Войти
| Домен каспазы | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура каспазы-1 (CASP1), первоначально называемой бета-интерлейкином-1 превращающий фермент (ICE), первая идентифицированная каспаза человека. | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | Пептидаза_C14 | ||||||||
| Pfam | PF00656 | ||||||||
| Pfam клан | CL0093 | ||||||||
| InterPro | IPR002398 | ||||||||
| PROSITE | PS50208 | ||||||||
| MEROPS | C14 | ||||||||
| SCOPe | 1ice / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
каспазы (cистеин- asp аркпроте азы, cистеин asp арт азы или c истеин-зависимые asp артат-направленные проте азы ) представляют собой семейство протеазных ферментов, играющих важную роль в запрограммированной гибели клеток. Их называют каспазами из-за их специфической активности цистеинпротеазы - цистеин в своем активном сайте нуклеофильно атакует и расщепляет целевой белок только после остатка аспарагиновой кислоты. По состоянию на 2009 год подтверждено 12 каспаз у людей и 10 у мышей, выполняющих различные клеточные функции.
Роль этих ферментов в запрограммированной гибели клеток была впервые идентифицирована в 1993 году, а их функции в апоптозе хорошо изучены. Это форма запрограммированной гибели клеток, широко встречающаяся во время развития и на протяжении всей жизни для поддержания гомеостаза клетки . Активация каспаз обеспечивает контролируемую деградацию клеточных компонентов, вызывая гибель клеток с минимальным воздействием на окружающие ткани.
. Каспазы выполняют другие идентифицированные роли в запрограммированной гибели клеток, такие как пироптоз и некроптоз. Эти формы гибели клеток важны для защиты организма от сигналов стресса и патогенных атак. Каспазы также играют роль в воспалении, посредством чего они непосредственно обрабатывают провоспалительные цитокины, такие как про- IL1β. Это сигнальные молекулы, которые позволяют рекрутировать иммунные клетки в инфицированную клетку или ткань. Существуют и другие идентифицированные роли каспаз, такие как пролиферация клеток, подавление опухоли, дифференцировка клеток, нервное развитие и управление аксоном и старение.
Дефицит каспазы был определен как причина развития опухоли. Рост опухоли может происходить за счет комбинации факторов, включая мутацию в гене клеточного цикла, которая устраняет ограничения роста клеток, в сочетании с мутациями в апоптопных белках, таких как каспазы, которые будут реагировать, вызывая гибель клеток в аномально растущих клетках. 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 нервные клетки теряются, таких как болезнь Альцгеймера. Каспазы, участвующие в обработке воспалительных сигналов, также вовлечены в заболевание. Недостаточная активация этих каспаз может повысить восприимчивость организма к инфекции, поскольку соответствующий иммунный ответ может не активироваться. Неотъемлемая роль каспаз в гибели клеток и болезнях привела к исследованию использования каспаз в качестве мишени для лекарств. Например, воспалительная каспаза-1 причастна к возникновению аутоиммунных заболеваний ; препараты, блокирующие активацию каспазы-1, используются для улучшения здоровья пациентов. Кроме того, ученые использовали каспазы в качестве терапии рака для уничтожения нежелательных клеток в опухолях.
Большинство каспаз играют роль в запрограммированной гибели клеток. Они приведены в таблице ниже. Ферменты подразделяются на три типа: инициатор, палач и воспалительный.
| Запрограммированная гибель клеток | Тип каспазы | Фермент | Организм |
|---|---|---|---|
| Апоптоз | Инициатор | каспаза 2 | человек и мышь |
| каспаза 8 | человек и мышь | ||
| каспаза 9 | человек и мышь | ||
| каспаза 10 | только человек | ||
| Палач | каспаза 3 | человек и мышь | |
| каспаза 6 | человек и мышь | ||
| каспаза 7 | человек и мышь | ||
| пироптоз | воспалительный | каспаза 1 | человек и мышь |
| каспаза 4 | человек | ||
| каспаза 5 | человек | ||
| каспаза 11 | мышь | ||
| каспаза 12 | мышь и некоторые люди | ||
| каспаза 13 | только крупный рогатый скот | ||
| Другие роли | Другое | Каспаза 14 | человек и мышь |
Обратите внимание, что в дополнение к апоптозу, каспаза-8 также требуется для ингибирования другого форма запрограммированной гибели клеток, называемая некроптозом. Каспаза-14 играет роль в дифференцировке кератиноцитов эпителиальных клеток и может образовывать эпидермальный барьер, защищающий от обезвоживания и УФ-излучения.
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 с последующим расщеплением на малую субъединицу и большую субъединицу. Большая и малая субъединицы связываются друг с другом с образованием активной гетеродимерной каспазы. Активный фермент часто существует в виде гетеротетрамера в биологической среде, где димер прокаспазы расщепляется вместе с образованием гетеротетрамера.
Инициируется активация инициаторных каспаз и воспалительных каспаз димеризацией, которой способствует связывание с адапторными белками посредством мотивов белок-белкового взаимодействия, которые вместе именуются складками смерти. Складки смерти расположены в структурном домене каспаз, известном как про-домен, который больше в тех каспазах, которые содержат складки смерти, чем в тех, которые не содержат. Продомен внутренних каспаз инициатора и воспалительных каспаз содержит единственную складку смерти, известную как домен рекрутирования каспаз (CARD), в то время как продомен внешних каспаз инициатора содержит две складки смерти, известные как эффекторные домены смерти (DED).
Мультипротеиновые комплексы часто образуются во время активации каспаз. Некоторые активирующие мультибелковые комплексы включают:
После соответствующего димеризации каспазы расщепляют междоменные линкерные области, образуя большую и малую субъединицу. Это расщепление позволяет петлям активного сайта принимать конформацию, благоприятную для ферментативной активности.
Расщепление каспаз инициатора и палача происходит разными способами, указанными в таблице ниже.
| Инициатор каспазы каспаза-8 |  Инициатор Про-каспазы имеют продомен, который позволяет рекрутировать другие прокаспазы, которые впоследствии димериз. Обе молекулы прокаспазы подвергаются автокатализу. Это приводит к удалению продомена и расщеплению линкерной области между большой и малой субъединицей. Гетеротетрамер формируется |  PDB-изображением каспазы 8 (3KJQ) в «биологической сборке». Два оттенка синего используются для обозначения двух маленьких солнечных лучей, а два оттенка фиолетового представляют две большие субъединицы |
| Executioner Caspase Caspase-3 |  Executioner caspase конститутивно существуют в виде гомодимеров. Красные срезы представляют области, где каспазы-инициаторы расщепляют каспазы-палачи. Результирующая малая и большая субъединица каждой каспазы-3 будут ассоциироваться, в результате чего получится гетеротетрамер. |  PDB-изображение каспазы 3 (4QTX) в «биологической сборке». Два оттенка синего используются для представления двух маленьких сунитов, а два оттенка пурпурного представляют две большие субъединицы |
Инициаторные каспазы активируются внутренними и внешними путями апоптоза. Это приводит к активации других каспаз, в том числе каспаз-палачей, которые осуществляют апоптоз путем расщепления клеточных компонентов. Апоптоз - это форма запрограммированной гибели клеток, при которой клетка претерпевает морфологические изменения, чтобы минимизировать ее влияние на окружающую среду. клетки, чтобы избежать иммунного ответа. Клетка сжимается и уплотняется - цитоскелет разрушается, ядерная оболочка разбирается, и фрагменты ДНК поднимаются вверх. Это приводит к тому, что клетки образуют замкнутые тела, называемые «пузырьками», чтобы избежать высвобождения клеточных компонентов во внеклеточную среду. Кроме того, содержание фосфолипидов в клеточной мембране изменяется, что делает умирающую клетку более восприимчивой к фагоцитарной атаке и удалению.
Апоптопные каспазы подразделяются на подкатегорию:
Как только каспазы-инициаторы активируются, они вызывают цепную реакцию, активируя несколько других каспаз-исполнителей. Каспазы-исполнители разлагают более 600 клеточных компонентов, чтобы вызвать морфологические изменения апоптоза.
Примеры каспазного каскада во время апоптоза:
Пироптоз - это форма запрограммированной гибели клеток, которая по своей природе вызывает иммунный ответ. Он морфологически отличается от других типов клеточной смерти - клетки набухают, разрываются и высвобождают провоспалительное клеточное содержимое. Это делается в ответ на ряд стимулов, включая микробные инфекции, а также сердечные приступы (инфаркты миокарда). Каспаза-1, каспаза-4 и каспаза-5 у людей и каспаза-1 и каспаза-11 у мышей играют важную роль в индукции гибели клеток в результате пироптоза. Это ограничивает жизнь и время распространения внутриклеточных и внеклеточных патогенов.
Активация каспазы-1 опосредована набором белков, что позволяет обнаруживать ряд патогенных лигандов. Некоторые медиаторы активации каспазы-1: NOD-подобные повторы, богатые лейцином (NLR), AIM2 -подобные рецепторы (ALR), пирин и IFI16.
Эти белки позволяют активировать каспазу-1 посредством образуя мультибелковый активирующий комплекс, называемый инфламмасомами. Например, NOD Like Leucine Rich Repeat NLRP3 будет ощущать отток ионов калия из клетки. Этот клеточный ионный дисбаланс приводит к олигомеризации молекул NLRP3 с образованием мультибелкового комплекса, называемого инфламмасомой NLRP3. Про-каспаза-1 находится в непосредственной близости с другой молекулой прокаспазы, чтобы димеризоваться и подвергаться аутопротеолитическому расщеплению.
Некоторые патогенные сигналы, которые приводят к пироптозу каспазы-1, перечислены ниже:
Пироптоз каспазой-4 и каспазой-5 у людей и каспазой-11 у мышей
Эти каспазы обладают способностью вызывать прямой пироптоз, когда молекулы липополисахарида (ЛПС) (обнаружены в клеточной стенке грамотрицательные бактерии) обнаруживаются в цитоплазме клетки-хозяина. Например, каспаза 4 действует как рецептор и протеолитически активируется без необходимости в воспламеняющем комплексе или активации каспазы-1.
Важнейшим субстратом для пироптопных каспаз является Gasdermin D ( GSDMD)
Воспаление - это защитная попытка организма восстановить гомеостатическое состояние после нарушения из-за вредного стимула, такого как повреждение ткани или бактериальная инфекция.
Каспаза-1, каспаза-4, каспаза-5 и каспаза-11 считаются «воспалительными каспазами».
H. Роберт Хорвиц первоначально установил важность каспаз в апоптозе и обнаружил, что ген ced-3 необходим для гибели клеток, которая имела место во время развития нематоды C. elegans. Хорвиц и его коллега Юниинг Юань обнаружили в 1993 году, что белок, кодируемый геном ced-3, представляет собой цистеиновую протеазу со свойствами, аналогичными ферменту, превращающему интерлейкин-1-бета млекопитающих (ICE). (теперь известная как каспаза 1). В то время ICE был единственным известным каспазом. Впоследствии были идентифицированы и другие каспазы млекопитающих, помимо каспаз у организмов, таких как плодовая мушка Drosophila melanogaster.
В 1996 году исследователи приняли решение о номенклатуре каспаз. Во многих случаях конкретная каспаза была идентифицирована одновременно более чем одна лаборатория; тогда каждый из них дал бы белку другое имя. Например, каспаза 3 была известна как СРР32, апопаин и Яма. Поэтому каспазы были пронумерованы в том порядке, в котором они были идентифицированы. Поэтому ICE была переименована в каспаза 1. ICE была первой охарактеризованной каспазой млекопитающих из-за ее сходства с геном смерти нематод ced-3, но, похоже, основная роль этого фермента заключается в опосредовании воспаления, а не гибели клеток..
У животных апоптоз индуцируется каспазами, а у грибов и растений апоптоз индуцируется аргинином и лизин-специфическими каспазоподобными протеазами, называемыми метакаспазами. Поиск по гомологии выявил близкую гомологию между каспазами и каспазоподобными белками ретикуломиксы (одноклеточного организма). Филогенетическое исследование показывает, что дивергенция последовательностей каспазы и метакаспазы произошла до расхождения эукариот.
Биологический портал 