КАСПАЗА: СТРУКТУРА, ТИПИ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

У каспаза є ефекторними білками шляхами запрограмованої загибелі клітин або апоптозу. Вони належать до сімейства високозбережених цистеїнозалежних та аспартат-специфічних протеаз, від яких походить їх назва.

Вони використовують цистеїновий залишок на своєму активному сайті як каталітичний нуклеофіл для розщеплення білкових субстратів із залишками аспарагінової кислоти в їх структурах, і ця функція є визначальною для виконання апоптотичної програми.

Структура каспази-3 (Джерело: Jawahar Swaminathan та співробітники MSD в Європейському інституті біоінформатики через Wikimedia Commons)

Апоптоз - надзвичайно важлива подія для багатоклітинних організмів, оскільки він відіграє важливу роль у підтримці гомеостазу та цілісності тканин.

Роль каспаз у апоптозі сприяє критичним процесам гомеостазу та ремонту, а також розщепленню структурних компонентів, що призводять до впорядкованого та систематичного демонтажу вмираючої клітини.

Ці ферменти були спочатку описані у C. elegans, а потім споріднені гени були знайдені у ссавців, де їх функції встановлювались за допомогою різних генетичних та біохімічних підходів.

Будова

Кожна активна каспаза походить від переробки та самоасоціації двох попередників цимогенних про-каспаз. Ці попередники є тристоронніми молекулами з «спокою» каталітичною активністю та молекулярною масою від 32 до 55 кДа.

Три області відомі як p20 (великий внутрішній центральний домен 17-21 кДа і містить активний сайт каталітичної субодиниці), p10 (С-кінцевий домен 10-13 кДа, також відомий як мала каталітична субодиниця) і домен DD. (домен смерті, 3-24 кДа, розташований на N-кінці).

У деяких прокаспазах домени p20 та p10 розділені невеликою послідовністю проміжків. Продомейни смерті або DD на кінці N-кінцевих мають 80-100 залишків, які складають структурні мотиви надсімейства, що беруть участь у трансдукції апоптотичних сигналів.

Домен DD, у свою чергу, поділяється на два піддомени: домен смерті ефектора (DED) та добір каспазного набору (CARD), які утворені 6-7 антипаралельними α-амфіпатичними спіралями, які взаємодіють із інші білки через електростатичну або гідрофобну взаємодію.

Каспази мають багато збережених залишків, які відповідають за загальне встановлення структури та їх взаємодію з лігандами під час збирання та переробки цимогенів, а також з іншими регулюючими білками.

Прокаспази 8 і 10 мають два DED-домени, розташовані в тандемі у межах їхнього домену. Прокаспази 1, 2, 4, 5, 9, 11 і 12 мають домен CARD. Обидва домени відповідають за набір ініціаторських каспаз до комплексів, що викликають смерть або запалення.

Активація

Кожна прокаспаза активується реагуванням на конкретні сигнали та селективною протеолітичною обробкою на конкретних залишках аспарагінової кислоти. Обробка закінчується утворенням гомодимерних протеаз, які ініціюють апоптотичний процес.

Каспази ініціатора активуються димеризацією, а ефекторні активацією розщепленням між доменами. Є два маршрути для активації каспазів; зовнішні та внутрішні.

Зовнішній шлях або опосередкований рецептором смерть шлях передбачає участь комплексу сигналізації смерті як комплексу активатора для про-каспаз-8 та 10.

Внутрішній шлях або опосередкований мітохондрією шлях використовує апоптосому як активаторний комплекс про-каспази-9.

Типи

Ссавці мають близько 15 різних каспаз, що походять з однієї генетичної родини. Ця надсімейність охоплює інші підсемейства, які класифікуються залежно від положення продоменів та їх функцій.

Зазвичай у ссавців відомі 3 підкласи каспаз:

1-запальні або каспази I групи: каспази з великими продоменами (Каспаза-1, Каспаза-4, Каспаза-5, Каспаза-12, Каспаза-13 і Каспаза-14), які відіграють фундаментальну роль у дозріванні цитокінів і при запальній відповіді.

Каспази, що ініціюють 2-апоптоз або II групу: вони мають довгий про-домен (більше 90 амінокислот), що містить або DED-домен (каспаза-8 та каспаза-10), або домен набору каспази (каспаза-2 і каспаза-9)

3-ефекторні каспази або III група: вони мають короткі продомени (20-30 амінокислот).

Особливості

Більшість функцій окремих каспаз були з'ясовані за допомогою експериментів з придушенням генів або отримання мутантів, встановлюючи окремі функції для кожної з них.

Апоптотичні функції

Незважаючи на існування апоптотичних шляхів, що не залежать від каспази, ці ферменти є критичними для багатьох запрограмованих подій загибелі клітин, необхідних для правильного розвитку значної частини систем багатоклітинних організмів.

В апоптотичних процесах ініціюючими каспазами є каспази -2, -8, -9 і -10, тоді як серед ефекторних каспаз є каспази -3, -6 і -7.

Її специфічні внутрішньоклітинні мішені включають ядерну пластину та цитоскелетні білки, розщеплення яких сприяє загибелі клітин.

Неапоптотичні функції

Каспази відіграють не тільки апоптотичну роль у клітині, оскільки активація деяких із цих ферментів була продемонстрована за відсутності процесів загибелі клітин. Його неапоптотична роль передбачає протеолітичну та непротеолітичну функції.

Вони беруть участь у протеолітичній обробці ферментів, щоб уникнути демонтажу клітин; його цілі включають білки, такі як цитокіни, кінази, фактори транскрипції та полімерази.

Ці функції можливі завдяки посттрансляційній обробці про-каспапаз або їх протеолітичних мішеней, просторовому поділу ферментів між клітинами клітини або регуляції іншими білками-ефекторами вище.

Імунна функція

Деякі каспази беруть участь у переробці важливих факторів імунної системи, такий, як у випадку з каспазою-1, яка переробляє про-Інтерлейкін-1β з утворенням зрілого IL-1β, який є ключовим посередником запальної реакції.

Каспаза-1 також відповідає за обробку інших інтерлейкінів, таких як IL-18 та IL-33, які беруть участь у запальній відповіді та вродженій імунній відповіді.

У клітинній проліферації

Багато в чому каспази беруть участь у проліферації клітин, особливо в лімфоцитах та інших клітинах імунної системи, причому каспаза-8 є одним з найважливіших ферментів.

Каспаза-3 також має функції регуляції клітинного циклу, оскільки він здатний переробляти інгібітор циклінозалежної кінази (CDK) p27, що сприяє прогресуванню індукції клітинного циклу.

Інші функції

Деякі каспази беруть участь у просуванні диференціації клітин, особливо клітин, що переходять у постмітотичний стан, що іноді вважають процесом неповного апоптозу.

Каспаза-3 має вирішальне значення для правильної диференціації м’язових клітин, інші каспази також беруть участь у диференціації мієлоїдів, моноцитів та еритроцитів.

Список літератури

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - оновлення. Порівняльна біохімія та фізіологія, частина B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Десятиліття каспазів. Онкоген, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Каспаси ссавців: структура, активація, субстрати та функції під час апоптозу. Щорічний огляд біохімії, 68, 383–424.
4. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., … Мартін, К. (2003). Молекулярна клітинна біологія (5-е видання). Фрімен, WH & Company.
5. Ніколсон, Д., і Торнберрі, Н. (1997). Каспази: вбивчі протеази. Огляди TIBS, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR, & Salvesen, GS (1998). Властивості каспазів. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17–31.