Каспазы ( цистеин - аспартатовые протеазы , цистеин аспартатовые протеазы или цистеин -зависимые аспартат -направленные протеазы ) представляют собой семейство ферментов протеаз, играющих существенную роль в запрограммированной клеточной смерти . Они названы каспазами из-за их специфической цистеиновой протеазной активности — цистеин в его активном центре нуклеофильно атакует и расщепляет целевой белок только после остатка аспарагиновой кислоты . По состоянию на 2009 год у людей [примечание 1] подтверждено 12 каспаз , а у мышей — 10, выполняющих различные клеточные функции.
Роль этих ферментов в запрограммированной клеточной смерти была впервые выявлена в 1993 году, а их функции в апоптозе хорошо охарактеризованы. Это форма запрограммированной клеточной смерти, широко распространенная во время развития и на протяжении всей жизни для поддержания гомеостаза клеток . Активация каспаз обеспечивает контролируемую деградацию клеточных компонентов, осуществляя клеточную смерть с минимальным воздействием на окружающие ткани . [3]
У каспаз есть и другие выявленные роли в запрограммированной клеточной смерти, такие как пироптоз , некроптоз и ПАНоптоз . Эти формы клеточной смерти важны для защиты организма от стрессовых сигналов и патогенной атаки. Каспазы также играют роль в воспалении, посредством чего они напрямую обрабатывают провоспалительные цитокины, такие как про- IL1β . Это сигнальные молекулы, которые позволяют привлекать иммунные клетки к инфицированной клетке или ткани. Существуют и другие выявленные роли каспаз, такие как пролиферация клеток, подавление опухолей , дифференцировка клеток, развитие нейронов и управление аксонами и старение. [4]
Дефицит каспазы был идентифицирован как причина развития опухоли. Рост опухоли может происходить из-за сочетания факторов, включая мутацию в гене клеточного цикла, который снимает ограничения на рост клеток, в сочетании с мутациями в апоптотических белках, таких как каспазы, которые реагируют, вызывая гибель клеток в аномально растущих клетках. [5] И наоборот, чрезмерная активация некоторых каспаз, таких как каспаза -3, может привести к чрезмерной запрограммированной гибели клеток. Это наблюдается при нескольких нейродегенеративных заболеваниях, при которых теряются нервные клетки, таких как болезнь Альцгеймера . [5] Каспазы, участвующие в обработке воспалительных сигналов, также участвуют в заболевании. Недостаточная активация этих каспаз может повысить восприимчивость организма к инфекции, поскольку соответствующий иммунный ответ может не активироваться. [5] Интегральная роль, которую каспазы играют в гибели клеток и заболевании, привела к исследованиям по использованию каспаз в качестве мишени для лекарственных препаратов. Например, воспалительная каспаза-1 была вовлечена в возникновение аутоиммунных заболеваний ; препараты, блокирующие активацию каспазы-1, использовались для улучшения здоровья пациентов. Кроме того, ученые использовали каспазы в качестве терапии рака для уничтожения нежелательных клеток в опухолях. [6]
Функциональная классификация каспаз
Большинство каспаз играют роль в запрограммированной клеточной смерти. Они обобщены в таблице ниже. Ферменты подразделяются на три типа: инициаторы, исполнители и воспалительные. [7]
Обратите внимание, что в дополнение к апоптозу, каспаза-8 также необходима для ингибирования другой формы запрограммированной клеточной смерти, называемой некроптозом. Каспаза-14 играет роль в дифференциации кератиноцитов эпителиальных клеток и может образовывать эпидермальный барьер, который защищает от обезвоживания и УФ-излучения. [11]
Активация каспаз
Каспазы синтезируются как неактивные зимогены (прокаспазы), которые активируются только после соответствующего стимула. Этот посттрансляционный уровень контроля обеспечивает быструю и жесткую регуляцию фермента.
Активация включает димеризацию и часто олигомеризацию прокаспаз, за которыми следует расщепление на малую субъединицу и большую субъединицу. Большая и малая субъединицы связываются друг с другом, образуя активную гетеродимерную каспазу. Активный фермент часто существует в виде гетеротетрамера в биологической среде, где димер прокаспазы расщепляется вместе, образуя гетеротетрамер. [12]
Димеризация
Активация инициирующих каспаз и воспалительных каспаз инициируется димеризацией, которая облегчается связыванием с адаптерными белками через мотивы белок-белкового взаимодействия , которые в совокупности называются сгибами смерти . Сгибы смерти расположены в структурном домене каспаз, известном как продомен, который больше в тех каспазах, которые содержат сгибы смерти, чем в тех, которые их не содержат. Продомен внутренних инициирующих каспаз и воспалительных каспаз содержит одну сгиб смерти, известную как домен рекрутирования каспазы (CARD), в то время как продомен внешних инициирующих каспаз содержит две сгибы смерти, известные как эффекторные домены смерти (DED). [13] [14]
Мультипротеиновые комплексы часто образуются во время активации каспазы. [12] Некоторые активирующие мультипротеиновые комплексы включают:
После соответствующей димеризации каспазы расщепляются в междоменных линкерных областях, образуя большую и малую субъединицу. Это расщепление позволяет петлям активного центра принимать конформацию, благоприятную для ферментативной активности. [15]
Расщепление инициирующих и исполнительных каспаз происходит различными способами, описанными в таблице ниже.
Инициаторные каспазы расщепляют автопротеолитически, тогда как каспазы-исполнители расщепляются инициаторными каспазами. Эта иерархия позволяет усиливать цепную реакцию или каскад для деградации клеточных компонентов во время контролируемой гибели клеток.
Некоторые роли каспаз
Апоптоз
Инициаторные каспазы активируются внутренними и внешними апоптотическими путями. Это приводит к активации других каспаз, включая каспазы-исполнители, которые осуществляют апоптоз путем расщепления клеточных компонентов.
Апоптоз — это форма запрограммированной гибели клеток , при которой клетка претерпевает морфологические изменения, чтобы минимизировать свое воздействие на окружающие клетки и избежать иммунного ответа. Клетка сжимается и уплотняется — цитоскелет разрушается, а ядерная оболочка разбирает фрагменты ДНК. Это приводит к образованию клеткой замкнутых тел, называемых « пузырьками », чтобы избежать высвобождения клеточных компонентов во внеклеточную среду. Кроме того, изменяется содержание фосфолипидов клеточной мембраны , что делает умирающую клетку более восприимчивой к фагоцитарной атаке и удалению. [17]
Апоптотические каспазы подразделяются на следующие подкатегории:
После активации инициаторных каспаз они запускают цепную реакцию, активируя несколько других каспазы-исполнителей. Каспазы-исполнители разрушают более 600 клеточных компонентов [18], чтобы вызвать морфологические изменения для апоптоза.
Примеры каскада каспаз во время апоптоза:
Внутренний апоптический путь: Во время клеточного стресса митохондриальный цитохром c высвобождается в цитозоль. Эта молекула связывает адаптерный белок ( APAF -1), который привлекает инициаторную каспазу-9 (через взаимодействия CARD-CARD). Это приводит к образованию мультипротеинового комплекса, активирующего каспазу, называемого апоптосомой . После активации инициаторные каспазы, такие как каспаза 9, расщепляют и активируют другие исполнительные каспазы. Это приводит к деградации клеточных компонентов для апоптоза.
Внешний апоптический путь: Каскад каспаз также активируется внеклеточными лигандами через рецепторы смерти на поверхности клетки. Это происходит путем образования мультипротеинового комплекса сигнализации, индуцирующего смерть (DISC), который рекрутирует и активирует прокаспазу. Например, лиганд Fas связывает рецептор FasR на внеклеточной поверхности рецептора; это активирует домены смерти на цитоплазматическом хвосте рецептора. Адаптерный белок FADD рекрутирует (путем взаимодействия домена смерти-домена смерти) прокаспазу 8 через домен DED. Этот FasR, FADD и прокаспаза 8 образуют комплекс сигнализации, индуцирующий смерть (DISC), где активируется каспаза-8. Это может привести либо к последующей активации внутреннего пути, вызывая митохондриальный стресс, либо к прямой активации каспаз-исполнителей (каспаза 3, каспаза 6 и каспаза 7) для разрушения клеточных компонентов, как показано на соседней диаграмме. [19]
Пироптоз
Пироптоз — это форма запрограммированной клеточной смерти, которая по своей сути вызывает иммунный ответ. Он морфологически отличается от других типов клеточной смерти — клетки набухают, разрываются и высвобождают провоспалительное клеточное содержимое. Это происходит в ответ на ряд стимулов, включая микробные инфекции, а также сердечные приступы (инфаркты миокарда). [20] Каспаза-1, каспаза-4 и каспаза-5 у людей, а также каспаза-1 и каспаза-11 у мышей играют важную роль в индуцировании клеточной смерти путем пироптоза. Это ограничивает время жизни и пролиферации внутриклеточных и внеклеточных патогенов. [ необходима цитата ]
Пироптоз каспазой-1
Активация каспазы-1 опосредована репертуаром белков, что позволяет обнаруживать ряд патогенных лигандов. Некоторые медиаторы активации каспазы-1: NOD-подобные лейциновые повторы (NLR), AIM2 -подобные рецепторы (ALR), пирин и IFI16 . [21]
Эти белки позволяют активировать каспазу-1, формируя мультипротеиновый активирующий комплекс, называемый инфламмасомами. Например, NOD-подобный лейциновый повтор NLRP3 будет ощущать отток ионов калия из клетки. Этот клеточный ионный дисбаланс приводит к олигомеризации молекул NLRP3 с образованием мультипротеинового комплекса, называемого инфламмасомой NLRP3 . Прокаспаза-1 оказывается в непосредственной близости с другой молекулой прокаспазы для димеризации и прохождения автопротеолитического расщепления. [21]
Ниже перечислены некоторые патогенные сигналы, которые приводят к пироптозу под действием каспазы-1:
ДНК в цитозоле хозяина связывается с рецепторами, подобными AIM2, вызывая пироптоз
Аппарат системы секреции типа III из бактерий связывает рецепторы NOD-подобных лейциновых повторов, называемые NAIP (1 у людей и 4 у мышей)
Пироптоз, вызванный каспазой-4 и каспазой-5 у людей и каспазой-11 у мышей
Эти каспазы обладают способностью вызывать прямой пироптоз, когда молекулы липополисахаридов (ЛПС) (обнаруженные в клеточной стенке грамотрицательных бактерий) обнаруживаются в цитоплазме клетки-хозяина. Например, каспаза 4 действует как рецептор и протеолитически активируется без необходимости в комплексе инфламмасомы или активации каспазы-1. [21]
Важнейшим субстратом для пироптотических каспаз является Гасдермин D (GSDMD) [22]
Роль в воспалении
Воспаление — это защитная попытка организма восстановить гомеостатическое состояние после нарушения, вызванного вредным стимулом, таким как повреждение тканей или бактериальная инфекция. [18]
Каспаза-1, каспаза-4, каспаза-5 и каспаза-11 считаются «воспалительными каспазами». [7]
Каспаза-1 играет ключевую роль в активации провоспалительных цитокинов ; они действуют как сигналы для иммунных клеток и создают благоприятную среду для привлечения иммунных клеток к месту повреждения. Таким образом, каспаза-1 играет фундаментальную роль во врожденной иммунной системе . Фермент отвечает за обработку цитокинов, таких как pro-ILβ и pro-IL18, а также за их секрецию. [21]
Каспаза-4 и -5 у людей, а также каспаза-11 у мышей играют уникальную роль рецептора, связываясь с ЛПС, молекулой, распространенной в грамотрицательных бактериях. Это может привести к обработке и секреции цитокинов IL-1β и IL-18 путем активации каспазы-1; этот нисходящий эффект такой же, как описан выше. Он также приводит к секреции другого воспалительного цитокина, который не обрабатывается. Он называется про-IL1α. [21] Также имеются данные о воспалительной каспазе, каспазе-11, способствующей секреции цитокина; это делается путем инактивации мембранного канала, который блокирует секрецию IL-1β [21]
Каспазы также могут вызывать воспалительную реакцию на транскрипционном уровне. Есть данные, что они способствуют транскрипции ядерного фактора-κB ( NF-κB ), фактора транскрипции, который помогает транскрибировать воспалительные цитокины, такие как IFNs , TNF , IL-6 и IL-8 . Например, каспаза-1 активирует каспазу-7, которая, в свою очередь, расщепляет поли (АДФ) рибозу – это активирует транскрипцию генов, контролируемых NF-κB. [18]
Открытие каспаз
H. Robert Horvitz первоначально установил важность каспаз в апоптозе и обнаружил, что ген ced-3 необходим для гибели клеток, которая произошла во время развития нематоды C. elegans . Horvitz и его коллега Junying Yuan обнаружили в 1993 году, что белок, кодируемый геном ced-3, является цистеиновой протеазой со свойствами, аналогичными свойствам интерлейкин-1-бета-превращающего фермента млекопитающих (ICE) (теперь известного как каспаза 1). В то время ICE была единственной известной каспазой. [23] Впоследствии были идентифицированы и другие каспазы млекопитающих, в дополнение к каспазам в таких организмах, как плодовая мушка Drosophila melanogaster .
Исследователи определились с номенклатурой каспазы в 1996 году. Во многих случаях конкретная каспаза была идентифицирована одновременно более чем одной лабораторией; каждая затем давала белку свое название. Например, каспаза 3 была известна под разными названиями: CPP32, apopain и Yama. Поэтому каспазы были пронумерованы в том порядке, в котором они были идентифицированы. [24] Поэтому ICE была переименована в каспазу 1. ICE была первой каспазой млекопитающих, которая была охарактеризована из-за ее сходства с геном смерти нематод ced-3, но, по-видимому, основная роль этого фермента заключается в опосредовании воспаления, а не гибели клеток.
Эволюция
У животных апоптоз индуцируется каспазами, а у грибов и растений апоптоз индуцируется аргининовыми и лизин-специфичными каспазоподобными протеазами, называемыми метакаспазами. Поиски гомологии выявили близкую гомологию между каспазами и каспазоподобными белками Reticulomyxa (одноклеточного организма). Филогенетическое исследование показывает, что расхождение последовательностей каспаз и метакаспаз произошло до расхождения эукариот. [25]
^ ab Функциональный CASP12 экспрессируется только у некоторых лиц африканского происхождения, в то время как лица азиатского или кавказского происхождения экспрессируют только нефункциональную укороченную форму. [2]
^ abc CASP4 и CASP5 считаются человеческими ортологами CASP11, который был обнаружен у мышей и крыс, но не у людей. [9]
Ссылки
^ Wilson KP, Black JA, Thomson JA, et al. (Июль 1994). «Структура и механизм действия интерлейкин-1 бета-превращающего фермента». Nature . 370 (6487): 270–5. Bibcode :1994Natur.370..270W. doi :10.1038/370270a0. PMID 8035875. S2CID 4281700.
^ Салех, Майя; Вайянкур, Джон П; Грэхем, Рона К; Хайк, Мэтью; Шринивасула, Шриниваса М; Альнемри, Эмад С; Стейнберг, Мартин Х; Нолан, Викки; Болдуин, Клинтон Т; Хотчкисс, Ричард С; Бухман, Тимоти Г; Ценбауэр, Барбара А; Хайден, Майкл Р; Фаррер, Линдси А; Рой, Софи; Николсон, Дональд В (2004). "Дифференциальная модуляция восприимчивости к эндотоксинам полиморфизмами каспазы-12 человека". Nature . 429 (6987): 75–9. Bibcode :2004Natur.429...75S. doi : 10.1038/nature02451 . PMID 15129283.
^ Rathore, S.; Datta, G.; Kaur, I.; Malhotra, P.; Mohmmed, A. (2015-07-02). «Нарушение клеточного гомеостаза вызывает стресс органелл и запускает апоптоз, как пути клеточной смерти у малярийного паразита». Cell Death & Disease . 6 (7): e1803. doi :10.1038/cddis.2015.142. PMC 4650714 . PMID 26136076.
^ Шалини, С.; Дорстин, Л.; Давар, С.; Кумар, С. (2015-04-01). «Старые, новые и возникающие функции каспаз». Cell Death & Differentiation . 22 (4): 526–539. doi :10.1038/cdd.2014.216. ISSN 1350-9047. PMC 4356345. PMID 25526085 .
^ abc Goodsell, David S. (2000-10-01). «Молекулярная перспектива: каспазы». The Oncologist . 5 (5): 435–436. doi : 10.1634/theoncologist.5-5-435 . ISSN 1083-7159. PMID 11040280.
^ МакИлвейн, Дэвид Р.; Бергер, Торстен; Мак, Так В. (2013-04-01). «Функции каспазы при клеточной смерти и болезнях». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 5 (4): a008656. doi :10.1101/cshperspect.a008656. ISSN 1943-0264. PMC 3683896. PMID 23545416 .
^ аб Галлуцци, Лоренцо; Лопес-Сото, Алехандро; Кумар, Шарад; Кремер, Гвидо (16 февраля 2016 г.). «Каспазы связывают передачу сигналов о гибели клеток с гомеостазом организма». Иммунитет . 44 (2): 221–231. doi : 10.1016/j.immuni.2016.01.020 . ISSN 1074-7613. ПМИД 26885855.
^ Jänicke, Reiner U.; Sohn, Dennis; Totzke, Gudrun; Schulze-Osthoff, Klaus (июнь 2006 г.). «Caspase-10 in Mouse or Not?». Science . 312 (5782): 1874. doi :10.1126/science.312.5782.1874a. PMID 16809511. S2CID 35202855.
^ Стоу, Ирма; Ли, Беттина; Каягаки, Нобухико (2015). «Каспаза-11: вооружение стражей против бактериальной инфекции». Immunological Reviews . 265 (1): 75–84. doi :10.1111/imr.12292. PMID 25879285. S2CID 22393511.
^ Кёниг, Ульрих; Экхарт, Леопольд; Цахлер, Эрвин (2001). «Доказательства того, что каспаза-13 — это не человеческий, а коровий ген». Biochemical and Biophysical Research Communications . 285 (5): 1150–4. doi :10.1006/bbrc.2001.5315. PMID 11478774.
^ Лам, Армин; Парадиси, Андреа; Грин, Дуглас Р.; Мелино, Джерри (2003). «Взаимодействие доменов складки смерти при апоптозе». Смерть клеток и дифференциация . 10 (1): 10–2. doi :10.1038/sj.cdd.4401203. PMID 12655289. S2CID 32593733.
^ Кумар, С (2006). «Функция каспазы в запрограммированной клеточной смерти». Смерть клеток и дифференциация . 14 (1): 32–43. doi : 10.1038/sj.cdd.4402060 . hdl : 2440/45413 . PMID 17082813.
^ Ридл, Стефан Дж.; Ши, Игун (ноябрь 2004 г.). «Молекулярные механизмы регуляции каспаз во время апоптоза». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 5 (11): 897–907. doi :10.1038/nrm1496. PMID 15520809. S2CID 19498556.
^ Лаврик, И.; Крюгер, А.; Шмитц, И.; Бауманн, С.; Вейд, Х.; Краммер, П. Х.; Кирхгофф, С. (2003-01-01). «Активный гетеротетрамер каспазы-8 формируется на CD95 DISC». Смерть клеток и дифференциация . 10 (1): 144–145. doi : 10.1038/sj.cdd.4401156 . ISSN 1350-9047. PMID 12655304.
^ abc Sollberger, Gabriel; Strittmatter, Gerhard E.; Garstkiewicz, Martha; Sand, Jennifer; Beer, Hans-Dietmar (2014-02-01). «Каспаза-1: инфламмасома и не только». Innate Immunity . 20 (2): 115–125. doi : 10.1177/1753425913484374 . ISSN 1753-4259. PMID 23676582. S2CID 206787156.
^ Creagh, Emma M. (декабрь 2014 г.). «Caspase crosstalk: integration of apoptotic and innate immunity signalling pathways». Trends in Immunology . 35 (12): 631–640. doi :10.1016/j.it.2014.10.004. PMID 25457353.
^ Бергсбакен, Тесса; Финк, Сьюзан Л.; Куксон, Брэд Т. (2009). «Пироптоз: смерть клетки-хозяина и воспаление». Nature Reviews Microbiology . 7 (2): 99–109. doi :10.1038/nrmicro2070. PMC 2910423. PMID 19148178 .
^ abcdef Элдридж, Мэтью Дж. Г.; Шеной, Авинаш Р. (2015). «Антимикробные инфламмасомы: унифицированная сигнализация против разнообразных бактериальных патогенов». Current Opinion in Microbiology . 23 : 32–41. doi : 10.1016/j.mib.2014.10.008. PMID 25461570. S2CID 32160317.
^ Хэ, Вань-тин; Вань, Хаоцян; Ху, Личен; Чэнь, Пэнда; Ван, Синь; Хуан, Чжэ; Ян, Чжан-Хуа; Чжун, Чуань-Ци; Хань, Цзяхуай (2015-12-01). «Газдермин D является исполнителем пироптоза и необходим для секреции интерлейкина-1β». Cell Research . 25 (12): 1285–1298. doi :10.1038/cr.2015.139. ISSN 1001-0602. PMC 4670995 . PMID 26611636.
^ Юань, Дж. и др. (1993). «Ген клеточной смерти C. elegans ced-3 кодирует белок, похожий на бета-превращающий фермент интерлейкин-1 млекопитающих». Cell . 75 (4): 641–652. doi : 10.1016/0092-8674(93)90485-9 . PMID 8242740.
^ Alnemri ES, Emad S ; et al. (1996). "Номенклатура человеческой протеазы ICE/CED-3". Cell . 87 (2): 171. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81334-3 . PMID 8861900. S2CID 5345060.
^ Клим, Джоанна; Гладки, Аркадиуш; Кухарчик, Роза; Зеленкевич, Уршула; Качановский, Шимон (27 апреля 2018 г.). «Реконструкция наследственного состояния механизма апоптоза у общего предка эукариот». G3: Гены, геномы, генетика . 8 (6): 2121–2134. дои : 10.1534/g3.118.200295. ISSN 2160-1836. ПМЦ 5982838 . ПМИД 29703784.
Видеоролик об апоптозе Демонстрирует модель каскада каспаз, происходящего in vivo.
Механизмы апоптоза Архивировано 2018-03-09 на Wayback Machine Kimball's Biology Pages. Простое объяснение механизмов апоптоза, запускаемых внутренними сигналами (bcl-2) по пути каспазы-9, каспазы-3 и каспазы-7; и внешними сигналами (FAS и TNF) по пути каспазы 8. Доступ 25 марта 2007 г.
