Каспазы (; сокр. от ) — протеолитические ферменты, относящихся к семейству цистеиновых протеаз (КФ 3.4.22), расщепляющих белки исключительно после аспартата. Каспазы играют важную роль в процессах апоптоза, некроза и воспалительных процессах.
Каспазы подразделяют на инициаторные, воспалительные и эффекторные (экзекуторные). Все каспазы первоначально синтезируются в неактивной форме, и активируются по мере необходимости инициаторными каспазами отсечением небольшого участка. Инициаторные каспазы активируются более сложным образом — специальными белковыми комплексами: апоптосомами, PIDD-осомами, DISC. По состоянию на 2009 г. у человека имеется 11 или 12 подтверждённых каспаз и 10 у мышей, выполняющих разнообразные клеточные функции.
Роль этих ферментов в запрограммированной гибели клеток была впервые определена в 1993 году, а их функции в апоптозе хорошо охарактеризованы. Такая форма запрограммированной гибели клеток, широко распространённая в процессе развития и в течение всей жизни служит для поддержания клеточного гомеостаза. Активация каспаз обеспечивает контролируемое деструкции клеточных компонентов, что приводит к гибели клеток с минимальным воздействием на окружающие ткани (без их вовлечения в процесс).
Каспазы играют другие определённые роли в запрограммированной гибели клеток, таких как пироптоз и некроптоз. Данные формы гибели клеток важны для защиты организма от сигналов клеточного стресса и атаки патогенами. Каспазы также играют роль в воспалении, посредством чего они непосредственно усиливают процессинг провоспалительных цитокинов, таких как про-IL1β. Это сигнальные молекулы, которые позволяют рекрутировать иммунные клетки, атакующих инфицированные клетки или ткани. Существуют и другие идентифицированные роли каспаз, такие как пролиферация клеток, подавление опухолей, дифференцировка клеток, развитие нервной системы, направление аксонов и старение.
Дефицит каспазы был идентифицирован как одна из причин развития новообразований. Рост опухоли может происходить за счёт комбинации факторов, в том числе мутации в генах клеточного цикла, которые снимают ограничения роста клеток, в сочетании с мутациями в апоптопных белках, таких как каспазы, которые активируются и вызывают гибель аномально растущих клеток. И наоборот, чрезмерная активация некоторых каспаз, например, каспазы 3, может привести к чрезмерной запрограммированной гибели клеток. Такое являение наблюдается при некоторых нейродегенеративных заболеваниях, когда происходит необратимая потеря нервных клеток, примером служит болезнь Альцгеймера. Каспазы, связанные с процессингом воспалительных сигналов, также вовлечены в протекание многих заболеваний. Недостаточная активация данных каспаз может повысить восприимчивость организма к инфекции, так как соответствующий иммунный ответ может не произойти. Неотъемлемая роль каспаз в гибели клеток и протекании заболеваний привела к исследованию использования ферментов в качестве мишеней для лекарств (таргетная терапия). Например, воспалительная каспаза 1 участвует в патогенезе аутоиммунных заболеваний; препараты, блокирующие активацию каспазы 1, использовались для улучшения здоровья пациентов. Кроме того, учёные использовали каспазы в качестве терапии злокачественных опухолей для уничтожения нежелательных клеток в бластомогенных тканях.
Функциональная классификация каспаз Большинство каспаз играют роль в запрограммированной гибели клеток. Они обобщены в таблице ниже. Ферменты подразделяются на три типа: инициаторные, эффекторные или экзекуторные и воспалительные.
Запрограммированная смерть клеток Тип каспазы Фермент Организм, в котором обнаружены каспазы Апоптоз Инициаторные Каспаза 2 человек и мышь Каспаза 8 человек и мышь Каспаза 9 человек и мышь Каспаза 10 только человек Экзекуторные (эффекторные) Каспаза 3 человек и мышь Каспаза 6 человек и мышь Каспаза 7 человек и мышь Пироптоз Воспалительные Каспаза 1 человек и мышь Каспаза 4 человек Каспаза 5 человек Каспаза 11 мышь Каспаза 12 мышь и некоторые люди Каспаза 13 только коровы Другая роль Другие Каспаза 14 человек и мышь
Обратите внимание, что в дополнение к апоптозу каспаза 8 также необходима для ингибирования другой формы запрограммированной гибели клеток, называемой некроптозом. Каспаза 14 играет роль в дифференцировке кератиноцитов эпителиальных клеток и может образовывать эпидермальный барьер, который защищает от дегидратации (обезвоживания) и ультрафиолетового излучения.
Активация каспаз Каспазы синтезируются как неактивные зимогены (прокаспазы), которые активируются только после соответствующего стимула. Данный посттрансляционный уровень контроля позволяет быстро и жестко регулировать фермент.
Активация включает димеризацию и часто олигомеризацию прокаспаз с последующим расщеплением на две субъединицы различного размера — большую и малую. Большая и маленькая субъединицы связываются друг с другом, образуя активную гетеродимерную каспазу. Активный фермент в природе часто существует в качестве гетеротетрамера, где димер прокаспазы расщепляется вместе с образованием гетеротетрамера. Димеризация Активация инициаторных каспаз и воспалительных каспаз инициируется димеризацией, посредством связывания с адапторными белками, имеющих мотивы межбелкового взаимодействия, так называемые фолды смерти. Фолды смерти расположены в структурном домене каспаз, известном как про-домен, его больше в тех каспазах, которые содержат фолды смерти, чем в не содержащих каспазах. Про-домен внутренних исходных инициаторных каспаз и воспалительных каспаз содержит один смертельный фолд, известный как «домен активации и рекрутирования каспазы» (сокр. CARD), тогда как про-домен внешних инициаторных каспаз содержит два фолда смерти, известных как «домены эффектора смерти» (сокр. DED).
Часто, во время активации каспаз образуются мультипротеиновые комплексы. Некоторые, активирующиеся мультипротеиновые комплексы включают в себя:
«Сигнальный комплекс, индуцирующий смерть» (сокр. DISC), образуется во время внешней (рецептор-зависимой) стадии апоптоза Апоптосому во время собственного апоптоза Инфламмасому во время пироптоза.
Расщепление После соответствующего процесса димеризации каспазы расщепляются в междоменных линкерных областях, образуя большую и маленькую субъединицу. Такое расщепление позволяет петлям активного сайта принимать конформацию, благоприятную для ферментативной активности. Расщепление инициаторных и эффекторных (экзекуторных) каспаз происходит различными способами, описанными в таблице ниже.
Инициаторные каспазы подвержены автоматическому протеолизу, тогда как экзекуторные каспазы расщепляются инициаторными каспазами. Такая иерархия позволяет усиливать цепную реакцию или каскад для деградации клеточных компонентов во время контролируемой гибели клеток.
Инициаторная каспаза Каспаза 8 Экзекуторная каспаза Каспаза Каспазы 3
Некоторые роли, исполняемые каспазами В апоптозе Апоптоз является формой запрограммированной гибели клеток, когда клетка претерпевает морфологические изменения, которые минимизируют своё влияние на окружающие клетки, чтобы избежать индукции иммунного ответа. Клетка сжимается и конденсируется — цитоскелет разрушается, ядерная оболочка разбирается и происходит фрагментация ДНК. Это приводит к тому, что клетки образуют замкнутые тела, называемые «пузырьками», чтобы избежать высвобождения клеточных компонентов во внеклеточную среду. Кроме того, изменяется содержание фосфолипидов в клеточной мембране, что делает умирающую клетку более восприимчивой к фагоцитарной атаке и утилизации.
Апоптопические каспазы подразделяются на:
Инициаторные каспазы (каспаза 2, каспаза 8, каспаза 9, каспаза 10) Эффекторные (экзекуторные) каспазы (каспаза 3, каспаза 6 и каспаза 7) Как только происходит активация инициаторных каспаз, запускается цепная реакция, приводящая к активации нескольких других эффекторных каспаз. Экзекуторные каспазы разрушают более 600 клеточных компонентов, чтобы вызвать морфологические изменения при апоптозе.
Примеры каспазных каскадов, происходящих во время апоптоза:
Внутренний (митохондриальный) сигнальный путь апоптоза: во время клеточного стресса митохондриальный цитохром c высвобождается в цитозоль. Эта молекула связывает адаптерный белок (APAF-1), который рекрутирует инициаторную каспазу 9 (посредством взаимодействия CARD-CARD). Это приводит к образованию каспазы, активирующей мультипротеиновый комплекс, называемый апоптосомой. После активации инициаторных каспаз, таких как каспаза 9, происходит расщепление и активация других каспаз-эффекторов. Это приводит к деградации клеточных компонентов при апоптозе. Внешний сигнальный путь апоптоза: Каспазный каскад также активируется внеклеточными лигандами посредством рецепторов смерти, расположенных на клеточной поверхности. Это достигается путём формирования полипротеинового сигнального комплекса смерти (DISC), который рекрутирует и активирует прокаспазу. Например, лиганд FasL связывает рецептор FasR на внеклеточной поверхности рецептора; связывание активирует домены смерти в цитоплазматическом хвосте рецептора. Адаптерный белок FADD будет рекрутировать (посредством взаимодействия домена смерти и домена смерти) прокаспазу 8 через домен DED. Данные белки FasR, FADD и прокаспаза 8 образуют «сигнальный комплекс, индуцирующий смерть» (DISC), в котором активируется каспаза 8. Это может привести либо к нисходящей активации внутреннего пути путём индукции митохондриального стресса, либо к прямой активации каспаз-экзекуторов (каспаза 3, каспаза 6 и каспаза 7), предназначенных для разрушения клеточных компонентов, как показано внизу на обобщённой схеме.
В пироптозе Пироптоз является одной из форм запрограммированной гибели клеток, которая по своей природе вызывает иммунный ответ. Он морфологически отличается от других типов гибели клеток — клетки набухают, разрываются и выделяют провоспалительное клеточное содержимое. Это происходит в ответ на ряд раздражителей, включая микробные инфекции, а также сердечные приступы (например, происходящие при инфаркте 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 при пироптозе. Данный процесс ограничивает жизнь и время пролиферации внутриклеточных и внеклеточных патогенов.
Участие каспазы 1 в пироптозе Активация каспазы 1 опосредована репертуаром белков, что позволяет выявлять целый ряд патогенных лигандов. Некоторыми медиаторами активации каспазы 1 являются: NOD-подобные рецепторы (NLRs), AIM2-подобные рецепторы (ALRs), Пирин и IFI16. Данные белки позволяют активировать каспазу 1 путём образования активирующего мультипротеинового комплекса, называемого инфламмасомой.
Например, NOD-подобный обогащённый лейцином повтор, NLRP3 чувствителен к оттоку ионов калия из клетки (K+). Этот клеточный ионный дисбаланс приводит к олигомеризации молекул NLRP3 с образованием мультипротеинового комплекса, называемого NLRP3-инфламмасомой. Прокаспаза 1 приводится в непосредственную близость с другой молекулой прокаспазы, происходит дальнейший процесс димеризации и аутопротеолитическое расщеплению.
Некоторые патогенные сигналы, которые приводят к пироптозу, вызванный активацией каспазой 1, перечислены ниже:
ДНК в цитозоле клетки связывается с AIM2-подобными рецепторами, вызывающими пироптоз Аппарат бактериальной системы секреции III типа (встречается у бактерий Yersinia, Salmonella и Shigella) связывается с NOD-подобным богатым лейцином повтором, называемым NAIP (NAIP1 у человека и NAIP4 у мышей).
Пироптоз, вызванный активацией каспазы 4 и каспазы 5 у людей и каспазы 11 у мышей
Эти каспазы обладают способностью вызывать прямой пироптоз, когда молекулы липополисахарида (LPS) (обнаруженные в клеточной стенке грамотрицательных бактерий) проникают и идентифицируются в цитоплазме клетки-хозяина. Например, каспаза 4 действует как рецептор и протеолитически активируется без необходимости в инфламмасоме или без активации каспазы 1.
Важнейшим нижестоящим субстратом для пироптопических каспаз является гасдермин D (GSDMD).