4.13: Eine Einführung zum Zelltod

Paradoxerweise prägt der Zelltod das Leben eines Organismus. Wie jeder ganze Organismus können Zellen infolge des Alterns, aufgrund einer versehentlichen Verletzung oder nach dem Eindringen eines Krankheitserregers sterben, bei dem sich eine Zelle opfern kann, um die Ausbreitung einer Infektion zu verhindern. Unter diesen Umständen können Zellen verschiedenen Todeswegen wie Apoptose, Autophagie oder Nekrose folgen. Alle diese Typen weisen spezifische morphologische Merkmale auf. Apoptose oder programmierter Zelltod führt zu Membran-"Bläschen" und nukleare Fragmentierung. Die Autophagie, die ebenfalls reguliert wird, führt zur Bildung großer Vakuolen, die zelluläre Bestandteile umschließen. Und schließlich die Nekrose, die ?ungeplant? oder versehentlich, endet in der Zelllyse.

In diesem Video werden wichtige Entdeckungen diskutiert, die zur Identifizierung dieser Signalwege geführt haben, Fragen untersucht, die Forscher immer noch zum Zelltod stellen, Werkzeuge diskutiert, mit denen sie diese beantworten, und schließlich einige Beispielexperimente vorgestellt.

Lassen Sie uns zunächst einige wichtige Forscher überprüfen, die dazu beigetragen haben, verschiedene Zelltodwege zu entschlüsseln.

Moderne Begriffe, die zur Beschreibung dieser Wege verwendet werden, gehen auf Hippokrates zurück, einen Arzt im antiken Griechenland. Er verwendete den Begriff Apoptose, was soviel wie "herunterfallen" bedeutet. Um das "Zerkleinern" von Knochen zu beschreiben nach einer Fraktur beobachtet werden. In der Neuzeit ist die erste bemerkenswerte Erwähnung von "Nekrose" ereignete sich im Jahr 1859, als Rudolf Virchow in seiner Kompilation "Zellpathologie" diesen Begriff verwendete, um den "fortgeschrittenen Gewebeabbau" zu beschreiben.

Mit Fortschritten in der Mikroskopie und Histologie im Laufe des nächsten Jahrzehnts gelang es Carl Weigert und Julius Cohnheim 1877, die Nekrose auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Sie gaben Einblick in die morphologischen Merkmale, die mit dieser Art des Todes verbunden sind, wie z. B. dem Verlust von Zellkernen.

Fast 70 Jahre später entdeckte Christian de Duve die "Autophagie" Ein Prozess, bei dem zelluläre Bestandteile von membrangebundenen Organellen, den sogenannten Autophagosomen, verschlungen und abgebaut werden, die mit einer anderen Art von Organellen, den Lysosomen, verschmelzen, um ihren Inhalt weiter zu zerstören. Wir wissen heute, dass die Autophagie in der Zelle tatsächlich eine doppelte Rolle spielt: Sie erleichtert das Überleben oder führt zum Tod.

Im Jahr 1972 beobachteten John Kerr, A. R. Currie und Andrew Wyllie eine andere Art des Zelltods mit einer eigenartigen Morphologie. Da bei diesem Prozess Teile "herunterfielen" von abgestorbenen Zellen gaben sie ihm den altgriechischen Namen Apoptose. Später erkannte man die Apoptose als eine Form des "programmierten Zelltods" im Jahr 1977, als H. R. Horvitz und John Sulston die Entwicklung von C. elegans untersuchten. Sie stellten fest, dass bestimmte Zellen in verschiedenen Würmern gleichzeitig eine Apoptose durchlaufen.

Da dies schon früh während der Entwicklung geschah, deutete dies darauf hin, dass Gene die Apoptose steuern könnten. Diese Hypothese wurde von Horvitz' Gruppe in den 1980er Jahren bestätigt, als sie beobachtete, dass Zellen mit Mutationen bei bestimmten ced oder ?C. elegans Tod? Gene sind während der Entwicklung dieser Würmer nicht abgestorben. Später zeigte Horvitz, dass das ced-3-Gen für ein proteinabbauendes Enzym namens Caspase kodiert. Nun wissen wir, dass es mehrere Caspasen gibt, die eine wichtige Rolle beim Zelltod spielen.

Diese Fortschritte auf dem Gebiet des Zelltods eröffneten den Forschern neue Wege, die es zu erforschen galt. Schauen wir uns einige davon an.

Schon immer war es interessant herauszufinden, welche Faktoren den Zelltod auslösen. Um sie zu identifizieren, setzen Forscher derzeit Zellen Strahlung, Chemikalien und Signalmolekülen aus und suchen dann nach Veränderungen des Todesgrades oder der Art des Todes.

Andere Wissenschaftler interessieren sich für die Aufklärung der biochemischen Signalwege, die an den einzelnen Zelltodmechanismen beteiligt sind. Derzeit wissen wir, dass die Apoptose einem Weg folgt, bei dem Caspasen die Schlüsselenzyme sind, während die Autophagie Proteine umfasst, die für die Bildung von Autophagosomen notwendig sind. Es gibt jedoch Komponenten in diesen Signalwegen, die unbekannt sind, und Forscher versuchen, Wege zu finden, sie zu erklären. Darüber hinaus untersuchen die Forscher auch, ob irgendein "Übersprechen" tritt zwischen Zelltodwegen auf. Wenn ein Übersprechen vorhanden ist, kann das gleiche Signal sowohl die Apoptose als auch die Autophagie beeinflussen.

Schließlich befasst sich ein beliebtes Forschungsgebiet mit dem Verständnis, warum bestimmte Zellen - wie Krebszellen - unsterblich werden. Wissenschaftler sind ständig auf der Suche nach Mutationen in Krebszellen und beurteilen, ob eine von ihnen Gene beeinflusst, die Faktoren kodieren, die an den Todeswegen beteiligt sind.

All dies sind komplizierte Fragen, aber glücklicherweise stehen den Forschern eine Vielzahl von Werkzeugen zur Verfügung, um sie zu beantworten.

Der Trypanblau-Assay ist ein häufig verwendetes Screening-Instrument, um die Wirkung einer Verbindung auf den Zelltod zu beurteilen. Der Assay beruht auf einer Färbung, die nicht in lebende Zellen eindringen kann, da diese "selektive Membranen" besitzen. kann aber leicht in tote Zellen eindringen, da ihre Membranen "gerissen" werden. Dieser Assay identifiziert den Zelltod, kann aber den spezifischen Zelltodweg nicht genau bestimmen.

Daher haben Wissenschaftler Techniken wie Caspase-Aktivitäts-Assays entwickelt. Da Caspasen während der Apoptose aktiviert werden, können Wissenschaftler Substrate für diese Enzyme hinzufügen, die fluoreszieren, wenn sie durch Caspasen aktiviert werden. Dies hilft bei der Identifizierung apoptotischer Zellen.

In ähnlicher Weise kann die DNA-Fragmentierung, die während der Apoptose stattfindet, mit dem TUNEL-Assay leicht identifiziert werden, der auf Reagenzien basiert, die die ?geknickten? Enden beschädigter DNA. Da diese Methode relativ einfach durchzuführen ist, ist sie ein häufig eingesetzter Assay in der Praxis.

Wenn Wissenschaftler den Zelltodmechanismus in ihrer Population bestimmen wollen, können sie Annexin-V- und Propidiumiodid (PI)-Färbungen mit einer Durchflusszytometrie-Analyse kombinieren. Annexin V bindet an Phosphatidylserinreste in der Membran, während PI durch die geschädigten Membranen eindringt, um sich mit der DNA zu verbinden. Durch die Untersuchung der resultierenden Daten können Wissenschaftler Zellen trennen, die unterschiedliche Todeswege durchlaufen.

Schließlich können Wissenschaftler die Bildgebung lebender Zellen nutzen, um den Zelltodprozess in Echtzeit zu verfolgen. Dabei handelt es sich um eine allumfassende Technik, mit der autophagische, nekrotische oder apoptotische Zellen anhand einzigartiger morphologischer Merkmale identifiziert werden können.

Wie Sie gesehen haben, gibt es mehrere Methoden, um den Zelltod zu erkennen, von denen einige nicht spezifisch sind, andere, die helfen können, apoptotische Zellen zu identifizieren, und einige, die zwischen verschiedenen Signalwegen unterscheiden.

Schauen wir uns nun an, wie Wissenschaftler diese Techniken nutzen, um mehr über den Zelltod zu erfahren.

Die Ernährung spielt eine wichtige Rolle für die Gesundheit und kann den Zelltod in verschiedenen Geweben beeinflussen. In diesem In-vitro-Assay setzten die Forscher Mausneuronen Palmitinsäure aus, einer gesättigten Fettsäure, die sowohl in Milchprodukten als auch in Fleisch enthalten ist, und verwendeten dann einen Caspase-Assay, um die Apoptose zu bewerten. Sie entdeckten, dass mit Palmitinsäure behandelte Zellen eine erhöhte Caspase-Aktivität und einen erhöhten Zelltod zeigten.

Andere Forscher verwenden diese Assays, um zu bestimmen, wie Medikamente verschiedene Todesmechanismen induzieren. Hier wurde transgenen Mäusen mit fluoreszenzmarkierten Krebszellen das Krebsmedikament Doxorubicin injiziert. Die Wissenschaftler bildeten dann Zellen in lebenden Tieren ab und stellten durch die Suche nach Veränderungen in der Morphologie der Krebszellen fest, dass die medikamentöse Behandlung sowohl Apoptose als auch Nekrose auslöste.

Schließlich untersuchen einige Wissenschaftler, ob der Zelltod rückgängig gemacht werden kann. In diesem Experiment setzten die Forscher menschliche Krebszellen Ethanol aus und bestätigten durch eine Vielzahl von Assays, dass diese Behandlung sie dazu veranlasste, den Apoptoseweg einzuschlagen. Nach dem Abwaschen des Ethanols konnten sich die betroffenen Zellen durch einen Prozess namens "Anastasis" von der Apoptose erholen. Dies gab Aufschluss darüber, wie Krebserkrankungen nach einer medikamentösen Behandlung zurückkehren können.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Zelltodwege gesehen. Dieses Video gibt einen Überblick über die reiche Geschichte der Zelltodforschung - von der Antike bis zum 20. Jahrhundert - und diskutiert dann einige aktuelle Fragen. Wir erklärten auch gängige Methoden zur Bestimmung des Zelltods und zeigten, wie diese Techniken eingesetzt werden, um den Zusammenhang zwischen Umwelt, Krankheit und Zelltod besser zu verstehen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!