Apoptose II
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Apoptose II Frank Essmann Apoptose II • Extrinsischer Apoptose-Signalweg (Fas) • Rolle in der Immunantwort • Therapeuthische Implikationen • Autophagie Apoptose: Evolutionäre Konservierung Vertebraten Intrazelluläre Membran Caenorhabditis elegans Rezeptor Mitochondrium Bcl-2 EGL-1 CED-9 Adapter CED-4 Apaf-1 Effektor CED-3 Caspase-9 Apoptose Plasmamembran BH3-only CD95 FADD Caspase-3 Caspase-8 Apoptose intrinsisch extrinsisch Apoptose: Evolutionäre Konservierung Vertebraten Intrazelluläre Membran Caenorhabditis elegans Rezeptor Mitochondrium Bcl-2 EGL-1 CED-9 Adapter CED-4 Apaf-1 Effektor CED-3 Caspase-9 Apoptose Plasmamembran BH3-only CD95 FADD Caspase-3 Caspase-8 Apoptose intrinsisch extrinsisch Wiederholung Extrinischer Apoptose-Signalweg Rezeptor-vermittelte Apoptose TNF und die TNF-Rezeptor-Familie CD95L FasL APO-1L Apo2L TRAIL LIGHT HVEML Apo3L TWEAK TNFα LTα LTα/LTβ BLyS BAFF THANK OPGL TALL-1 TRANCE gp39 CD27L GITRL 4-1BBL APRIL RANKL CD40LCD30L CD70 gp34 OX-40L NGF ? CD95 Fas APO-1 DR6 OPG DR3 TNF-RII TR1 APO-3 CD120b wsl-1 TRAMP DR5 DcR2 LT-βR LARD FN-14 TNF-RI TRAIL-RII CD120a AIR TRICK2 Killer DR4 TRAIL-RI APO-2 DcR3 TR6 DcR1 TRID HVEM ATAR TR2 DcR3 TR6 BCMA TACI RANK OPG CD40 CD30 CD27 TR1 GITR 4-1BB Viral: OX-40 NGF-R SFV-T2 Va53 G4RG crmB Rezeptor-vermittelte Apoptose Der Todesligand und die Todesrezeptor-Familie CD95L (FasL/APO-1L) Apo2L/TRAIL Apo3L TNFα LTα OPG CD95 DcR3 DR4 DcR1 DR5 DcR2 DR3 TNF-RI TNF-RII FN-14 Rezeptor-vermittelte Apoptose Ligand DD DD Todesrezeptor DD: Death Domain Rezeptor-Trimerisierung Rezeptor-vermittelte Apoptose Ligand Rezeptor-Trimerisierung DISC FADD Death Inducing Signalling Complex Caspase-8 DD: Death Domain DD FADD: Fas Associated protein with Death Domain DED DED: Death Effector Domain Pro-caspase-8 DED DED „Auto-Aktivierung“ von Caspase-8 Ligand DED Rezeptor-Trimerisierung DED DED FADD DED Cys Cys „Induced proximity“ Modell Caspase-8 Rezeptor-vermittelte Apoptose: DISC Ligand Rezeptor-Trimerisierung DISC FADD Death Inducing Signalling Complex Caspase-8 aktive Caspase-8 Der DISC aktiviert die Caspase-Kaskade Ligand Rezeptor-Trimerisierung DISC FADD Death Inducing Signalling Complex Caspase-8 aktive Caspase-8 Aktivierung von Caspase-3 / -6 / -7 Apoptose Rezeptor-vermittelte Apoptose TNF FasR TNF-R1 TRADD FADD Caspase-8/-10 Caspase-10 Caspase-8 FADD Kinase Domäne TRADD RIP RAIDD Caspase-2 FasL CD95L-induzierte Apoptose QuickTime™ and a Sorenson Photo - JPEG Videodecompressor decompressor are needed to see this picture. Intrinsisch vs. Extrinsisch Apaf-1 Caspase-9 Adapter FADD Initiator Caspase-8 Apoptosom DISC Effektor Caspase-3 / -6 / -7 Verknüpfung der Signalwege: BID tBid Apaf-1 Caspase-9 Bid Apoptosom DISC Effektor Caspase-3 / -6 / -7 Caspase-Kaskade Caspase-9 Caspase-7 Caspase-8 Caspase-3 Mitochondrium Caspase-6 Caspase-2 tBid Bid Caspase-8 Caspase-10 Zusammenfassung • • • • • Rezeptor-vermittelte Apoptose wird durch den entsprechenden Liganden induziert (CD95/Fas/Apo1 - CD95L/FasL/Apo1L; TNF-R1/2 - TNF; TRAIL-R1/2 - TRAIL) CD95 trimerisiert und ermöglicht die Bindung von FADD an die intrazelluläre Todesdomäne (DD) Caspase-8 bindet über die DED an den FADD/Rezeptor-Komplex und bildet den DISC Caspase-8 wird autoproteolytisch gespalten und aktiviert EffektorCaspasen Bid wird von Caspase-8 zu tBid gespalten, das den mitochondrialen Apoptose-Signalweg aktivert (Amplifikation des Rezeptor-Signals) Apoptose-Signalweg Post-translationaler Signalweg der überwiegend auf spezifischer limitierter Proteolyse beruht! Physiologische Rolle des CD95 Rezeptor-Ligand Systems Immunsystem - Herunterregulation der Immunantwort - Erhalt der peripheren Toleranz - Aktivität zytotoxischer T-Zellen - Mechanismen der Immunprivilegierung (Auge, Hoden, Plazenta) Nicht-Immunsystem - Gewebshomöostase - Erneuerung des Epithelgewebes - Keratinocyten-Erneuerung - Tumor-Immunüberwachung Aktivierungsinduzierter Zelltod von T-Lymphozyten CD95 Klonale Expansion CD95L Zellzahl Deletion MHC TCR autokrin AG CD95L 3 6 9 parakrin 12 Tage CD95L Caspasen Rolle von CD95: immunprivilegiertes Gewebe Normales Gewebe Immunprivilegierte Seite Zytotoxische T-Zelle Zytotoxische T-Zelle CD95 CD95L Apoptose CD95L Gen CD95L T-Zell-Rezeptor CD95 CD95L CD95 MHC/Antigen Apoptose Zielzelle CD95L Gen Zielzelle Rolle von CD95: Tumor-Gegenangriff Normales Gewebe Immunprivilegierte Seite Zytotoxische T-Zelle Zytotoxische T-Zelle CD95 CD95L Apoptose CD95L Gen CD95L T-Zell-Rezeptor CD95 CD95L CD95 MHC/Antigen Apoptose Zielzelle CD95L Gen Tumorzelle Modulation von Apoptose-Mechanismen • • • Virale Strategien Tumor-Resistenzmechanismen Therapeutika Modulation von Apoptose-Mechanismen: Virale Strategien Viren nutzen anti-apoptotische Moleküle, um die Apoptose der Wirtszelle zu blockieren. • Virale Caspase-Inhibitoren CrmA (Kuh-Pockenvirus) p35 (Baculovirus) • Virales Flip (v-Flip) analog zu zellulärem (c-Flip) Virales Flip Ligand DED Rezeptor-Trimerisierung DED DED FADD DED Caspase-8 Cys Cys FADD Virales Flip Ligand DED v-Flip Rezeptor-Trimerisierung Caspase-8 DED DED FADD DED v-Flip c-Flip (long) FADD c-Flip (short) Caspase-8 Cys X Cys CrmA (Cytokine Response Modifier A) Modulation von Apoptose-Mechanismen: Virale Strategien Viren nutzen anti-apoptotische Moleküle, um die Apoptose der Wirtszelle zu blockieren. • Virale Caspase-Inhibitoren CrmA (Kuh-Pockenvirus) p35 (Baculovirus) • Virales Flip (v-Flip) analog zu zellulärem (c-Flip) • Virale IAPs (erstes gefundenes IAP) • Virale Bcl-2 Homologe Modulation von Apoptose-Mechanismen: Tumoren Expression anti-apoptotischer Proteine Modulation des p53-Signalweges Bcl-2 Familien Proteine Bcl-2 Bcl-xL Mcl-1 p53 Lösliche Todesrezeptoren Soluble CD95 DcR3 Modulation des PI3K/Akt-Signalweges IAPs Survivin cIAP2 ML-IAP Flip INK4A/ARF ASPP PI3K PTEN AKT Unterdrückung pro-apoptotischer Proteine Weitere Mechanismen Bcl-2 Familien Proteine Bax, Nbk Expression von Transportern: Caspase-3 Caspase-8 Änderung der NF-κ κB Aktivität Apaf-1 Caspasen Todesrezeptoren CD95 TRAIL-1 TRAIL-R2 Extrazelluläre Matrix MDR MRPs Mechanismen der Tumorresistenz MDRÜberexpression Bcl-2Überexpression Anthracycline Methotrexate Topoisomeraseinhibitoren Akkumulation Primärziele Apoptose Cytarabin Nukleus γ-Bestrahlung Chemotherapeutika Caspasen DNA Schaden Mitochondrium PUMA Pro-apoptotische Bcl-2-Proteine Cytochrom cFreisetzung Apoptose-Assoziierte Therapeutika Zielprotein Principle / compound Company Code Name Effects TRAIL-R1 activation, single-chain monoclonal antibody Cambridge Antibody Techn. Group TI-1, TI-2 - Application of anti-TRAIL receptor 1 scFv monoclonal antibodies for treatment of human cancers - 6 lead mAbs were identified and shown to induce apoptosis in tumor cell lines with IC50 values from 1.5 to 73 nM. Caspases Caspase inhibitor Idun IDN-5370 IDN-1965 -protective towards apoptosis in cortical- and synaptic neurons -reduces infarct size in a rodent ischemia/reperfusion model -protects from CD95-induced death and liver damage in murine systems Caspases Caspase inhibitor Vertex VX-799 -a potent small molecule caspase inhibitor -VX-799 is effective in several animal models of bacterial sepsis -clinical trials in preparation Caspase-3 selective caspase-3 inhibitor Merck Frosst MF-286 MF-867 -highly selective caspase-3 dipeptide inhibitor -IC50 value: 6 nM, strongly reduces mortality in sepsis models Caspase-3 caspase-3 linked to an antibody Immunex Bcl-2 as 18-meroligonucleotide Genta Inc. Survivin antisense oligonucleotides Isis - caspase-3 linked to the antibody Herceptin tested in animal tumor models G-3139 Genasense -promising phase I/II results in combination with chemotherapy -in phase III trials for malignant melanoma Induction of apoptosis in most tumor cell lines Der Todesligand TRAIL und seine Perspektive in der Krebstherapie Charakteristika des TRAIL-Systems • keine in vivo Toxizität (Tiermodelle) Mausmodell: Belastbarkeit bis 30 mg/kg/Tag Primatenmodell: Belastbarkeit bis 10 mg/kg/Tag (höhere Belastbarkeit nicht ausgeschlossen) • keine Immunogenität • wirksam gegen ca. 50% der getesteten Tumortypen (Zellinienmodell) • starke Synergieeffekte in Kombination mit Chemo- und Strahlentherapie • Pharmakokinetik T1/2 im Plasma 32 min (Primatenmodell: Cynomolgus Affen) DR 6 TR AI LR 1 TR A IL -R 2 C D 95 TR A M P TN FR 1 Die Todesrezeptoren TRAIL ist nicht toxisch für normale humane Zellen Brustepithel Lungenfibroblasten Skelettmuskulatur Nierenepithel Relatives Überleben Brustadenokarzinom Astrocytom Autophagie Überlebens und Zelltodmechanismus! • • Zeitgleich mit der Entdeckung von Lysosomen (etwa 1966) Physiologische Rolle für Homöostase (etwa 1977) Autophagie Überlebens und Zelltodmechanismus! • • Zeitgleich mit der Entdeckung von Lysosomen (etwa 1966) Physiologische Rolle für Homöostase (etwa 1977) WT Autophagie defizient Autophagie Apoptose: Autophagie: Typ I programmierter Zelltod (PCD I) Typ II programmierter Zelltod (PCD II) Autophagie wird ausgelöst durch: Nährstoffmangel, oxidativer Stress, Proteinaggregate, Bestrahlung, etc. Konservierter Mechanismus, vorwiegend in Hefe studiert (Marko)Autophagie vs. Mikroautophagie Autophagie / Autophagosom Phagophor = pre-autophagosomale Struktur = PAS Spezielle Arten der Autophagie Mitophagie Xenophagie Autophagie: 3 Phasen Beclin-1 = ATG6 LC-3 = ATG8 VPS34 = PI3KC3 Phase I: Initiation Beclin-1 = ATG6 LC-3 = ATG8 VPS34 = PI3KC3 Phase I: Initiation Phase II: Aktivierung und Konjugierung „E1“ aktivierend Beclin-1 = ATG6 „E2“ konjugierend LC-3 = ATG8 PE = Phosphatidyl-Ethanolamin VPS34 = PI3KC3 Exkurs: Ubiquitin-ähnliche Proteine Konjugierbare Ubiquitin ähnliche Proteine (Ubls) Name Identität/% Funktion Ubiquitin 100 Abbau, Regulation NEDD8 58 Regulation von E3s SUMO-1 18 Regulation (blockiert Ub) SUMO-2, -3 16 Regulation (Transkription) ATG8 / ATG12 10 Autophagie Exkurs: Ubiquitin-ähnliche Proteine Ubls Name Identität/% Ubiquitin 100 NEDD8 58 SUMO-1 18 SUMO-2, -3 16 ATG8 / ATG12 10 Ubiquitin SUMO-1 NEDD8 Phase III: Reife ATG1 Beclin-1 = ATG6 LC-3 = ATG8 PE = Phosphatidyl-Ethanolamin VPS34 = PI3KC3 Konservierte Proteine in der Autophagie Pathophysiologische Rolle LAMP-2: Danon‘sche Krankheit Geisitge Retardierung, Herzinsuffizienz, ... Beclin-1: ist mono-allelisch deletiert in 40-70% aller Brust- und Eierstockkarzinome Apoptose und Autophagie Apoptose und Autophagie Das ER als Apoptose-Induktor Die Rolle von Bcl-2 Proteinen für den ER-Stress Die Rolle von Bcl-2 Proteinen für den ER-Stress Die Rolle von Bcl-2 Proteinen für den ER-Stress Autophagie Literatur • „Caspases, executioners of apoptosis,“ Gerry M. Cohen, Biochem J (1997) • „The protein structures that shape caspase activity, specifity, activation and inhibition“, Pablo Fuentes-Prior and Guy S. Salvesen, Biochem J (2004) • „Ways of dying: multiple pathways to apoptosis,“ Jerry M. Adams, Genes Dev (2003) • „The Bcl-2 family: roles in cell survival and oncogenesis“, Suzanne Cory, David CS Huang and Jerry M. Adams, Oncogene (2003) • „The domains of Apoptosis.“ John C. Reed, Kutbuddin S. Doctor and Adam Godzik; Science‘s stke (2004) Das ER in der Apoptose Apoptosemodulation durch intrazelluläre Bakterien Salmonella Shigella Yersinia YopJ/P SipB IpaB TRAF-2 RIP Procaspase-1, -2 Aktive Caspase-1, -2 Iκ κB Kinase NF-B Apoptose Zytokine Apoptose Überlebensgene
