CASPASE: STRUKTURA, TYPY I FUNKCJE - BIOLOGIA - 2025

Że kaspazy są efektorowych droga białek programowanej śmierci komórek lub apoptozy. Należą do rodziny wysoce konserwatywnych proteaz zależnych od cysteiny i specyficznych dla asparaginianu, od których pochodzi ich nazwa.

Wykorzystują resztę cysteiny w swoim miejscu aktywnym jako katalityczny nukleofil do rozszczepiania substratów białkowych z resztami kwasu asparaginowego w ich strukturach i ta funkcja jest kluczowa dla wykonania programu apoptotycznego.

Struktura kaspazy-3 (Źródło: Jawahar Swaminathan i pracownicy MSD w Europejskim Instytucie Bioinformatyki za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Apoptoza jest niezwykle ważnym wydarzeniem w organizmach wielokomórkowych, ponieważ odgrywa ważną rolę w utrzymaniu homeostazy i integralności tkanek.

Rola kaspaz w apoptozie przyczynia się do krytycznych procesów homeostazy i naprawy, a także rozszczepiania elementów strukturalnych, które skutkują uporządkowanym i systematycznym rozkładaniem umierającej komórki.

Enzymy te zostały po raz pierwszy opisane u C. elegans, a następnie u ssaków znaleziono pokrewne geny, gdzie ich funkcje ustalono za pomocą różnych podejść genetycznych i biochemicznych.

Struktura

Każda aktywna kaspaza pochodzi z przetwarzania i autoasocjacji dwóch prekursorowych pro-kaspaz zymogennych. Te prekursory są trójdzielnymi cząsteczkami o „uśpionej” aktywności katalitycznej i masie cząsteczkowej w zakresie od 32 do 55 kDa.

Te trzy regiony są znane jako p20 (duża wewnętrzna domena centralna 17-21 kDa i zawierająca miejsce aktywne podjednostki katalitycznej), p10 (domena C-końcowa o 10-13 kDa, znana również jako mała podjednostka katalityczna) i domena DD. (domena śmierci, 3-24 kDa, zlokalizowana na N-końcu).

W niektórych pro-kaspazach domeny p20 i p10 są oddzielone małą sekwencją odstępów. Prodomeny śmierci lub DD na końcu N mają 80-100 reszt, które stanowią motywy strukturalne nadrodziny zaangażowanej w transdukcję sygnałów apoptotycznych.

Z kolei domena DD jest podzielona na dwie subdomeny: domenę śmierci efektorowej (DED) i domenę rekrutacji kaspazy (CARD), które składają się z 6-7 antyrównoległych helis α-amfipatycznych, które oddziałują z inne białka poprzez oddziaływania elektrostatyczne lub hydrofobowe.

Kaspazy posiadają wiele konserwatywnych reszt, które są odpowiedzialne za ogólne ustalenie struktury i ich interakcję z ligandami podczas składania i przetwarzania zymogenów, a także z innymi białkami regulatorowymi.

Pro-kaspazy 8 i 10 posiadają dwie domeny DED ustawione tandemowo w ramach ich pro-domeny. Pro-kaspazy 1, 2, 4, 5, 9, 11 i 12 posiadają domenę CARD. Obie domeny są odpowiedzialne za rekrutację kaspaz inicjatorów do kompleksów wywołujących śmierć lub stan zapalny.

Aktywacja

Każda pro-kaspaza jest aktywowana w odpowiedzi na określone sygnały i przez selektywną obróbkę proteolityczną na określonych resztach kwasu asparaginowego. Przetwarzanie kończy się utworzeniem homodimerycznych proteaz, które inicjują proces apoptozy.

Kaspazy inicjatorowe są aktywowane przez dimeryzację, podczas gdy kaspazy efektorowe są aktywowane przez rozszczepienie międzydomen. Istnieją dwie drogi aktywacji kaspaz; zewnętrzne i wewnętrzne.

Szlak zewnętrzny lub szlak, w którym pośredniczy receptor śmierci, implikuje udział kompleksu sygnalizacji śmierci jako kompleksu aktywatora dla pro-kaspazy-8 i 10.

Szlak wewnętrzny lub szlak za pośrednictwem mitochondriów wykorzystuje apoptosom jako kompleks aktywatora dla pro-kaspazy-9.

Rodzaje

Ssaki mają około 15 różnych kaspaz, pochodzących z tej samej rodziny genetycznej. Ta nadrodzina obejmuje inne podrodziny, które są podzielone na kategorie w zależności od pozycji pro-domen i ich funkcji.

Zazwyczaj u ssaków znane są 3 podklasy kaspaz:

1-Kaskazy zapalne lub grupy I: kaspazy z dużymi pro-domenami (kaspazy-1, kaspazy-4, kaspazy-5, kaspazy-12, kaspazy-13 i kaspazy-14), które odgrywają fundamentalną rolę w dojrzewaniu cytokin oraz w odpowiedzi zapalnej.

Kaspazy inicjujące 2-apoptozę lub kaspazy grupy II: mają długą pro-domenę (ponad 90 aminokwasów) zawierającą domenę DED (kaspazy-8 i kaspazy-10) lub domenę rekrutacyjną kaspazy (kaspazy-2 i kaspazy-9)

Kaspazy 3-efektorowe lub grupa III: mają krótkie pro-domeny (20-30 aminokwasów).

cechy

Większość funkcji poszczególnych kaspaz została wyjaśniona za pomocą eksperymentów wyciszania genów lub uzyskiwania mutantów, ustalając poszczególne funkcje dla każdej z nich.

Funkcje apoptotyczne

Chociaż istnieją niezależne od kaspazy szlaki apoptozy, enzymy te są krytyczne dla wielu zdarzeń zaprogramowanej śmierci komórki, niezbędnych do prawidłowego rozwoju większości układów organizmów wielokomórkowych.

W procesach apoptotycznych inicjującymi kaspazami są kaspazy -2, -8, -9 i -10, natomiast wśród kaspaz efektorowych są kaspazy -3, -6 i -7.

Jego specyficzne cele wewnątrzkomórkowe obejmują blaszkę jądrową i białka cytoszkieletu, których rozszczepienie sprzyja śmierci komórki.

Funkcje nieapoptotyczne

Kaspazy nie tylko odgrywają rolę apoptotyczną w komórce, ponieważ aktywacja niektórych z tych enzymów została wykazana przy braku procesów śmierci komórki. Jego nieapoptotyczna rola obejmuje funkcje proteolityczne i nieproteolityczne.

Biorą udział w proteolitycznej obróbce enzymów w celu uniknięcia rozpadu komórek; jego cele obejmują białka, takie jak cytokiny, kinazy, czynniki transkrypcyjne i polimerazy.

Funkcje te są możliwe dzięki potranslacyjnej obróbce pro-kaspaz lub ich proteolitycznych celów, przestrzennej separacji enzymów między przedziałami komórkowymi lub regulacji przez inne upstream białka efektorowe.

Funkcja odpornościowa

Niektóre kaspazy biorą udział w przetwarzaniu ważnych czynników układu odpornościowego, na przykład kaspazy-1, która przetwarza pro-interleukinę-1β w dojrzałą IL-1β, która jest kluczowym mediatorem odpowiedzi zapalnej.

Kaspaza-1 jest także odpowiedzialna za przetwarzanie innych interleukin, takich jak IL-18 i IL-33, które uczestniczą w odpowiedzi zapalnej i wrodzonej odpowiedzi immunologicznej.

W proliferacji komórek

Pod wieloma względami kaspazy biorą udział w proliferacji komórek, zwłaszcza w limfocytach i innych komórkach układu odpornościowego, przy czym kaspaza-8 jest jednym z najważniejszych zaangażowanych enzymów.

Wydaje się również, że kaspaza-3 pełni funkcje w regulacji cyklu komórkowego, ponieważ jest zdolna do przetwarzania inhibitora kinazy cyklinozależnej (CDK) p27, który przyczynia się do progresji indukcji cyklu komórkowego.

Inne funkcje

Niektóre kaspazy biorą udział w postępie różnicowania się komórek, zwłaszcza tych, które wchodzą w stan postmitotyczny, co czasami jest uważane za proces niepełnej apoptozy.

Kaspaza-3 ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego różnicowania komórek mięśniowych, a inne kaspazy są również zaangażowane w różnicowanie mieloidów, monocytów i erytrocytów.

Bibliografia

1. Chowdhury, I., Tharakan, B. i Bhat, GK (2008). Caspases - aktualizacja. Biochemia porównawcza i fizjologia, część B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M. i Yuan, J. (2003). Dekada kaspaz. Oncogene, 22, 8543–8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM i Kaufmann, SH (1999). Kaspazy ssaków: struktura, aktywacja, substraty i funkcje podczas apoptozy. Annual Review of Biochemistry, 68, 383–424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (wyd. 5). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D. i Thornberry, N. (1997). Kaspazy: zabójcze proteazy. Recenzje TIBS, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR i Salvesen, GS (1998). Właściwości kaspaz. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.