CASPASE: STRUKTURA, VRSTE IN FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

V kaspaze so efektor beljakovine pot programirana celična smrt ali apoptozo. Spadajo v družino visoko ohranjenih cisteinskih odvisnih in aspartat specifičnih proteaz, od koder izvira njihovo ime.

Na svojem aktivnem mestu uporabljajo cisteinski ostanek kot katalitični nukleofil, da cepijo proteinske substrate z ostanki asparaginske kisline v svojih strukturah in ta funkcija je ključna za izvajanje apoptotičnega programa.

Struktura kaspaze-3 (Vir: Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko prek Wikimedia Commons)

Apoptoza je izredno pomemben dogodek pri večceličnih organizmih, saj ima pomembno vlogo pri vzdrževanju homeostaze in celovitosti tkiva.

Vloga kaspaz pri apoptozi prispeva k kritičnim procesom homeostaze in popravljanju, pa tudi cepitvi strukturnih sestavnih delov, ki povzročajo urejeno in sistematično demontažo umirajoče celice.

Ti encimi so bili najprej opisani v C. elegans, nato pa so bili povezani geni najdeni pri sesalcih, kjer so bile njihove funkcije določene z različnimi genetskimi in biokemičnimi pristopi.

Struktura

Vsaka aktivna kaspaza izhaja iz predelave in samo-povezave dveh predhodnikov zimogenih pro-kaspaz. Ti predhodniki so tristranske molekule z "mirujočim" katalitičnim delovanjem in molekulsko maso od 32 do 55 kDa.

Tri regije so znane kot p20 (velika notranja osrednja domena 17-21 kDa in vsebuje aktivno mesto katalitične podenote), p10 (C-terminalna domena 10-13 kDa, znana tudi kot majhna katalitična podenota) in DD domena. (smrtna domena, 3-24 kDa, ki se nahaja na koncu N).

V nekaterih pro-kaspazah sta domeni p20 in p10 ločeni z majhnim zaporedjem razmikov. Prodomene smrti ali DD na koncu N-terminala imajo 80-100 ostankov, ki predstavljajo strukturne motive superdružine, vključene v transdukcijo apoptotičnih signalov.

Domena DD je razdeljena na dve poddomenami: domena smrti efektorja (DED) in domena za zaposlovanje kaspaze (CARD), ki sta sestavljeni iz 6-7 protiparalnih α-amfipatskih vijačnic, ki delujejo na drugi proteini s pomočjo elektrostatičnih ali hidrofobnih interakcij.

Kaspaze imajo veliko ohranjenih ostankov, ki so odgovorni za splošno vzpostavitev strukture in njihovo interakcijo z ligandi med sestavljanjem in predelavo zimogenov, pa tudi z drugimi regulativnimi proteini.

Pro-kaspazi 8 in 10 imata dve domeni DED, urejeni v tandemu, v okviru svoje domene. Pro-kaspaze 1, 2, 4, 5, 9, 11 in 12 imajo domeno CARD. Obe domeni sta odgovorni za zaposlovanje iniciacijskih kaspa v komplekse, ki povzročajo smrt ali vnetje.

Aktivacija

Vsaka pro-kaspaza se aktivira z odzivanjem na specifične signale in s selektivno proteolitično predelavo na specifične ostanke asparaginske kisline. Obdelava se konča s tvorbo homodimernih proteaz, ki sprožijo apoptotični proces.

Kasneje iniciatorja se aktivirajo z dimerizacijo, efektorske pa s cepitvijo meddomena. Obstajata dve poti za aktiviranje kaspaz; zunanji in notranji.

Zunanja pot ali pot posredovana z receptorji pomeni sodelovanje kompleksa signalizacije smrti kot aktivatorjev kompleks za pro-kaspaze-8 in 10.

Intrinzična pot ali pot mitohondrije posreduje apoptosom kot aktivatorski kompleks za pro-kaspazo-9.

Vrste

Sesalci imajo približno 15 različnih kaspaz, ki prihajajo iz iste genetske družine. Ta naddružina zajema druge poddružine, ki so razvrščene glede na položaj poddomena in njihovih funkcij.

Običajno so pri sesalcih tri podklase kaspaz:

1-vnetne kaspaze ali skupine I: kaspaze z velikimi domenami (kaspaza-1, kaspaza-4, kaspaza-5, kaspaza-12, kaspaza-13 in kaspaza-14), ki imajo temeljno vlogo pri zorenju citokinov in pri vnetnem odzivu.

Kaspaze, ki sprožijo 2-apoptozo ali skupina II: imajo dolgo pro-domeno (več kot 90 aminokislin), ki vsebuje bodisi DED domeno (kaspaza-8 in kaspaza-10) bodisi domeno za zaposlovanje kaspaze (kaspaza-2 in kaspaza-9)

3-efektne kaspaze ali skupina III: imajo kratke pro-domene (20-30 aminokislin).

Lastnosti

Večino funkcij posameznih kaspaz je bilo razjasnjenih s poskusi utišanja genov ali pridobivanjem mutantov, pri čemer so bile določene funkcije za vsako.

Apoptotične funkcije

Čeprav obstajajo apoptotične poti, neodvisne od kaspaze, so ti encimi kritični za številne programirane dogodke celične smrti, potrebne za pravilen razvoj večine sistemov večceličnih organizmov.

V apoptotičnih procesih so začetne kaspaze kaspaze -2, -8, -9 in -10, med efektorskimi kaspazami pa kaspaze -3, -6 in -7.

Njeni specifični znotrajcelični cilji vključujejo jedrsko lamino in citoskeletne beljakovine, katerih cepitev spodbuja celično smrt.

Ne-apoptotične funkcije

Kaspaze ne igrajo samo apoptotične vloge v celici, saj se je aktiviranje nekaterih od teh encimov pokazalo v odsotnosti procesov celične smrti. Njegova ne-apoptotična vloga vključuje proteolitične in ne-proteolitične funkcije.

Sodelujejo pri proteolitični predelavi encimov, da bi se izognili razpadu celic; njegovi cilji vključujejo beljakovine, kot so citokini, kinaze, transkripcijski faktorji in polimeraze.

Te funkcije so možne zahvaljujoč posttralacijski obdelavi pro-kaspaz ali njihovih proteolitičnih tarč, prostorskemu ločevanju encimov med celicami ali uravnavanju z drugimi protektorji efektorja.

Imunska funkcija

Nekatere kaspaze sodelujejo pri predelavi pomembnih dejavnikov imunskega sistema, tak primer je kaspaza-1, ki pro-Interlevkin-1β predeluje v zreli IL-1β, ki je ključni mediator za vnetni odziv.

Caspase-1 je odgovoren tudi za predelavo drugih interlevkinov, kot sta IL-18 in IL-33, ki sodelujejo pri vnetnem odzivu in pri prirojenem imunskem odzivu.

Pri celični proliferaciji

Kaspaze so na mnogo načinov vključene v razmnoževanje celic, zlasti v limfocitih in drugih celicah imunskega sistema, pri čemer je kaspaza-8 eden najpomembnejših encimov.

Zdi se, da ima tudi kaspaza-3 funkcije pri uravnavanju celičnega cikla, saj lahko predela zaviralec ciklin-odvisne kinaze (CDK) p27, kar prispeva k napredovanju indukcije celičnega cikla.

Druge funkcije

Nekatere kaspaze sodelujejo pri napredovanju celične diferenciacije, zlasti celic, ki vstopijo v post-mitotsko stanje, kar včasih štejemo kot proces nepopolne apoptoze.

Kaspaza-3 je ključnega pomena za pravilno diferenciacijo mišičnih celic, druge kaspaze pa sodelujejo tudi pri diferenciaciji mieloidov, monocitov in eritrocitov.

Reference

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - posodobitev. Primerjalna biokemija in fiziologija, Del B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Desetletje kaspaz. Onkogen, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Caspases sesalcev: struktura, aktivacija, podlage in funkcije med apoptozo. Letni pregled biokemije, 68, 383–424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molekularna celična biologija (5. izd.). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D., & Thornberry, N. (1997). Caspases: ubijalske proteaze. TIBS pregledi, 22, 299–306.
6. Stennicke, HR in Salvesen, GS (1998). Lastnosti kaspaz. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.