CASPASE: STRUKTURA, TYPY A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto kaspázy jsou efektorové proteiny cesta programované buněčné smrti nebo apoptózy. Patří do rodiny vysoce konzervovaných proteáz závislých na cysteinu a aspartátu, ze kterých pochází jejich jméno.

Používají cysteinový zbytek ve svém aktivním místě jako katalytický nukleofil pro štěpení proteinových substrátů zbytky kyseliny asparagové ve svých strukturách a tato funkce je zásadní pro provádění apoptotického programu.

Struktura kaspázy-3 (Zdroj: Zaměstnanci Jawahara Swaminathana a MSD v Evropském institutu bioinformatiky prostřednictvím Wikimedia Commons)

Apoptóza je mimořádně důležitou událostí u mnohobuněčných organismů, protože hraje důležitou roli při udržování homeostázy a integrity tkáně.

Role kaspáz v apoptóze přispívá ke kritickým procesům homeostázy a opravy, jakož i ke štěpení strukturních složek, které vedou k řádnému a systematickému rozebírání umírající buňky.

Tyto enzymy byly poprvé popsány v C. elegans a poté byly příbuzné geny nalezeny u savců, kde jejich funkce byly stanoveny různými genetickými a biochemickými přístupy.

Struktura

Každá aktivní kaspáza je odvozena ze zpracování a samo-asociace dvou prekurzorových zymogenních pro-kaspáz. Tyto prekurzory jsou tripartitní molekuly s „spící“ katalytickou aktivitou a molekulovou hmotností v rozmezí od 32 do 55 kDa.

Tyto tři oblasti jsou známé jako p20 (velká vnitřní centrální doména 17-21 kDa a obsahující aktivní místo katalytické podjednotky), p10 (C-koncová doména 10-13 kDa také známá jako malá katalytická podjednotka) a DD doména. (doména smrti, 3 až 24 kDa, umístěná na N-konci).

V některých pro-kaspázách jsou domény p20 a p10 odděleny malou sekvencí mezer. Prodomény smrti nebo DD na N-terminálním konci mají 80-100 zbytků, které tvoří strukturální motivy superrodiny zapojené do transdukce apoptotických signálů.

DD doména je zase rozdělena do dvou subdomén: efektorová smrtová doména (DED) a kaspázová náborová doména (CARD), které jsou tvořeny 6-7 antiparalelními a-amfipatickými helixy, které interagují s jiné proteiny prostřednictvím elektrostatických nebo hydrofobních interakcí.

Kaspázy mají mnoho konzervovaných zbytků, které jsou zodpovědné za obecné vytvoření struktury a jejich interakci s ligandy během sestavování a zpracování zymogenu, jakož i s jinými regulačními proteiny.

Pro-kaspázy 8 a 10 mají dvě DED domény uspořádané v tandemu ve své pro-doméně. Pro-kaspázy 1, 2, 4, 5, 9, 11 a 12 mají doménu CARD. Obě domény jsou zodpovědné za nábor kaspáz iniciátoru do komplexů, které vyvolávají smrt nebo zánět.

Aktivace

Každá pro-kaspáza je aktivována reakcí na specifické signály a selektivním proteolytickým zpracováním na specifických zbytcích kyseliny asparagové. Zpracování končí tvorbou homodimerních proteáz, které iniciují apoptotický proces.

Iniciátory kaspáz jsou aktivovány dimerizací, zatímco efektorové jsou aktivovány štěpením mezidomén. Existují dvě cesty pro aktivaci kaspáz; vnější a vnitřní.

Cesta zprostředkovaná vnější cestou nebo zprostředkovaná smrtí zahrnuje účast signálního komplexu smrti jako aktivátorového komplexu pro kaspázy-8 a 10.

Vnitřní cesta nebo mitochondriem zprostředkovaná cesta využívá apoptosom jako aktivátorový komplex pro-kaspázy-9.

Typy

Savci mají asi 15 různých kaspáz pocházejících ze stejné genetické rodiny. Tato nadrodina zahrnuje další podrodiny, které jsou roztříděny v závislosti na poloze pro-domén a jejich funkcí.

U savců jsou obvykle známy 3 podtřídy kaspáz:

1-Zánětlivé skupiny nebo kaspázy skupiny I: kaspázy s velkými pro-doménami (kaspáza-1, kaspáza-4, kaspáza-5, kaspáza-12, kaspáza-13 a kaspáza-14), které mají zásadní úlohu při dozrávání cytokinů a v zánětlivé reakci.

Iniciující 2-apoptóza nebo kaspázy skupiny II: mají dlouhou pro-doménu (více než 90 aminokyselin) obsahující buď DED doménu (kaspáza-8 a kaspáza-10) nebo doménu pro nábor kaspasy (kaspáza-2) a kaspáza-9)

3-efektorové kaspázy nebo skupina III: mají krátké pro-domény (20-30 aminokyselin).

Funkce

Většina funkcí jednotlivých kaspáz byla objasněna experimenty s umlčováním genů nebo získáním mutantů, čímž byly pro každou z nich stanoveny konkrétní funkce.

Apoptotické funkce

Ačkoli existují apoptotické dráhy nezávislé na kaspázách, jsou tyto enzymy kritické pro mnoho programovaných událostí buněčné smrti, které jsou nezbytné pro správný vývoj většiny systémů mnohobuněčných organismů.

V apoptotických procesech jsou iniciační kaspasy kaspázy -2, -8, -9 a -10, zatímco mezi efektorovými kaspázami jsou kaspázy -3, -6 a -7.

Mezi jeho specifické intracelulární cíle patří nukleární lamina a cytoskeletální proteiny, jejichž štěpení podporuje buněčnou smrt.

Nonapoptotické funkce

Kaspázy hrají v buňce nejen apoptickou roli, protože aktivace některých z těchto enzymů byla prokázána v nepřítomnosti procesů buněčné smrti. Jeho neaptoptická role zahrnuje proteolytické a neproteolytické funkce.

Účastní se proteolytického zpracování enzymů, aby se zabránilo demontáži buněk; jeho cíle zahrnují proteiny, jako jsou cytokiny, kinázy, transkripční faktory a polymerázy.

Tyto funkce jsou možné díky posttranslačnímu zpracování pro-kaspáz nebo jejich proteolytických cílů, prostorové separaci enzymů mezi buněčnými kompartmenty nebo regulaci jinými upstream efektorovými proteiny.

Imunitní funkce

Některé kaspázy se podílejí na zpracování důležitých faktorů v imunitním systému, jako je tomu v případě kaspázy-1, která zpracovává pro-Interleukin-lp za vzniku zralého IL-lp, který je klíčovým mediátorem zánětlivé odpovědi.

Kaspáza-1 je také zodpovědná za zpracování dalších interleukinů, jako jsou IL-18 a IL-33, které se podílejí na zánětlivé odpovědi a vrozené imunitní reakci.

Při buněčné proliferaci

V mnoha ohledech jsou kaspázy zapojeny do buněčné proliferace, zejména v lymfocytech a dalších buňkách imunitního systému, přičemž kaspáza-8 je jedním z nejdůležitějších zapojených enzymů.

Zdá se také, že kaspáza-3 má funkce v regulaci buněčného cyklu, protože je schopna zpracovat inhibitor cyklin-dependentní kinázy (CDK) p27, který přispívá k progresi indukce buněčného cyklu.

Další funkce

Některé kaspázy se účastní postupu buněčné diferenciace, zejména buněk vstupujících do post mitotického stavu, což je někdy považováno za proces neúplné apoptózy.

Kaspáza-3 je rozhodující pro správnou diferenciaci svalových buněk a další kaspázy se také podílejí na diferenciaci myeloidů, monocytů a erytrocytů.

Reference

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - aktualizace. Srovnávací biochemie a fyziologie, část B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Deset let kaspáz. Oncogene, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Savčí kaspázy: Struktura, aktivace, substráty a funkce během apoptózy. Roční přehled biochemie, 68, 383–424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. ed.). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D., a Thornberry, N. (1997). Kaspázy: vrahové proteázy. TIBS Reviews, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR, & Salvesen, GS (1998). Vlastnosti kaspáz. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.