CASPASE: STRUKTUR, TYPER OCH FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De kaspaser är effektor proteiner rutt programmerad celldöd eller apoptos. De tillhör en familj av mycket bevarade cysteinberoende och aspartatspecifika proteaser, från vilka deras namn kommer.

De använder en cysteinrest på deras aktiva plats som en katalytisk nukleofil för att klyva proteinsubstrat med asparaginsyrarester i deras strukturer och denna funktion är avgörande för genomförandet av det apoptotiska programmet.

Struktur av caspase-3 (Källa: Jawahar Swaminathan och MSD-personal vid European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Apoptos är en oerhört viktig händelse i flercelliga organismer, eftersom den spelar en viktig roll i upprätthållandet av homeostas och vävnadsintegritet.

Caspasers roll i apoptos bidrar till de kritiska processerna för homeostas och reparation, såväl som klyvningen av strukturella komponenter som resulterar i en ordnad och systematisk demontering av den döende cellen.

Dessa enzymer beskrevs först i C. elegans och sedan hittades besläktade gener hos däggdjur, där deras funktioner fastställdes genom olika genetiska och biokemiska metoder.

Strukturera

Varje aktiv caspas härrör från bearbetning och självassociation av två prekursor zymogena pro-caspaser. Dessa föregångare är trepartsmolekyler med "vilande" katalytisk aktivitet och en molekylvikt som sträcker sig från 32 till 55 kDa.

De tre regionerna är kända som p20 (stor intern central domän på 17-21 kDa och innehåller det aktiva stället för den katalytiska underenheten), p10 (C-terminal domän av 10-13 kDa, även känd som liten katalytisk underenhet) och DD-domän. (dödsdomän, 3-24 kDa, belägen vid N-terminalen).

I vissa pro-caspases separeras p20- och p10-domänerna med en liten avståndssekvens. Dödens prodomäner eller DD vid den N-terminala änden har 80-100 rester som utgör de strukturella motiven för den superfamiljen som är involverad i transduktion av apoptotiska signaler.

DD-domänen är i sin tur uppdelad i två underdomäner: effektordöddomänen (DED) och kaspasrekryteringsdomänen (CARD), som bildas av 6-7 antiparallella a-amfipatiska hjälmar som interagerar med andra proteiner genom elektrostatiska eller hydrofoba interaktioner.

Caspases har många konserverade rester som är ansvariga för den allmänna etablering av strukturen och deras interaktion med ligander under montering och bearbetning av zymogener, såväl som med andra reglerande proteiner.

Pro-caspases 8 och 10 har två DED-domäner arrangerade i tandem inom deras pro-domain. Pro-caspases 1, 2, 4, 5, 9, 11 och 12 har ett CARD-domän. Båda domänerna ansvarar för rekryteringen av initiatörens caspaser till komplexen som inducerar död eller inflammation.

Aktivering

Varje pro-caspas aktiveras genom att svara på specifika signaler och genom selektiv proteolytisk bearbetning vid specifika asparaginsyrarester. Bearbetningen slutar med bildandet av homodimera proteaser som initierar den apoptotiska processen.

Initiator-kaspaserna aktiveras genom dimerisering, medan effektoren aktiveras genom klyvning av mellandomänerna. Det finns två vägar för aktivering av kaspaser; det extrinsiska och det egentliga.

Den extrinsiska vägen eller dödsreceptormedierade vägen innebär deltagande av dödsignaleringskomplexet som ett aktivatorkomplex för pro-caspases-8 och 10.

Den inneboende vägen eller den mitokondriell medierade vägen använder apoptosomen som ett aktivatorkomplex för pro-caspase-9.

typer

Däggdjur har cirka 15 olika kaspaser och kommer från samma genetiska familj. Denna superfamilj omfattar andra underfamilier som kategoriseras beroende på positionen för pro-domänerna och deras funktioner.

Typiskt är 3 underklasser av caspaser kända hos däggdjur:

1-Inflammatorisk eller grupp I-caspaser: caspases med stora pro-domäner (Caspase-1, caspase-4, caspase-5, caspase-12, caspase-13 och caspase-14) som har en grundläggande roll i mognaden av cytokiner och i det inflammatoriska svaret.

2-Apoptos initierande eller caspaser från grupp II: de har en lång pro-domän (mer än 90 aminosyror) innehållande antingen en DED-domän (caspase-8 och caspase-10) eller en caspase-rekryteringsdomän (caspase-2 och caspase-9)

3-Effektor caspases eller grupp III: de har korta pro-domäner (20-30 aminosyror).

Funktioner

De flesta av funktionerna hos enskilda kaspaser har belysats med hjälp av genetiska tystnadsexperiment eller erhållande av mutanter, vilket upprättar särskilda funktioner för var och en.

Apoptotiska funktioner

Trots förekomsten av kaspasoberoende apoptotiska vägar är dessa enzymer kritiska för många av de programmerade celldödhändelserna, nödvändiga för korrekt utveckling av en stor del av systemen för flercelliga organismer.

I apoptotiska processer är de initierande kaspaserna kaspaser -2, -8, -9 och -10, medan bland effektor-kaspaserna är kaspaserna -3, -6 och -7.

Dess specifika intracellulära mål inkluderar kärnlamina och cytoskeletala proteiner, vars spjälkning främjar celldöd.

Icke-apoptotiska funktioner

Caspases spelar inte bara en apoptotisk roll i cellen, eftersom aktiveringen av några av dessa enzymer har visats i frånvaro av celldödsprocesser. Dess icke-apoptotiska roll involverar proteolytiska och icke-proteolytiska funktioner.

De deltar i proteolytisk bearbetning av enzymer för att undvika nedmontering av celler; dess mål inkluderar proteiner såsom cytokiner, kinaser, transkriptionsfaktorer och polymeraser.

Dessa funktioner är möjliga tack vare den post-translationella bearbetningen av pro-caspases eller deras proteolytiska mål, till den rumsliga separationen av enzymer mellan cellfacken eller till reglering av andra uppströms effektorproteiner.

Immun funktion

Vissa caspaser är involverade i behandlingen av viktiga faktorer i immunsystemet, vilket är fallet med caspase-1, som bearbetar pro-Interleukin-1p för att bilda moget IL-1p, som är en nyckelmedlare för det inflammatoriska svaret.

Caspase-1 är också ansvarig för behandlingen av andra interleukiner, såsom IL-18 och IL-33, som är involverade i det inflammatoriska svaret och i det medfödda immunsvaret.

Vid cellförökning

På många sätt är caspaser involverade i cellproliferation, speciellt i lymfocyter och andra celler i immunsystemet, varvid caspase-8 är en av de viktigaste enzymerna som är involverade.

Caspase-3 verkar också ha funktioner i cellcykelreglering, eftersom det kan bearbeta den cyklinberoende kinas (CDK) -inhibitorn p27, vilket bidrar till utvecklingen av cellcykelinduktion.

Andra funktioner

Vissa caspaser deltar i utvecklingen av celldifferentiering, särskilt för celler som går in i ett post-mitotiskt tillstånd, som ibland betraktas som en process med ofullständig apoptos.

Caspase-3 är avgörande för korrekt differentiering av muskelceller, och andra caspaser är också involverade i differentieringen av myeloider, monocyter och erytrocyter.

referenser

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - En uppdatering. Jämförande biokemi och fysiologi, del B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Ett decennium av caspaser. Oncogen, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Däggdjurskaspaser: struktur, aktivering, underlag och funktioner under apoptos. Årlig granskning av biokemi, 68, 383–424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5: e upplagan). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D., & Thornberry, N. (1997). Caspases: mördareproteaser. TIBS Reviews, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR, & Salvesen, GS (1998). Kaspasernas egenskaper. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.