CASPASE: STRUKTUR, TYPER OG FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De caspaser er effektor proteiner rute af programmeret celledød eller apoptose. De tilhører en familie med meget konserverede cysteinafhængige og aspartat-specifikke proteaser, hvorfra deres navn kommer.

De anvender en cysteinrest på deres aktive sted som en katalytisk nukleofil for at spalte proteinsubstrater med asparaginsyrerester i deres strukturer, og denne funktion er afgørende for udførelsen af ​​det apoptotiske program.

Struktur af caspase-3 (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-personale ved Det Europæiske Bioinformatikinstitut via Wikimedia Commons)

Apoptose er en ekstremt vigtig begivenhed i flercellede organismer, da den spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af ​​homeostase og vævsintegritet.

Caspases rolle i apoptose bidrager til de kritiske processer med homeostase og reparation samt spaltning af strukturelle komponenter, der resulterer i en ordnet og systematisk nedtagning af den døende celle.

Disse enzymer blev først beskrevet i C. elegans, og derefter blev relaterede gener fundet i pattedyr, hvor deres funktioner blev etableret gennem forskellige genetiske og biokemiske tilgange.

Struktur

Hver aktiv caspase stammer fra bearbejdning og selvassociation af to forstadier zymogene pro-caspaser. Disse forstadier er trepartsmolekyler med "sovende" katalytisk aktivitet og en molekylvægt i området fra 32 til 55 kDa.

De tre regioner er kendt som p20 (stort internt centralt domæne på 17-21 kDa og indeholder det aktive sted for den katalytiske underenhed), p10 (C-terminal domæne på 10-13 kDa også kendt som lille katalytisk underenhed) og DD domæne. (dødsdomæne, 3-24 kDa, beliggende ved N-terminalen).

I nogle pro-caspases separeres p20- og p10-domænerne med en lille afstandssekvens. Dødets prodomæner eller DD i den N-terminale ende har 80-100 rester, der udgør de strukturelle motiver for den superfamilie, der er involveret i transduktion af apoptotiske signaler.

DD-domænet er på sin side opdelt i to underdomæner: effektordøddomænet (DED) og caspase-rekrutteringsdomænet (CARD), der består af 6-7 antiparallelle a-amfipatiske helikser, der interagerer med andre proteiner gennem elektrostatisk eller hydrofob interaktion.

Caspases besidder mange konserverede rester, der er ansvarlige for den generelle etablering af struktur og deres interaktion med ligander under samling og behandling af zymogener såvel som med andre regulatoriske proteiner.

Pro-caspases 8 og 10 har to DED-domæner arrangeret i tandem inden for deres pro-domæne. Pro-caspases 1, 2, 4, 5, 9, 11 og 12 har et CARD-domæne. Begge domæner er ansvarlige for rekrutteringen af ​​initiatorens caspaser til de komplekser, der inducerer død eller betændelse.

Aktivering

Hver pro-caspase aktiveres ved at reagere på specifikke signaler og ved selektiv proteolytisk behandling ved specifikke asparaginsyrerester. Behandlingen slutter med dannelsen af ​​homodimere proteaser, der initierer den apoptotiske proces.

Initiator-caspaserne aktiveres ved dimerisering, mens effektoren aktiveres ved spaltning af interdomænerne. Der er to ruter til aktivering af caspaser; det ekstrinsiske og det indre.

Den ekstrinsiske bane eller dødsreceptormedierede bane implicerer deltagelse af dødsignaliseringskomplekset som et aktivatorkompleks til pro-caspases-8 og 10.

Den intrinsiske vej eller den mitokondrielle medierede vej anvender apoptosomet som et aktivatorkompleks til pro-caspase-9.

typer

Pattedyr har omkring 15 forskellige caspaser, der kommer fra den samme genetiske familie. Denne superfamilie omfatter andre underfamilier, der er kategoriseret afhængigt af placeringen af ​​pro-domænerne og deres funktioner.

Typisk er 3 underklasser af caspaser kendt hos pattedyr:

1-inflammatorisk eller gruppe I caspases: caspases med store pro-domæner (Caspase-1, caspase-4, caspase-5, caspase-12, caspase-13 og caspase-14), der har en grundlæggende rolle i modningen af ​​cytokiner og i den inflammatoriske respons.

2-Apoptose initierende eller gruppe II caspaser: de har et langt pro-domæne (mere end 90 aminosyrer) indeholdende enten et DED-domæne (caspase-8 og caspase-10) eller et caspase-rekrutteringsdomæne (caspase-2 og caspase-9)

3-Effector caspases eller gruppe III: de har korte pro-domæner (20-30 aminosyrer).

Funktioner

De fleste af funktionerne i individuelle caspaser er blevet belyst ved hjælp af gendæmpningseksperimenter eller opnåelse af mutanter, hvorved der er etableret særlige funktioner for hver enkelt.

Apoptotiske funktioner

Selvom der er caspase-uafhængige apoptotiske veje, er disse enzymer kritiske for mange af de programmerede celledødbegivenheder, nødvendige for den rigtige udvikling af de fleste af systemerne med flercellede organismer.

I apoptotiske processer er de initierende caspaser caspases -2, -8, -9 og -10, medens caspases -3, -6 og -7 blandt effektoren er.

Dets specifikke intracellulære mål inkluderer nuklear lamina og cytoskeletale proteiner, hvis spaltning fremmer celledød.

Ikke-apoptotiske funktioner

Caspases spiller ikke kun en apoptotisk rolle i cellen, da aktiveringen af ​​nogle af disse enzymer er blevet demonstreret i fravær af celledødprocesser. Dets ikke-apoptotiske rolle involverer proteolytiske og ikke-proteolytiske funktioner.

De deltager i den proteolytiske behandling af enzymer for at undgå celledemontering; dens mål inkluderer proteiner, såsom cytokiner, kinaser, transkriptionsfaktorer og polymeraser.

Disse funktioner er mulige takket være den post-translationelle behandling af pro-caspases eller deres proteolytiske mål, til den rumlige adskillelse af enzymer mellem cellerum eller til regulering af andre opstrøms effektorproteiner.

Immun funktion

Nogle caspaser er involveret i behandlingen af ​​vigtige faktorer i immunsystemet, sådan er tilfældet med caspase-1, der behandler pro-Interleukin-1p til dannelse af modent IL-1β, som er en nøglemedler for den inflammatoriske respons.

Caspase-1 er også ansvarlig for behandlingen af ​​andre interleukiner, såsom IL-18 og IL-33, som er involveret i den inflammatoriske respons og i det medfødte immunrespons.

Ved celleproliferation

På mange måder er caspaser involveret i celleproliferation, især i lymfocytter og andre celler i immunsystemet, hvor caspase-8 er en af ​​de vigtigste involverede enzymer.

Caspase-3 synes også at have funktioner i cellecyklusregulering, da den er i stand til at behandle den cyclinafhængige kinase (CDK) -inhibitor p27, hvilket bidrager til udviklingen af ​​cellecyklusinduktion.

Andre funktioner

Nogle caspaser er involveret i fremskridt med celledifferentiering, især af celler, der kommer ind i en post-mitotisk tilstand, som undertiden betragtes som en proces med ufuldstændig apoptose.

Caspase-3 er kritisk for korrekt differentiering af muskelceller, og andre caspaser er også involveret i differentieringen af ​​myeloider, monocytter og erythrocytter.

Referencer

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - En opdatering. Sammenlignende biokemi og fysiologi, del B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Et årti med caspases. Oncogen, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Pattedyrs kaspaser: struktur, aktivering, underlag og funktioner under apoptose. Årlig gennemgang af biokemi, 68, 383–424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. udg.). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D., & Thornberry, N. (1997). Caspases: morderen proteaser. TIBS anmeldelser, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR, & Salvesen, GS (1998). Kaspaspasernes egenskaber. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.