Robert Horvitz (2010) - Programmed Cell Death in Development and Disease

Programmed cell death (often referred to as apoptosis) is a normal feature of animal development and tissue homeostasis. The misregulation of cell death has been implicated in a diversity of human disorders, including cancer, autoimmune diseases, heart attacks, stroke and neurodegenerative diseases

Hans, thank you for the introduction, and to the Countess and Count, I’d like to thank you very much for inviting me to join this wonderful celebration and for inviting all of us who are here. I must say that I’m very delighted to have had the opportunity and I look forward to the continuing times of interacting with the truly outstanding and interesting students who are gathered at this meeting. Now, in the context of advice and thinking a little about what Roger Tsien talked about earlier today, I think I very briefly will cite the advice I was given when I was a graduate student by my PhD advisor, Jim Watson, who is known for the Watson Crick double helix. And Jim basically said: In choosing a problem to think primarily about two things. First, the problem should be important, because it’s no harder to work on an important problem than on a non-important problem. And secondly, the problem must be tractable, because no matter how important the problem, if you can’t make headway it won’t help. Now, that’s not to say that the problem has to be easily tractable and you may have to innovate to make it tractable, but if you can’t make it tractable, nothing is likely to come of it. So what I’m going to do this morning is tell you a little about a problem called programmed cell death. And I’ll focus on findings from our research lab. Talking mostly about some historical findings, but also trying to at the end bring you up to date with a message that basically says “science doesn’t end”. Discoveries lead to progress, but always I think to incomplete stories. And inform us better about what questions to ask going forward. So let me make some introductory comments about programmed cell death. Programmed cell death refers to the cell death that occurs as a normal aspect of the development of animals. And also to other cell deaths that use the same mechanisms as used in those naturally occurring cell deaths. And there are many examples of programmed cell death in biology. For example, if you think about the metamorphosis of a tadpole into a frog. The tail of the tadpole is lost, that tail consists of cells, the fundamental units of life, and those cells die. If you think about the development for example of a human embryo and a baby, in utero, between our digits, between fingers and toes there are cellular regents that make for webs and those cells die so that our fingers and toes become separate. This regulation can be controlled among species, so that if you think for example about ducks, some have webbed feet, very useful for swimming, some do not, and the difference is a difference in the regulation of programmed cell death. In the development of our brains, programmed cell death is very important. As many as 85% of the nerve cells that are generated as the human brain forms, die. In our immune systems, as we sit here today, as many as 95% of certain of the blood cells involved in our immune responses we generate, as many as 95% die by programmed cell death. Programmed cell death is pervasive in biology. And yet I think it’s not so many years ago when biologists thought about cell death, and I probably should say, if biologists thought about cell death, the basic thinking was cell death is not interesting, rather it’s a phenomenon to be avoided because what does a biologist do? Study cells that are alive, if cells die you can’t do your work. That's a problem, but it’s not an interesting problem. What we know today is this is not the way to think about cell death in many cases. Cell death can be an active process on the part of cells that die and particular genes can act in cells to make those cells die. So there is a biology of cell death, every bit as much as there is a biology of other fundamental processes like cell division, cell migration and cell differentiation. Now, where there is a biology there also can be a pathology. Any normal biological process, if it goes wrong in us, can lead to disease and program cell death is no exception to this. There are many diseases now, and this is just a short and somewhat old list, diseases that are known to be associated with abnormalities in cell death. In some cases cells that should live, die, for example neural degenerative diseases, Alzheimer’s, Huntington’s, Parkinson’s, ALS, Amyotrophic Lateral Sclerosis, heart attacks, congestive heart failure, liver diseases, kidney diseases. We can go on and on with disorders in which cells die. And in at least some of these disorders, but not necessarily all, it has been shown that what is going on is an unleashing of the normal developmental program for cell death in the wrong cell types or at the wrong time. Conversely there are disorders in which cells that should die instead live. For example autoimmune disorders. In our immune system we generate cells that have the capacity to recognise cells in our own body. And normally these cells die by program cell death. If they do not autoimmune disease results. Cancer people often think about, as uncontrolled cell division, cells divide and divide and divide leading to too many cells. Well, in fact the number of cells in our tissues is defined by two opposing processes, the process of cell division, which adds cells, and the process of programmed cell death, which removes cells. And the number of cells can be too high, either because of too much cell division or too little cell death. And certain cancers are fundamentally cancers that are caused by too little cell death and it appears today that most if not all cancers involve too little cell death. Furthermore, some of the classic remedies, some of the treatments for cancer, radiation, chemotherapy they act by activating the endogenous process of programmed cell death. So what this says is that an understanding of the biology and the biologic mechanisms that are involved in programmed cell death is very important both to understanding biology and also to understanding and approaching treatments for a broad variety of diseases. So what I’m going to tell you about now is the discovery and characterisation of genes that function in this process of programmed cell death based upon work primarily from my laboratory over the years. And I want to say that we made these discoveries not focused on a human disease and even not focused on studies of a mammal, but rather using a very simple animal, a microscopic nematode or roundworm, known as caenorhabditis elegans. Now, this animal was introduced to modern biology by my friend, colleague and mentor Sydney Brenner, with whom I shared the Nobel Prize. And it was studied in detail by another friend, colleague and mentor, John Sulston. And one thing that John did was to analyse the development of this very simple animal. It turns out this animal contains as an adult only about 1,000 cells, this is to contrast with us, where in our brains alone we have more than 10 to the 11 cells. And what John did was to study the cell lineage. Starting as all organisms do from a single cell, C. elegans divide from 1 cell to 2 to 4 and so on. And this diagram depicts the developmental origin of every cell in the animal. The Y axis here is time and each vertical line terminates in a cell. If you count quickly going across, you will see that there are 959 cells generated in the adult animal and an additional 131 cells that are generated but are not found in the adult animal. These 131 die developmentally by programmed cell death. And this is one thing that John Sulston established. Now, what we did was to seek genes involved in this process, we did this by looking for genetic variance, mutants, abnormal and the patterns of programmed cell death, cells that should live, die or cells that should die live. And in this way we identified four steps in the process of programmed cell death. First, every cell in the animal must decide: I will live or I will die by programmed cell death. Second, for those cells that decide to die, they must literally execute that decision. Thirdly, dying cells, the corpses must be engulfed by neighbouring cells to remove those dying cells from the body of the animal. And fourthly, the macro molecular debris of the cell corps must be degraded. Another way to remember these steps is very simply indicated here. Identify the victim, kill, get rid of the body and destroy the evidence. So that’s the essence of programmed cell death. How did we get there? Well, again we began with genetic studies. This is the nose of an animal and in essence what we did, and by we I mean a graduate student, Hilary Ellis, and all of the story that I will tell you about today was carried out experimentally by young students, graduate students and postdoctoral researchers in the lab. Hilary Ellis is a graduate student. Basically looked for mutants in which those cells that die normally by programmed cell death do not. And what you can see here, depicted with these arrows, are cells that are in the process of undergoing programmed cell death. And here is a mutant in which those cell deaths cannot be seen. This mutant defined a gene which we called CED-3 for cell death abnormal gene number 3. And it turned out that the mutation that perturbed this gene eliminates the function of the gene. So without CED-3 function, cells that should die instead live, this very simply tells us what CED-3 does, CED-3 kills. Without CED-3 function programmed cell death does not occur. In further studies, this finding, let me back up for a moment, this finding lead to a very important conclusion because it said since programmed cell death requires the function of a specific gene, this means that programmed cell death is an active biologic process. Cells are not dying by default, something biologic is going on to cause them to die. We continued our studies, identified a second gene called CED-4 which behaves very similarly to CED-3, it too is required for killing. Then another graduate student, Junying Yuan, asked where do these killer genes function. Do they function essentially as suicide genes within the cells that are about to die or do they function elsewhere in the body, perhaps sending some signal throughout the body, telling certain cells to die. And what she found was the answer is the former, both of these genes act within cells that are going to die, saying that to at least this extent programmed cell death is a process of cellular suicide. Junying Yuan and another graduate student, Shai Shaham, then characterised the CED-3 gene molecularly and discovered that the CED-3 protein looks like a protein just discovered, actually we had to wait for its discovery, by two pharmaceutical companies interested in human inflammatory diseases. The CED-3 protein is similar to a protein known as ICE, interleukin-1 beta converting enzyme. This is a protease, we heard a little about proteases from Roger earlier this morning. And this finding told us that CED-3 likely acts as a protease cutting up other proteins to drive the process of programmed cell death and post doctoral researcher Ding Xue who had previously been trained by Marty Chalfie, from whom we’re going to hear from next, demonstrated that in fact this is the case. It turned out that CED-3 and ICE are the founding members of a family of proteases, today known as caspases and many studies from many laboratories have shown that caspases drive programmed cell death, not only in C. elegans but also probably in all animals, certainly including ourselves. Now, meanwhile we kept looking for genes. CED-4 we characterised molecularly. Four years later, Xiaodong Wang, working in Dallas, Texas, in the US, found the human counterpart of CED-4. It looks similar and like CED-4, it can drive the process of programmed cell death, which I should say often is referred to by a word that has four syllables, beings with A, and is pronounced in at least seven different ways. I’ll leave it to you to choose how you would like to pronounce this. The Greek speakers in the room have probably the right answer, which none of the rest of us ever use. Then Ron Ellis, a graduate student in the lab, found another cell death gene. And this one was different from CED-3 and CED-4, instead of being a killer, it is a protector, it protects cells against programmed cell death. Graduate student Michael Hengartner cloned this gene CED-9 and discovered it looks like a human cancer gene. A gene called Bcl-2, Bcl stands for B-cell lymphoma and this is a cancer gene that causes cancer by causing B-cells in our immune systems to not die. And that survival of these cells leads to their proliferation and the cancer is state and Bcl-2 like CED-9 protects against cell death. Now, people sometimes have asked me if you ever had an ah-ha moment, eureka, discovery, you know you’re on to something that’s important. And the answer here is that on February 12th 1992 I was attending a conference and graduate student Michael Hengartner was doing something worthwhile. He was working in the lab, he had identified the CED-9 sequence, he did a computer search at this relatively early data base and he sent me this fax at the meeting which says, ‘guess what ends up at the top of the search, the answer human Bcl-2’. And this was the moment that we knew we not only were discovering a fundamental biological pathway in C.elegans that had some counterparts but also that this pathway we were working on was going to be very important in the context of human disease and at this point in particular in the context of cancer. Now, the similarity between CED-9 and Bcl-2, both had similar sequence information, both protected against cell death, led us to ask the question how close are these genes really. And we were able to show that the human Bcl-2 gene, if expressed in C. elegans, would work and furthermore if expressed in a C. elegans mutant defective in CED-9 function, Bcl-2 would substitute for the worm gene. The fact that the human gene could substitute for the worm gene said not only are these genes piecemeal similar, but also there must be similar pathways. And we then worked out the basic pathway and this core pathway looks as indicated here. CED-3 caspase kills, CED-4 kills by promoting the activity of CED-3 and CED-9 protects by preventing CED-4 from promoting the activity of CED-3. We kept looking. Next we found in work from post doc Barbara Conradt, a third killer gene called egl-1. And what Barbara discovered was that egl-1 acts in the pathway at a different point than the other 2 killer genes, before rather than after CED-9. So egl-1 kills by preventing CED-9 from preventing CED-4 from activating CED-3. And this then proved to be the core molecular genetic pathway for programmed cell death and subsequent experiments by a variety of labs showed that these proteins each interact physically sequentially. Egl-1 with CED-9, CED-9 with CED-4, CED-4 to CED-3. And so this is both a biochemical and a genetic pathway for this core component of programmed cell death. Now, with this information one can begin to think about applications to medicine. And the biotechnologies in pharmaceutical industries took note, in fact the day we published our paper about CED-3 is a caspase. I received telephone calls from five pharmaceutical companies, including one from an old friend who said: Since then, a variety of companies have pursued the human counterparts of these players in attempts to discover and develop therapies. For example caspases are killers, so that if you could inhibit a caspase, you could prevent diseases that have too much programmed cell death. The clinical efforts that have gone furthest, are actually in the context of liver diseases in programs that are active today. Conversely, if you could inhibit a CED-9 Bcl-2-like protective protein, you could activate cell death in cells that were otherwise being protected, inhibition of Bcl-2 family members is an active area of interest for cancer and there are a number of anti Bcl-2 programs that are currently in what to my eye look very promising clinical trials for certain specific cancers. Ok, now let’s go on beyond this core pathway. Very succinctly, this is just the beginning, the next step, that of engulfment of phagocytosis of the cell corps, we also have worked out in some detail, we have studied what happens upstream of this core pathway and it turns out that that first step of egl-1 driving the pathway is regulated by cell type in a very specific way. At the level of gene expression with specific transcription factors controlling this process. Different cells are controlled by different transcription factors. We have worked out many cases in C. elegans. In each of these cases we find human counterparts and many of these cases the human counterparts are shown to also act in cell death and apoptosis and human disease. Most of the ones that we’ve characterised are players in cancer, here’s one set of cells, here’s a second set of cells, but that’s not always the case and without going through the details, here is a picture of how this first killer gene in the killing pathway is regulated by different transcription factors in different cell types. We go on to another story, to ask if the generalisation, specific control of this gene egl-1 and cancer is generalisable and the answer is not always. There are always, as we have heard this morning already, surprises and I won’t go through the details. But in fact here is a case where we studied a particular kind of nerve cell death, a neuron in the head of the male that he uses to chemically sense the presence of the opposite sex. And in the other sex, which is not female but hermaphrodite, these cells are generated but die, so this is sexually dimorphic programmed cell death. And the primary regulation of this cell death is not the control of the egl-1 killer gene, but rather down stream the control of the gene CED-3. And this is work both done by Hillel Schwartz, a graduate student in my lab, and Barbara Conradt, who had been a post doc in my lab, working independently. And interestingly, when we ask about human counterparts now and human disease, there are counterparts, but the disorder at least from what's been seen in studies of mice, is not cancer, but rather a neurologic disorder, deafness. If the counterpart in mice is inactivated, the mouse is deaf, the reason is that the hair cells in the ear die and what it looks like, but this is still a work in progress, not by us but by the people who are interested in mice and deafness. What it looks like is that these hair cells are dying because the process of programmed cell death is activated and that leads to the deafness. And this story comes again, the understanding of this story comes from the study of a sexually dimorphic programmed cell death in C. elegans. Now, to go from there, many more genes, much pathway, human counterparts, various diseases, big picture and then is this it. And the fundamental answer and what I said at the beginning is discovery leads to exception, leads to new discovery. As we look very carefully, we find that even in the absence of the CED-3 caspase there is some programmed cell death. Furthermore, the entire pathway that I’ve told you about is not needed for these few programmed cell deaths. There are other caspases encoded by the C. elegans genome and we have eliminated all of them and there is still programmed cell death. So no caspase, no core pathway, still a little bit of programmed cell death. What do these cell deaths look like, there are various criteria for defining the landmark morphological set of changes associated with programmed cell death apoptosis, these are apoptotic deaths by every criterion we can test. And yet this core fundamental pathway is not needed, there is some other way to get there. We have some hints about how this pathway is activated, but the mechanism we do not know and that means we’re not out of business yet, there’s still more things to discover. So with that I want to make one over reaching statement. The studies that we did were fundamentally basic research. We did not target any disease, we worked on an organism that at the point I started was not only obscure but people thought irrelevant. The studies we did were fundamentally genetic in nature at the beginning, genetic studies are often abstract and formalisms. I didn’t know if what we found would be relevant to any organism other than C. elegans and yet our findings have established mechanisms that appear to be universal amongst animals and that are providing the basis for a variety of explorations into new treatments for a very broad variety of human diseases. And I think there is a very fundamental message here and one I hope that every one in the audience, students and the rest of us, will always keep in mind, be it for defining our own research programs or in following the advice we heard at dinner last night, and talking to funding agencies and the public. Basic research is the driver, I wrote here of biomedical knowledge, but for this audience I would say of scientific knowledge. Basic research, curiosity based research is the future of all that we can and will know and it is crucially important for intellectual reasons and for pragmatic socioeconomic reasons that basic research be supported appropriately from those sources that are best suited to do this and that in my view is national governments. So with that little bit what I want to do is to end by showing you a celebratory reunion from 2002, thank you Hans for helping in making that party possible and also I list here those people currently in and previously in the lab, whose work I alluded to day, our studies for programmed cell death have been but one of a variety of adventures we’ve had and certainly one of the ones that has been most rewarding and most existing. And I’ll stop with that and thank you very much.

Hans, vielen Dank für die Einleitung. Ihnen, Frau Gräfin, Herr Graf, möchte ich ganz herzlich dafür danken, dass Sie mich eingeladen haben, an dieser wunderbaren Feier teilzunehmen, und dass Sie uns alle, die wir hier sind, eingeladen haben. Ich muss sagen, ich bin überglücklich, dass ich die Chance hatte, mit den wirklich brillanten und interessanten Studenten zu diskutieren, die bei dieser Zusammenkunft versammelt sind, und ich freue mich auf die weiteren Gelegenheiten. Aufgrund von entsprechenden Hinweisen und in Gedanken an das, wovon Roger Tsien heute bereits gesprochen hat, werde ich ganz kurz den Ratschlag zitieren, den ich als Doktorand von meinem Doktorvater Jim Watson bekam, der für die Watson-Crick-Doppelhelix bekannt ist. Im Wesentlichen sagte Jim, dass man bei der Wahl eines Problems vor allem zwei Dinge bedenken sollte: Erstens sollte das Problem von Bedeutung sein, denn es ist nicht schwieriger, an der Lösung eines wichtigen Problems zu arbeiten als an der Lösung eines unwichtigen Problems. Und zweitens muss das Problem lösbar sein. Denn wenn man nicht vorankommt, hilft alles nichts, egal, wie groß die Bedeutung des Problems ist. Das heißt nun nicht, dass das Problem einfach und leicht zu lösen sein muss. Möglicherweise muss man neue Wege gehen, um es lösbar zu machen. Wenn einem das jedoch nicht gelingt, wird man vermutlich zu keinem Ergebnis kommen. Ich werde Ihnen also heute Vormittag ein wenig über ein Problem erzählen, das als programmierter Zelltod bezeichnet wird. Dabei werde ich mich auf Forschungsergebnisse unseres Labors konzentrieren. Hauptsächlich werde ich von historischen Forschungsergebnissen berichten, aber ich werde auch versuchen, Sie am Ende auf den neuesten Stand zu bringen, und zwar mit einer Botschaft, die im Wesentlichen besagt, dass die Wissenschaft nie an ein Ende kommt. Entdeckungen führen zu Fortschritt, aber, meiner Ansicht nach, immer zu unvollständigen Beschreibungen: Sie verschaffen uns ein besseres Wissen darüber, welche Fragen wir stellen sollten, wenn wir weiter voranschreiten. Lassen Sie mich also zunächst einige einleitende Bemerkungen zum Thema des programmierten Zelltods machen. Als "programmierten Zelltod" bezeichnet man denjenigen Zelltod, der als ein normaler Aspekt der Entwicklung von Tieren vorkommt, sowie auch andere Zelltode, die sich derselben Mechanismen bedienen, die in jenen sich natürlich ereignenden Zelltoden eingesetzt werden. In der Biologie gibt es viele, viele Beispiele für programmierte Zelltode. Denken Sie zum Beispiel an die Metamorphose von einer Kaulquappe zu einem Frosch. Dabei verschwindet der Schwanz der Kaulquappe. Dieser Schwanz besteht aus Zellen, den grundlegenden Einheiten des Lebens, und diese Zellen sterben. Oder denken Sie beispielsweise an die Entwicklung eines menschlichen Embryos und eines Babys im Uterus. Zwischen unseren Digiti, den Fingern und Zehen, gibt es Zellregionen, die sich zu einer Schwimmhaut entwickeln, und jene Zellen sterben, so dass unsere Finger und Zehen voneinander getrennt werden. Diese Regulierung kann bei den verschiedenen Arten unterschiedlich gesteuert werden. Wenn Sie zum Beispiel an Enten denken, so haben einige Schwimmhäute, die beim Schwimmen sehr nützlich sind, und andere haben keine. Der Unterschied ist ein Unterschied in der Regulierung des programmierten Zelltods. Bei der Entwicklung unseres Gehirns ist der programmierte Zelltod von großer Bedeutung. Bis zu 85 % der Nervenzellen, die bei der Entstehung des menschlichen Gehirns gebildet werden, sterben. In unserem Immunsystem, so, wie wir heute hier sitzen, sterben bis zu 95 % von bestimmten Blutzellen, die an unseren Immunreaktionen beteiligt sind und die wir bilden, durch programmierten Zelltod. Programmierter Zelltod ist in der Biologie allgegenwärtig. Dennoch ist es, wie ich glaube, noch nicht so lange her, dass, wenn Biologen sich mit Zelltod beschäftigten - und wahrscheinlich sollte ich sagen: falls Biologen sich mit Zelltod beschäftigten -, der Grundgedanke war, dass Zelltod nicht interessant sei. Vielmehr handle es sich dabei um ein Phänomen, das man meiden sollte, denn was tut ein Biologe? Er untersucht lebende Zellen, und wenn Zellen sterben, kann er seine Arbeit nicht machen - das ist ein Problem, aber kein spannendes Problem. Heute wissen wir, dass dies in vielen Fällen nicht die richtige Herangehensweise für eine Beschäftigung mit dem Tod von Zellen ist. Zelltod kann ein von den sterbenden Zellen selbst aktiv betriebener Prozess sein. Bestimmte Gene können in den Zellen wirksam werden, um die Zelle sterben zu lassen. Folglich gibt es ebenso eine Biologie des Zelltods wie es eine Biologie anderer grundlegender Vorgänge wie Zellteilung, Zellmigration und Zelldifferenzierung gibt. Nun: Wo es eine Biologie gibt, da kann es auch eine Pathologie geben. Jeder normale biologische Vorgang kann, wenn er fehlschlägt, bei uns zu einer Erkrankung führen, und programmierter Zelltod stellt hiervon keine Ausnahme dar. Es gibt viele Krankheiten, wobei das Folgende nur eine kurze und etwas veraltete Liste ist, von denen man weiß, dass sie mit Abnormalitäten in Bezug auf den Tod von Zellen in Verbindung stehen. In einigen Fällen sterben Zellen, die leben sollten. Dies ist der Fall bei degenerativen Erkrankungen des Nervensystems: bei der Alzheimer-Krankheit, Chorea Huntington, Parkinson-Krankheit, Amyotrophe Lateralsklerose, Herzinfarkt, Herzinsuffizienz, Erkrankungen der Leber und der Nieren. Wir haben eine nicht enden wollende Liste von Krankheiten, bei denen Zellen absterben. Und zumindest für einige dieser Erkrankungen, jedoch nicht notwendigerweise für alle, hat man nachgewiesen, dass das normale Entwicklungsprogramm für den Zelltod in den falschen Zellen oder zur falschen Zeit ausgelöst wird. Umgekehrt gibt es Krankheiten, bei denen Zellen, die sterben sollten, stattdessen weiterleben. Ein Beispiel sind Autoimmunerkrankungen. Wir erzeugen in unserem Immunsystem Zellen, die über die Fähigkeit verfügen, Zellen in unserem eigenen Körper zu erkennen. Im Normalfall sterben diesen Zellen durch programmierten Zelltod. Tun sie dies nicht, führt dies zu Erkrankungen des Autoimmunsystems. Was Krebs betrifft, so halten viele Leute diese Krankheit für unkontrollierte Zellteilung - Zellen teilen und teilen und teilen sich, und dies führt dazu, dass zu viele Zellen entstehen. Tatsächlich wird die Anzahl der Zellen in unseren Geweben durch zwei entgegengesetzte Prozesse bestimmt: durch den Prozess der Zellteilung, durch den Zellen hinzugefügt werden, und durch den Prozess des programmierten Zelltods, durch den Zellen entfernt werden. Und die Anzahl der Zellen kann zu groß sein, weil entweder zu viele Zellteilungen stattfinden oder weil zu wenige programmierte Zelltode eintreten. Bestimmte Krebsarten sind im Grunde Krebsarten, die sich als Folge von zu wenigen Zelltoden ergeben. Heute scheint es so, dass die meisten, wenn nicht sogar alle Krebsarten etwas damit zu tun haben, dass zu wenige Zelltode eintreten. Darüber hinaus entfalten einige der klassischen Heilmittel, einige der Behandlungsformen bei Krebs - Bestrahlung, Chemotherapie - ihre Wirkung, indem sie den endogenen Prozess des programmierten Zelltods aktivieren. Das heißt, dass ein Verständnis der Biologie des programmierten Zelltods und der daran beteiligten biologischen Mechanismen sehr wichtig ist: sowohl für das Verständnis der Biologie als auch, um Behandlungsmethoden für die unterschiedlichsten Krankheiten zu erkennen und anzugehen. Ich werde Ihnen also nun, in erster Linie basierend auf der über Jahre in meinem Labor durchgeführten Forschungsarbeiten, von der Entdeckung der Gene berichten, die in diesem Prozess des programmierten Zelltods eine Rolle spielen, und sie beschreiben. Ich möchte dazu sagen, dass wir uns nicht auf eine Erkrankung des Menschen und noch nicht einmal auf Studien eines Säugetiers konzentrierten, als wir diese Entdeckungen machten. Vielmehr beschäftigten wir uns in unseren Untersuchungen mit einem sehr einfachen Tier, einem mikroskopisch kleinen Nematoden oder Spulwurm mit dem Namen Caenorhabditis elegans. Dieses Tier wurde von meinem Freund, Kollegen und Mentor Sydney Brenner, mit dem ich den Nobelpreis teilte, in die moderne Biologie eingeführt. Und es wurde von einem anderen Freund, Kollegen und Mentor, John Sulston, ausführlich studiert. Unter anderem analysierte John die Entwicklung dieses sehr einfachen Tiers. Es stellte sich heraus, dass es im adulten Stadium nur ungefähr 1000 Zellen besitzt. Im Gegensatz dazu besitzen wir allein in unserem Gehirn mehr als 1011 Zellen. Und John studierte die Zelllinie. Wie alle Organismen nimmt C. elegans in einer einzigen Zelle seinen Anfang und teilt sich dann von einer Zelle in zwei, dann in vier und so fort. Dieses Schaubild stellt den Ursprung der Entwicklung einer jeden Zelle des Tieres dar. Die Y-Achse hier ist die Zeit, und jede vertikale Linie endet in einer Zelle. Wenn Sie rasch nachzählen, werden Sie feststellen, dass es im adulten Tier 959 Zellen gibt, die gebildet wurden, und weitere 131 Zellen, die zwar gebildet wurden, aber nicht in dem adulten Tier zu finden sind. Diese 131 sterben im Laufe der Entwicklung durch programmierten Zelltod. Dies wurde von John Sulston bewiesen. Was wir nun taten, war, nach den an diesem Prozess beteiligten Genen zu suchen, indem wir nach genetischen Abweichungen, Mutationen und Abnormalitäten und den Mustern des programmierten Zelltods Ausschau hielten. Zellen, die leben sollen, sterben, und Zellen, die sterben sollen, leben. Auf diese Weise identifizierten wir vier Schritte im Prozess des programmierten Zelltods. Als erstes muss jede Zelle dieses Tieres entscheiden: "Ich werde leben" oder "Ich werde durch programmierten Zelltod sterben". Als zweites müssen jene Zellen, die sich entscheiden zu sterben, diese Entscheidung buchstäblich vollstrecken. Drittens müssen die Leichen der sterbenden Zellen von den benachbarten Zellen umflossen und verschlungen werden, um jene sterbenden Zellen aus dem Körper des Tiers zu entfernen. Und viertens müssen die makromolekularen Trümmer der Zellleichen abgebaut werden. Eine andere Methode, um sich diese Schritte zu merken, ist hier auf ganz einfache Art und Weise angegeben: Man identifiziere das Opfer, töte es, beseitige die Leiche und vernichte die Beweise. Dies sind die wesentlichen Schritte des programmierten Zelltods. Wie gelangten wir dorthin? Nun, wiederum begannen wir mit genetischen Studien. Dies ist die Nase eines Tiers. Wir taten im Wesentlichen Folgendes - und mit "wir" meine ich hier eine Doktorandin, Hilary Ellis, denn alles, wovon ich Ihnen heute berichte, wurde experimentell von jungen Studenten, Doktoranden und Postdoktoranden im Labor durchgeführt. Hilary Ellis ist eine Doktorandin. Wir suchten vor allem nach Mutanten, bei denen die Zellen, die normalerweise durch programmierten Zelltod sterben, dies nicht tun. Was Sie hier, mit diesen Pfeilen bildlich dargestellt, sehen können, sind Zellen, die im Begriff sind, ihren programmierten Zelltod zu erleiden. Hier ist ein Mutant, in dem diese Zelltode nicht zu sehen sind. Dieser Mutant definierte ein Gen, das wir ced-3 nannten: Zelltod-Abnormalitäts-Gen ("cell death abnormal gene") Nummer 3. Es stellte sich heraus, dass die Mutation, die dieses Gen störte, die Funktion des Gens eliminiert. Ohne ced-3-Funktion leben Zellen, die eigentlich sterben sollen. Dies sagt uns auf einfache Weise, was ced-3 tut: ced-3 tötet. Ohne ced-3-Funktion findet der programmierte Zelltod nicht statt. In weiteren Studien führte dieses Forschungsergebnis - lassen Sie mich für einen Augenblick zurückgehen - zu einer sehr bedeutsamen Schlussfolgerung, denn es besagte, dass programmierter Zelltod die Funktion eines bestimmten Gens voraussetzt. Das bedeutet, dass programmierter Zelltod ein aktiver biologischer Prozess ist. Zellen sterben nicht automatisch. Ein biologischer Prozess läuft ab, um ihren Tod zu bewirken. Wir setzten unsere Studien fort und identifizierten ein zweites Gen, das als ced-4 bezeichnet wird und sich ganz ähnlich wie ced-3 verhält. Auch dieses Gen ist für das Töten [von Zellen] erforderlich. Dann stellte eine andere Doktorandin, Junying Yuan, die Frage, wo diese Killergene wirken. Wirken sie im Wesentlichen als Selbstmord-Gene im Inneren der Zellen, die sterben werden, oder wirken sie an einem anderen Ort im Körper und senden vielleicht irgendein Signal durch den Körper, das bestimmte Zellen auffordert zu sterben? Wie sie herausfand, ist Ersteres die Antwort. Beide Gene agieren in den Zellen, die im Begriff sind zu sterben. Dies zeigt, dass zumindest insoweit programmierter Zelltod ein Prozess des Selbstmords einer Zelle ist. Junying Yuan und ein anderer Doktorand, Shai Shaham, beschrieben dann die ced-3-Gene auf Molekularebene und stellten fest, dass das ced-3-Protein einem soeben entdeckten Protein ähnlich sah. Tatsächlich mussten wir darauf warten, dass es von zwei Pharmakonzernen entdeckt wurde, die sich für entzündliche Erkrankungen des Menschen interessierten. Das ced-3-Protein ähnelt einem als ICE (= "Interleukin-1 beta converting enzyme", Interleukin-1 beta umwandelndes Enzym) bekannten Protein. Dabei handelt es sich um eine Protease - wir haben heute Morgen von Roger etwas über Proteasen erfahren. Dieses Ergebnis verriet uns, dass ced-3 wahrscheinlich wie eine Protease funktioniert und andere Proteine aufspaltet, um den Prozess des programmierten Zelltods voranzutreiben. Ding Xue, ein Postdoktorand, der zuvor von Martin Chalfie, der als nächster zu uns sprechen wird, ausgebildet worden war, wies nach, dass dies tatsächlich der Fall ist. Es stellte sich heraus, dass ced-3 und ICE die Gründungsmitglieder einer Familie von Proteasen sind, die heute als Caspasen bekannt sind. Viele Studien vieler Labore haben gezeigt, dass Caspasen programmierten Zelltod vorantreiben - nicht nur bei C. elegans, sondern wahrscheinlich bei allen Tieren, uns eingeschlossen. In der Zwischenzeit suchten wir weiterhin nach Genen. ced-4 beschrieben wir auf der Molekularebene. Vier Jahre später entdeckte Xiaodong Wang, der in Dallas (Texas, USA) arbeitete, das Gegenstück zu ced-4 beim Menschen. Das Protein sieht ähnlich aus und kann wie ced-4 den Prozess des programmierten Zelltods vorantreiben, der, wie ich erwähnen sollte, häufig mit einem Wort bezeichnet wird, das vier Silben umfasst, mit dem Buchstaben A beginnt und auf wenigstens sieben verschiedene Arten ausgesprochen wird. Ich überlasse es Ihnen, sich auszusuchen, wie Sie es aussprechen möchten. Jene in diesem Raum, die Griechisch sprechen, kennen wahrscheinlich die richtige Aussprache, die keiner der Restlichen von uns jemals verwendet. Dann entdeckte Ron Ellis, ein Doktorand in unserem Labor, ein weiteres Zelltod-Gen. Dieses unterscheidet sich von ced-3 und ced-4. Es ist kein Killer, sondern ein Beschützer. Es schützt Zellen vor programmiertem Zelltod. Der Doktorand Michael Hengartner klonte dieses Gen ced-9 und stellte fest, dass es wie ein Krebs-Gen beim Menschen aussieht - wie ein Bcl-2 (= "B-cell lymphoma 2", B-Zellen-Lymphom-2) genanntes Gen. Bcl steht für B-Zellen-Lymphom. Es ist ein Krebs-Gen, das Krebs auslöst, indem es dafür sorgt, dass B-Zellen in unserem Immunsystem nicht sterben. Das Überleben dieser Zellen führt zur Wucherung dieser Zellen und zu einem Krebsgeschwür, und das Bcl-ähnliche ced-9 schützt Zellen vor dem Zelltod. Nun hat man mich manchmal gefragt, ob ich jemals einen Aha-Moment, ein Heureka!, eine Entdeckung erlebte - das Wissen, dass man etwas Wichtigem auf der Spur ist. Die Antwort darauf lautet, dass ich am 12. Februar 1992 eine Konferenz besuchte und der Doktorand Michael Hengartner etwas tat, das den Aufwand wert war. Er arbeitete im Labor, er hatte die ced-9-Sequenz identifiziert, er führte eine computergestützte Suche in dieser relativ frühen Datenbank durch und er sandte mir in das Meeting dieses Fax mit dem Wortlaut: Und dies war der Augenblick, in dem wir erkannten, dass wir nicht nur im Begriff waren, einen grundlegenden biologischen Mechanismus bei C. elegans zu entdecken, zu dem es einige Gegenstücke gab, sondern dass dieser Mechanismus, an dem wir forschten, auch sehr wichtig im Zusammenhang mit Erkrankungen des Menschen sein würde, an diesem Punkt insbesondere im Zusammenhang mit Krebs. Die Ähnlichkeit zwischen ced-9 und Bcl-2 - beide verfügten über eine ähnliche Sequenzinformation, beide schützten vor Zelltod - veranlasste uns, die Frage zu stellen, wie eng diese beiden Gene tatsächlich miteinander verwandt waren. Und wir konnten zeigen, dass das menschliche Bcl-2-Gen, wenn es in C. elegans exprimiert wurde, wirksam war. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass Bcl-2, wenn es in einem Mutanten von C. elegans, dem die ced-9-Funktion fehlte, exprimiert wurde, das Wurmgen ersetzte. Die Tatsache, dass das menschliche Gen das Wurmgen ersetzen konnte, besagte nicht nur, dass diese Gene sich Stück für Stück ähnelten, sondern auch, dass es hier ähnliche Mechanismen geben musste. Danach erarbeiteten wir den grundlegenden Mechanismus, und dieser zentrale Mechanismus sieht aus, wie es hier dargestellt ist. Ced-3-Caspase tötet, ced-4 tötet, indem es die Aktivität von ced-3 fördert, und ced-9 schützt, indem es ced-4 daran hindert, die Aktivität von ced-3 zu fördern. Wir suchten weiter. Als nächstes entdeckten wir, durch die Forschungsarbeit der Postdoktorandin Barbara Conradt, ein drittes Killergen - egl-1. Barbara fand heraus, dass egl-1 in diesem Mechanismus an einem anderen Punkt wirkt als die beiden anderen Killergene, nämlich vor statt nach ced-9. Egl-1 tötet also, indem es ced-9 daran hindert, ced-4 daran zu hindern, ced-3 zu aktivieren. Und dies erwies sich als der zentrale molekulargenetische Mechanismus für programmierten Zelltod. Anschließende Experimente einer Vielzahl von Laboren zeigten, dass diese Proteine der Reihe nach jeweils physikalisch miteinander interagieren: egl-1 mit ced-9, ced-9 mit ced-4, ced-4 mit ced-3. Somit handelt es sich hier um einen sowohl biochemischen als auch genetischen Mechanismus für diese zentrale Komponente des programmierten Zelltods. Mit diesen Informationen kann man nun anfangen, über die Bedeutung für die Medizin nachzudenken. Und die biotechnologischen Abteilungen der Pharma-Industrien nahmen Notiz von unseren Ergebnissen. In der Tat erhielt ich an dem Tag, als wir unseren Aufsatz darüber, dass ced-3 eine Caspase ist, veröffentlichten, Anrufe von fünf Pharma-Unternehmen, darunter einen von einem alten Freund, welcher mir sagte: "Bob, ich habe hier 100 Leute, die an dieser Caspase ICE forschen - bitte sag' mir, was wir untersuchen." Seitdem sind verschiedene Unternehmen bei ihren Versuchen, Therapien zu entdecken und zu entwickeln, den menschlichen Gegenstücken dieser Akteure nachgegangen. Beispielsweise sind Caspasen Killer - wenn Sie also eine Caspase hemmen könnten, könnten Sie Erkrankungen vorbeugen, bei denen sich zu viele Zelltode ereignen. Die klinischen Aktivitäten, die am weitesten fortgeschritten sind, finden tatsächlich in heute aktiven Programmen im Zusammenhang mit Lebererkrankungen statt. Umgekehrt könnten Sie, wenn Sie ein dem ced-9-Bcl-2 ähnliches, schützendes Protein blockieren könnten, Zelltod in solchen Zellen aktivieren, die andernfalls geschützt wären. Die Hemmung von Mitgliedern der Bcl-Familie ist ein Bereich von regem Interesse für Krebserkrankungen, und eine Reihe von Anti-Bcl-2-Programmen werden zur Zeit in meiner Ansicht nach vielversprechenden klinischen Studien zur Behandlung bestimmter Krebsarten durchgeführt. Okay - lassen Sie uns nun über diesen zentralen Mechanismus hinausgehen. Lapidar gesagt: Dies ist nur der Anfang. Der nächste Schritt besteht in dem Umfließen, der Phagozytose der Zellleiche. Auch dies haben wir ziemlich detailliert erarbeitet. Wir haben untersucht, was im Vorfeld dieses zentralen Mechanismus geschieht, und es stellt sich heraus, dass der erste Schritt, in dem egl-1 den Mechanismus vorantreibt, auf eine sehr spezifische Art und Weise durch den Zelltyp reguliert wird. Dies geschieht auf der Ebene der Genexpression durch bestimmte Transkriptionsfaktoren, die diesen Prozess steuern. Verschiedene Zellen werden durch verschiedene Transkriptionsfaktoren gesteuert. Wir haben viele Fälle bei C. elegans erforscht. In jedem dieser Fälle entdeckten wir Gegenstücke beim Menschen, und in vielen dieser Fälle wurde nachgewiesen, dass diese Gegenstücke beim Menschen ebenfalls eine Rolle bei Zelltod und Apoptose und bei Erkrankungen des Menschen spielen. Von den Akteuren, die wir beschrieben haben, sind die meisten Akteure bei Krebs. Hier haben wir eine solche Reihe von Zellen, hier eine zweite Reihe von Zellen. Das ist jedoch nicht immer der Fall. Ohne dies detailliert zu erläutern, haben wir hier eine Abbildung, wie das erste Killergen im Mechanismus des Tötens durch verschiedene Transkriptionsfaktoren in verschiedenen Zelltypen reguliert wird. Fahren wir mit einer anderen Geschichte fort und stellen wir die Frage, ob eine Verallgemeinerung möglich ist, ob die spezifische Steuerung dieses Gens egl-1 und von Krebs verallgemeinert werden kann. Die Antwort lautet, dass dies nicht immer möglich ist. Wie wir heute Morgen schon gehört haben, gibt es immer Überraschungen, und ich werde hier nicht ins Detail gehen. Aber hier haben wir sogar einen Fall, bei dem wir eine bestimmte Form des Tods von Nervenzellen untersuchten. Es geht um eine Nervenzelle im Kopf eines Männchens, mit deren Hilfe es die Gegenwart des anderen Geschlechts chemisch wahrnimmt. In dem anderen Geschlecht, das nicht weiblich, sondern hermaphroditisch ist, werden diese Zellen zwar gebildet, sie sterben jedoch ab. Folglich handelt es sich um einen geschlechtsdimorph programmierten Zelltod. Die primäre Regulierung dieses Zelltods erfolgt nicht über die Steuerung des egl-1-Killergens, sondern vielmehr über die nachgelagerte Steuerung des Gens ced-3. Diese Forschungsarbeit wird sowohl von Hillel Schwartz, einem Doktoranden in meinem Labor, und Barbara Conradt, die Postdoktorandin in meinem Labor war und nun selbstständig forscht, betrieben. Interessanterweise gibt es, in Bezug auf die Frage nach Gegenstücken und Erkrankungen beim Menschen, zwar diese Gegenstücke, aber die Krankheit ist, zumindest nach dem, was Untersuchungen bei Mäusen gezeigt haben, keine Krebserkrankung, sondern eine neurologische Störung, Taubheit. Wird das Gegenstück bei Mäusen inaktiviert, ist die Maus taub. Grund dafür ist, dass die Haarzellen im Ohr sterben. Diese Forschungen sind noch nicht abgeschlossen. Sie werden nicht von uns, sondern von Wissenschaftlern durchgeführt, die sich für Mäuse und Taubheit interessieren. Es sieht danach aus, dass diese Haarzellen absterben, weil der Prozess des programmierten Zelltods aktiviert wird, und dies führt zu Taubheit. Und auch diese Geschichte, das Verständnis für diese Geschichte, ergibt sich aus der Untersuchung eines geschlechtsdimorph programmierten Zelltods bei C. elegans. Wenn wir nun von dort aus weitergehen, dann haben wir viele weitere Gene, viele Mechanismen, Gegenstücke beim Menschen, verschiedene Krankheiten, das große Ganze und dann die Frage: Ist es das? Und die grundsätzliche Antwort, die sich mit dem deckt, was ich eingangs sagte, besteht darin, dass eine Entdeckung zu einer Ausnahme und zu einer neuen Entdeckung führt. Wenn wir genau hinschauen, stellen wir fest, dass sich selbst bei fehlender ced-3-Caspase ein gewisses Maß an programmiertem Zelltod ereignet. Darüber hinaus wird der gesamte Mechanismus, von dem ich Ihnen erzählt habe, für diese wenigen programmierten Zelltode nicht benötigt. Es gibt andere, durch das Genom von C. elegans codierte Caspasen, und selbst, nachdem wir alle von ihnen eliminiert hatten, fand immer noch programmierter Zelltod statt. Also: keine Caspase, kein Hauptmechanismus, trotzdem noch programmierte Zelltode in begrenztem Umfang. Wie sehen diese Zelltode aus? Es existieren verschiedene Kriterien, um das als Erkennungszeichen dienende morphologische Set der Veränderungen zu definieren, die mit programmiertem Zelltod/Apoptose einhergehen. Diese sind nach jedem Kriterium, auf das wir testen können, apoptische Zelltode. Dennoch wird hier dieser grundlegende zentrale Mechanismus nicht benötigt. Es gibt irgendeinen anderen Weg, der dazu führt. Wir haben einige Hinweise darauf, wie dieser Mechanismus aktiviert wird, den genauen Mechanismus kennen wir jedoch nicht, und dies bedeutet, dass wir immer noch im Geschäft sind: Es gibt noch viele weitere Dinge zu entdecken! An dieser Stelle möchte ich eine diesen speziellen Kontext übergreifende Feststellung machen. In den von uns durchgeführten Studien betrieben wir im Wesentlichen Grundlagenforschung. Wir nahmen keine Krankheit ins Visier, wir forschten an einem Organismus, der zu dem Zeitpunkt, als ich damit begann, nicht nur obskur war, sondern von den Leuten für irrelevant gehalten wurde. Unsere Studien waren zu Beginn im Grunde genetischer Natur. Genetische Studien sind häufig abstrakt und formalistisch. Ich hatte keine Ahnung, ob das, was wir fanden, für irgendeinen anderen Organismus als C. elegans von Bedeutung sein würde. Dennoch haben unsere Ergebnisse Mechanismen nachgewiesen, die anscheinend bei Tieren allgemein gültig sind und die Grundlage für zahlreiche Erforschungen neuer Behandlungsmethoden für eine große Vielfalt menschlicher Krankheiten liefern. Ich glaube, dies ist eine höchst grundlegende Botschaft, die, wie ich hoffe, jeder einzelne im Publikum, die Studenten und der Rest von uns, immer im Gedächtnis behalten wird, ob wir nun unsere eigenen Forschungsprogramme festlegen oder dem Rat folgen, den wir gestern beim Abendessen zu hören bekamen, und mit Leistungsträgern und der Öffentlichkeit sprechen. Grundlagenforschung ist die treibende Kraft - nicht nur biomedizinischer Erkenntnisse, wie ich hier geschrieben habe, sondern, wie ich es für dieses Publikum formulieren würde, wissenschaftlicher Erkenntnis. Grundlagenforschung, auf Neugier basierende Forschung ist die Zukunft all dessen, was wir wissen können und werden. Aus Verstandesgründen und aus pragmatischen, sozioökonomischen Gründen ist es von entscheidender Bedeutung, dass Grundlagenforschung angemessen aus jenen Quellen unterstützt und gefördert wird, die dafür am besten geeignet sind. Meiner Meinung nach sind dies nationale Regierungen. Mit dieser kleinen Anmerkung möchte ich zum Ende kommen und Ihnen eine Feier aus dem Jahr 2002 zeigen. Vielen Dank, Hans, dass du mitgeholfen hast, diese Party möglich zu machen. Hier liste ich all jene auf, die derzeit oder zu einem früheren Zeitpunkt in dem Labor tätig sind oder waren. Die Arbeiten dieses Labors, auf die ich mich heute bezog, die Studien zum programmierten Zelltod, waren nur eines von vielen Abenteuern, die wir erlebten, und mit Sicherheit eines der lohnendsten und aufregendsten. Und damit werde ich enden und danke Ihnen ganz herzlich.

Robert Horvitz (2010)

Programmed Cell Death in Development and Disease

Robert Horvitz (2010)

Programmed Cell Death in Development and Disease

Abstract

Programmed cell death (often referred to as apoptosis) is a normal feature of animal development and tissue homeostasis. The misregulation of cell death has been implicated in a diversity of human disorders, including cancer, autoimmune diseases, heart attacks, stroke and neurodegenerative diseases. Our laboratory has analyzed the mechanisms responsible for programmed cell death by studying the nematode Caenorhabditis elegans. During the development of C. elegans, 131 of the 1,090 cells generated undergo programmed cell death. We have characterized developmentally, genetically and molecularly the roles of many genes that function in C. elegans programmed cell deaths. We have analyzed genes that control the death process, genes that act in the phagocytosis of dying cells by their neighbors, and genes that function in the digestion of the DNA of cell corpses. We have studied in some detail genes that specify which cells will or will not express this cell-death program. Most but not all of these genes involved in cell-type-specific programmed cell death encode transcription factors that specify whether or not the first gene in the core killing pathway, egl-1 (which encodes a BH3-only member of the BCL-2 protein superfamily), is transcribed. Many of the C. elegans genes involved in programmed cell death show structural and functional similarities to genes that act in mammalian apoptosis, indicating that the major mechanisms of programmed cell death are conserved among organisms as distinct as nematodes and humans. A number of the human counterparts have been implicated in human disorders, including deafness and cancer. We recently have been analyzing a few cell deaths that occur in the absence of the activity any of the components of the core killing pathway. These deaths occur even in mutants defective in all four C. elegans caspase genes (caspases drive apoptosis in worms and other organisms) and involve cells that normally are killed rapidly by the core killing pathway but in the absence of this pathway still die but do so more slowly. Thus, there is a second as yet uncharacterized pathway for programmed cell death in C. elegans, and for at least some of the cells that die by programmed cell death during C. elegans development two distinct mechanisms of cell killing act to ensure that the cells that should die do so.

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