CASPASE: СТРУКТУРА, ВИДЫ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В каспазах являются эффекторными белками путями запрограммированной гибели клеток или апоптоза. Они принадлежат к семейству высококонсервативных цистеин-зависимых и аспартат-специфичных протеаз, от которых и произошло их название.

Они используют остаток цистеина в своем активном центре в качестве каталитического нуклеофила для расщепления белковых субстратов с остатками аспарагиновой кислоты в своих структурах, и эта функция имеет решающее значение для выполнения программы апоптоза.

Структура каспазы-3 (Источник: Джавахар Сваминатан и сотрудники MSD в Европейском институте биоинформатики через Wikimedia Commons)

Апоптоз - чрезвычайно важное событие для многоклеточных организмов, поскольку он играет важную роль в поддержании гомеостаза и целостности тканей.

Роль каспаз в апоптозе способствует критическим процессам гомеостаза и восстановления, а также расщеплению структурных компонентов, что приводит к упорядоченному и систематическому демонтажу умирающей клетки.

Эти ферменты были впервые описаны у C. elegans, а затем родственные гены были обнаружены у млекопитающих, где их функции были установлены с помощью различных генетических и биохимических подходов.

Структура

Каждая активная каспаза возникает в результате процессинга и самоассоциации двух предшественников зимогенных прокаспаз. Эти предшественники представляют собой трехкомпонентные молекулы с «спящей» каталитической активностью и молекулярной массой в диапазоне от 32 до 55 кДа.

Эти три области известны как p20 (большой внутренний центральный домен 17-21 кДа и содержащий активный сайт каталитической субъединицы), p10 (C-концевой домен 10-13 кДа, также известный как малая каталитическая субъединица) и DD домен. (домен смерти, 3-24 кДа, расположенный на N-конце).

В некоторых прокаспазах домены p20 и p10 разделены небольшой последовательностью промежутков. Продомены гибели или DD на N-конце имеют 80-100 остатков, которые составляют структурные мотивы суперсемейства, участвующие в передаче апоптотических сигналов.

Домен DD, в свою очередь, делится на два субдомена: эффекторный домен смерти (DED) и домен рекрутирования каспаз (CARD), которые состоят из 6-7 антипараллельных α-амфипатических спиралей, которые взаимодействуют с другие белки за счет электростатических или гидрофобных взаимодействий.

Каспазы обладают множеством консервативных остатков, которые отвечают за общее установление структуры и их взаимодействие с лигандами во время сборки и процессинга зимогенов, а также с другими регуляторными белками.

Прокаспазы 8 и 10 обладают двумя доменами DED, расположенными тандемно внутри их про-домена. Прокаспазы 1, 2, 4, 5, 9, 11 и 12 обладают доменом CARD. Оба домена ответственны за рекрутирование каспаз-инициаторов в комплексы, вызывающие смерть или воспаление.

активация

Каждая прокаспаза активируется путем ответа на определенные сигналы и путем селективного протеолитического процессинга на определенных остатках аспарагиновой кислоты. Процессинг заканчивается образованием гомодимерных протеаз, запускающих апоптотический процесс.

Инициаторные каспазы активируются димеризацией, а эффекторные - расщеплением интердоменов. Есть два пути активации каспаз; внешнее и внутреннее.

Внешний путь или путь, опосредованный рецептором смерти, подразумевает участие сигнального комплекса смерти в качестве комплекса активатора для прокаспаз-8 и 10.

Внутренний путь или путь, опосредованный митохондриями, использует апоптосомы в качестве комплекса активаторов для прокаспазы-9.

Типы

У млекопитающих есть около 15 различных каспаз, происходящих из одного генетического семейства. Это суперсемейство включает в себя другие подсемейства, которые подразделяются на категории в зависимости от положения про-доменов и их функций.

Обычно у млекопитающих известно 3 подкласса каспаз:

1. Воспалительные каспазы или каспазы группы I: каспазы с большими про-доменами (каспаза-1, каспаза-4, каспаза-5, каспаза-12, каспаза-13 и каспаза-14), которые играют фундаментальную роль в созревании цитокинов. и при воспалительной реакции.

2-Инициирующие апоптоз каспазы группы II: они имеют длинный про-домен (более 90 аминокислот), содержащий либо домен DED (каспаза-8 и каспаза-10), либо домен рекрутирования каспазы (каспаза-2 и каспаза-9)

3-эффекторные каспазы или группа III: они имеют короткие про-домены (20-30 аминокислот).

Характеристики

Большинство функций отдельных каспаз было выяснено с помощью экспериментов по подавлению молчания генов или получения мутантов, устанавливающих определенные функции для каждой из них.

Апоптотические функции

Хотя существуют независимые от каспаз пути апоптоза, эти ферменты имеют решающее значение для многих событий запрограммированной гибели клеток, необходимых для правильного развития большинства систем многоклеточных организмов.

В процессах апоптоза инициирующими каспазами являются каспазы -2, -8, -9 и -10, а среди эффекторных каспаз - каспазы -3, -6 и -7.

Его специфические внутриклеточные мишени включают ядерную пластинку и белки цитоскелета, расщепление которых способствует гибели клеток.

Неапоптотические функции

Каспазы не только играют апоптотическую роль в клетке, поскольку активация некоторых из этих ферментов была продемонстрирована в отсутствие процессов гибели клеток. Его неапоптотическая роль включает протеолитические и непротеолитические функции.

Они участвуют в протеолитическом процессинге ферментов, чтобы избежать разрушения клеток; его мишени включают белки, такие как цитокины, киназы, факторы транскрипции и полимеразы.

Эти функции возможны благодаря посттрансляционному процессингу прокаспаз или их протеолитических мишенях, пространственному разделению ферментов между клеточными компартментами или регулированию другими вышестоящими эффекторными белками.

Иммунная функция

Некоторые каспазы участвуют в процессинге важных факторов иммунной системы, например, каспаза-1, которая обрабатывает про-интерлейкин-1β с образованием зрелого IL-1β, который является ключевым медиатором воспалительной реакции.

Каспаза-1 также отвечает за процессинг других интерлейкинов, таких как IL-18 и IL-33, которые участвуют в воспалительной реакции и в ответе врожденного иммунитета.

В пролиферации клеток

Во многих отношениях каспазы участвуют в пролиферации клеток, особенно в лимфоцитах и ​​других клетках иммунной системы, причем каспаза-8 является одним из наиболее важных ферментов.

Каспаза-3, по-видимому, также выполняет функции в регуляции клеточного цикла, поскольку она способна обрабатывать ингибитор циклин-зависимой киназы (CDK) p27, который способствует прогрессированию индукции клеточного цикла.

Прочие функции

Некоторые каспазы участвуют в процессе дифференцировки клеток, особенно клеток, переходящих в постмитотическое состояние, которое иногда рассматривается как процесс неполного апоптоза.

Каспаза-3 имеет решающее значение для правильной дифференцировки мышечных клеток, и другие каспазы также участвуют в дифференцировке миелоидов, моноцитов и эритроцитов.

Ссылки

1. Чоудхури, И., Тхаракан, Б., и Бхат, Г.К. (2008). Caspases - Обновление. Сравнительная биохимия и физиология, Часть B, 151, 10–27.
2. Дегтерев А., Бойс М. и Юань Дж. (2003). Десятилетие каспасов. Онкоген, 22, 8543-8567.
3. Эрншоу, У. К., Мартинс, Л. М., и Кауфманн, Ш. (1999). Каспазы млекопитающих: структура, активация, субстраты и функции во время апоптоза. Ежегодный обзор биохимии, 68, 383–424.
4. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., … Мартин, К. (2003). Молекулярная клеточная биология (5-е изд.). Фриман, WH & Company.
5. Николсон Д. и Торнберри Н. (1997). Каспазы: протеазы-киллеры. TIBS Reviews, 22, 299-306.
6. Стеннике, HR, и Салвесен, GS (1998). Свойства каспаз. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.