzt und trägt wesentlich zur Aktivierung von Caspasen bei. Die Durchlässigkeit der äußeren Mitochondrienmembran für Cytochrom c wird durch Proteine der

Bcl2-Familie reguliert; dabei gibt es Proteine, die die Durchlässigkeit erhöhen und proapoptotisch wirken, und Gegenspieler, die die Durchlässigkeit verringern und vor Apoptose schützen.

Viele Onkogene können in Zellen Apoptose auslösen; diese ist deshalb ein wesentlicher Schutzmechanismus, der die Entstehung von Tumoren verhindert. Daneben können Onkogene auch einen permanenten Zellzyklusarrest auslösen, der als Seneszenz bezeichnet wird.

Fragen

  • 1.

    Wie führt der Verlust des Retinoblastomproteins zu einer erhöhten Zellproliferation?

  • 2.

    Wieso wird die Prädisposition für das Retinoblastom dominant vererbt, obwohl das Gen rezessiv wirkt?

  • 3.

    Über welchen Mechanismus kann die Schädigung von DNA Apoptose auslösen?

  • 4.

    Wie wirken Proteine der Bcl2-Familie auf das Überleben?

  • 5.

    Wie lösen externe Faktoren wie TRAIL die Apoptose aus?

  • 6.

    Welche Gruppen von Caspasen gibt es? Wie werden sie aktiviert? Was sind wichtige Substrate von Caspasen?

  • 7.

    Welche Phänotypen würden Sie von Zellen erwarten, in denen das Myc-Protein überexprimiert ist?

  • 8.

    Was ist Seneszenz? Wo treten seneszente Zellen auf?

  • 9.

    Wieso regulieren Telomere und Telomerase die Entstehung von Tumoren?

  • 10.

    Welche verschiedenen Mechanismen führen zur Aktivierung von p53? Welche Konsequenzen hat die Aktivierung von p53 in einer Zelle?

027 IMPP-Fragen

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