Struktura domény kaspázy | |
---|---|
| |
Identifikátory | |
Symbol | Peptidase_C14 |
Pfam | PF00656 |
klan Pfam | CL0093 |
Interpro | IPR002398 |
PROSITE | PS50208 |
MEROPS | C14 |
SCOP | 1 led |
NADRODINĚ | 1 led |
Dostupné proteinové struktury | |
Pfam | struktur |
PNR | RCSB PNR ; PDBe ; PDBj |
PDB součet | 3D model |
Kaspázy ( anglicky caspase ; zkr. z angl . c ysteine dependent asp artate specific prote ase ) jsou proteolytické enzymy patřící do rodiny cysteinových proteáz , které štěpí proteiny výhradně po aspartátu . Kaspázy hrají důležitou roli v procesech apoptózy , nekrózy a zánětu .
Kaspázy se dělí na iniciační, zánětlivé a efektorové (výkonné). Všechny kaspázy jsou zpočátku syntetizovány v neaktivní formě a jsou aktivovány podle potřeby iniciátorovými kaspázami oříznutím malé oblasti. Iniciátorové kaspázy jsou aktivovány složitějším způsobem - speciálními proteinovými komplexy: apoptosomy , PIDD-somy , DISC . Od roku 2009 existuje 11 nebo 12 potvrzených kaspáz u lidí a 10 u myší [poznámka 1] , které vykonávají různé buněčné funkce.
Role těchto enzymů v programované buněčné smrti byla poprvé identifikována v roce 1993 a jejich funkce v apoptóze jsou dobře charakterizovány. Tato forma programované buněčné smrti, která je rozšířená během vývoje a po celý život, slouží k udržení buněčné homeostázy. Aktivace kaspáz zajišťuje řízenou destrukci buněčných komponent, což vede k buněčné smrti s minimálním dopadem na okolní tkáně (bez jejich zapojení do procesu) [3] .
Kaspázy hrají další specifické role v programované buněčné smrti, jako je pyroptóza a nekroptóza. Tyto formy buněčné smrti jsou důležité při ochraně těla před buněčnými stresovými signály a útoky patogenů . Kaspázy také hrají roli při zánětu, přičemž přímo zvyšují zpracování prozánětlivých cytokinů, jako je pro-IL1p. Jsou to signální molekuly, které umožňují nábor imunitních buněk, které napadají infikované buňky nebo tkáně. Existují i další identifikované role kaspáz, jako je buněčná proliferace , suprese nádoru, buněčná diferenciace , neurovývoj , vedení axonů a stárnutí [4] .
Deficit kaspázy byl identifikován jako jedna z příčin rozvoje novotvaru . Růst nádoru může nastat prostřednictvím kombinace faktorů, včetně mutací v genech buněčného cyklu , které odstraňují omezení růstu buněk, v kombinaci s mutacemi v apoptotických proteinech, jako jsou kaspázy, které jsou aktivovány a způsobují smrt abnormálně rostoucích buněk [5] . Naopak nadměrná aktivace některých kaspáz, jako je kaspáza 3, může vést k nadměrné programované buněčné smrti. Tento jev je pozorován u některých neurodegenerativních onemocnění , kdy dochází k nevratnému úbytku nervových buněk, příkladem je Alzheimerova choroba [5] . Kaspázy spojené se zpracováním zánětlivých signálů se také účastní mnoha onemocnění. Nedostatečná aktivace těchto kaspáz může zvýšit náchylnost hostitele k infekci, protože nemusí dojít k odpovídající imunitní odpovědi [5] . Nedílná role kaspáz při buněčné smrti a onemocnění vedla k výzkumu využití enzymů jako cílených léků ( cílená terapie ). Například zánětlivá kaspáza 1 se účastní patogeneze autoimunitních onemocnění; léky, které blokují aktivaci kaspázy 1, byly použity ke zlepšení zdraví pacientů. Kromě toho vědci použili kaspázy jako terapii rakoviny k zabíjení nežádoucích buněk v blastomogenních tkáních [6] .
Většina kaspáz hraje roli v programované buněčné smrti. Jsou shrnuty v tabulce níže. Enzymy se dělí do tří typů: iniciační, efektorové nebo prováděcí a zánětlivé [7] .
Programovaná buněčná smrt | Typ kaspázy | Enzym | Organismus, ve kterém se nacházejí kaspázy |
---|---|---|---|
apoptóza | iniciační | kaspáza 2 | muž a myš |
kaspáza 8 | muž a myš | ||
Kaspáza 9 | muž a myš | ||
Kaspáza 10 | jen člověk [8] | ||
Provedení | kaspáza 3 | muž a myš | |
kaspáza 6 | muž a myš | ||
Kaspáza 7 | muž a myš | ||
pyroptóza | Zánětlivé | Kaspáza 1 | muž a myš |
kaspáza 4 | muž [poznámka 2] | ||
kaspáza 5 | muž [poznámka 2] | ||
Kaspáza 11 | myš [poznámka 2] | ||
Kaspáza 12 | myš a někteří lidé [poznámka 1] | ||
Kaspáza 13 | jen krávy [10] | ||
Jiná role | jiný | Caspaza 14 | muž a myš |
Všimněte si, že kromě apoptózy je kaspáza 8 také nutná k inhibici jiné formy programované buněčné smrti zvané nekroptóza [11] . Kaspáza 14 hraje roli v diferenciaci epiteliálních keratinocytů a může tvořit epidermální bariéru, která chrání před dehydratací (dehydratací) a ultrafialovým zářením [12] .
Kaspázy jsou syntetizovány jako neaktivní zymogeny (prokaspázy), které se aktivují pouze po vhodném stimulu. Tato posttranslační úroveň kontroly umožňuje rychlou a pevnou regulaci enzymu.
Aktivace zahrnuje dimerizaci a často oligomerizaci prokaspáz s následným štěpením na dvě podjednotky různých velikostí, velkou a malou. Velká a malá podjednotka se na sebe vážou za vzniku aktivní heterodimerní kaspázy. Aktivní enzym v přírodě často existuje jako heterotetramer, kde se dimer prokaspázy štěpí dohromady za vzniku heterotetrameru [13] .
Aktivace iniciačních kaspáz a zánětlivých kaspáz je iniciována dimerizací vazbou na adaptorové proteiny s motivy interakce protein-protein, tzv. záhyby smrti . Smrtící záhyby se nacházejí ve strukturální doméně kaspázy známé jako prodoména, která je hojnější v těch kaspázách, které obsahují záhyby smrti, než v těch, které je neobsahují. Prodoména vnitřních iniciačních kaspáz a zánětlivých kaspáz obsahuje jeden záhyb smrti známý jako doména aktivace a náboru kaspázy (zkr. CARD ), zatímco prodoména externích iniciátorových kaspáz obsahuje dva záhyby smrti známé jako doména smrti efektorové domény (zkr. DED).) [14] [15] .
Často se při aktivaci kaspáz tvoří multiproteinové komplexy [13] . Některé aktivované multiproteinové komplexy zahrnují:
Po vhodném dimerizačním procesu se kaspázy štěpí v mezidoménových linkerových oblastech za vzniku velké a malé podjednotky. Toto štěpení umožňuje smyčkám aktivního místa zaujmout konformaci příznivou pro enzymatickou aktivitu [16] . Štěpení iniciátorových a efektorových ( exekutorských ) kaspáz probíhá různými způsoby, které jsou popsány v tabulce níže.
iniciátor kaspázy
kaspáza 8 |
||
Exekutorská kaspasa
Kaspáza Kaspáza 3 |
[17] |
Apoptóza je forma programované buněčné smrti, kdy buňka prochází morfologickými změnami, které minimalizují její účinek na okolní buňky, aby se zabránilo vyvolání imunitní reakce. Buňka se smršťuje a kondenzuje – cytoskelet je zničen, jaderný obal je rozebrán a dochází k fragmentaci DNA. To způsobí, že buňky vytvoří uzavřená tělíska nazývaná „vezikuly“, aby se zabránilo uvolňování buněčných složek do extracelulárního prostředí. Kromě toho se mění obsah fosfolipidů v buněčné membráně, což činí umírající buňku náchylnější k fagocytárnímu napadení a využití [18] .
Apoptopické kaspázy se dělí na:
Jakmile dojde k aktivaci iniciačních kaspáz, spustí se řetězová reakce, která vede k aktivaci několika dalších efektorových kaspáz. Exekutorské kaspázy degradují přes 600 buněčných komponent [19] , aby vyvolaly morfologické změny během apoptózy.
Příklady kaspázových kaskád, které se vyskytují během apoptózy:
Pyroptóza je forma programované buněčné smrti, která svou povahou vyvolává imunitní odpověď . Je morfologicky odlišná od jiných typů buněčné smrti – buňky bobtnají, praskají a uvolňují prozánětlivý buněčný obsah. K tomu dochází v reakci na řadu podnětů, včetně mikrobiálních infekcí , stejně jako srdečních záchvatů (jako jsou ty, které se vyskytují při infarktu myokardu ) [21] . Kaspáza 1 , kaspáza 4 a kaspáza 5 u lidí a kaspáza 1 a kaspáza 11 u myší hrají důležitou roli při indukci buněčné smrti během pyroptózy. Tento proces omezuje život a dobu proliferace intracelulárních a extracelulárních patogenů.
Zapojení kaspázy 1 do pyroptózyAktivace kaspázy 1 je zprostředkována repertoárem proteinů, což umožňuje detekovat řadu patogenních ligandů. Některé mediátory aktivace kaspázy 1 jsou: NOD-like receptory (NLR), AIM2-like receptory ( ALRs) , Pyrin a IFI16 [22] . Tyto proteiny umožňují aktivaci kaspázy 1 vytvořením aktivačního multiproteinového komplexu nazývaného inflammasom .
Například na leucin bohatá repetice podobná NOD, NLRP3, je citlivá na odtok draselných iontů z buňky. Tato buněčná iontová nerovnováha vede k oligomerizaci molekul NLRP3 za vzniku multiproteinového komplexu zvaného NLRP3 inflammasom. Prokaspáza 1 je přivedena do těsné blízkosti jiné molekuly prokaspázy a dochází k další dimerizaci a autoproteolytickému štěpení [22] .
Některé patogenní signály, které vedou k pyroptóze způsobené aktivací kaspázy 1, jsou uvedeny níže:
Tyto kaspázy mají schopnost vyvolat přímou pyroptózu, když molekuly lipopolysacharidu (LPS) (nacházející se v buněčné stěně gramnegativních bakterií ) vstoupí a jsou identifikovány v cytoplazmě hostitelské buňky. Například kaspáza 4 působí jako receptor a je aktivována proteolyticky bez potřeby inflamasomu nebo bez aktivace kaspázy 1 [22] .
Nejdůležitějším downstream substrátem pro pyroptopické kaspázy je gasdermin D (GSDMD) [24] .
Zánět je ochranná reakce organismu v důsledku negativního působení škodlivého podnětu, jako je poškození tkáně nebo bakteriální infekce , a je zaměřena na obnovení rovnovážného (normálního) homeostatického stavu [19] .
Kaspáza 1, kaspáza 4, kaspáza 5 a kaspáza 11 jsou považovány za zánětlivé kaspázy [7] .
Robert Horvitz původně stanovil důležitost kaspáz v apoptóze a zjistil, že gen ced-3 je nutný pro buněčnou smrt, ke které došlo během vývoje háďátka C. elegans . Horwitz a kolega Junying Yuan v roce 1993 objevili, že protein kódovaný genem ced-3 je cysteinová proteáza s podobnými vlastnostmi jako savčí enzym konvertující interleukin-1-beta (ICE) (nyní známý jako kaspáza 1). V té době byl ICE jedinou známou kaspázou [25] . Následně byly identifikovány další savčí kaspázy, kromě těch, které se nacházejí v organismech, jako je ovocná muška Drosophila melanogaster .
Vědci se v roce 1996 rozhodli pro nomenklaturu kaspázy. V mnoha případech byla konkrétní kaspáza identifikována současně více než jednou laboratoří; z nichž každý pak dal proteinům jiné jméno. Například kaspáza 3 byla různě známá jako CPP32, apopain a Yama. Proto byly kaspázy očíslovány v pořadí, v jakém byly identifikovány [26] . Proto byl ICE přejmenován na kaspázu 1. ICE byl první savčí kaspázou, která byla charakterizována díky své podobnosti s genem smrti hlístic ced-3, ale zdá se, že hlavní úlohou tohoto enzymu je spíše zprostředkovávat zánět než buněčnou smrt.
U zvířat je apoptóza indukována kaspázami, zatímco u hub a rostlin je apoptóza indukována arginin- a lysin-specifickou kaspázou podobnou proteázou zvanou metakaspáza. Hledání homologie odhalilo blízkou homologii mezi kaspázami a kaspázovými proteiny Reticulomyxa (jednobuněčný organismus). Fylogenetická studie ukazuje, že k divergenci sekvencí kaspáz a metakaspáz došlo před divergenci eukaryot [27] .
Slovníky a encyklopedie |
---|
Proteázy : Cysteinové (thiolové) proteázy ( EC 3.4.22) | |
---|---|
Kalpain |
|
kaspáza |
|
katepsin | |
Pochází z rostlin (ovoce) | |
Odpočinek |
|