Каспазы

Большинство каспаз играют роль в запрограммированной гибели клеток. Они обобщены в таблице ниже. Ферменты подразделяются на три типа: инициаторные, эффекторные или экзекуторные и воспалительные^[7].

Обратите внимание, что в дополнение к апоптозу каспаза 8 также необходима для ингибирования другой формы запрограммированной гибели клеток, называемой некроптозом^[11]. Каспаза 14 играет роль в дифференцировке кератиноцитов эпителиальных клеток и может образовывать эпидермальный барьер, который защищает от дегидратации (обезвоживания) и ультрафиолетового излучения^[12].

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^[13].

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)^[14][15].

Часто, во время активации каспаз образуются мультипротеиновые комплексы^[13]. Некоторые, активирующиеся мультипротеиновые комплексы включают в себя:

• Индуцирующий смерть сигнальный комплекс (сокр. DISC), образуется во время внешней стадии апоптоза
• Апоптосому во время собственного апоптоза
• Инфламмасому во время пироптоза.

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^[16]. 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	Инициаторная прокаспаза имеет продомен, который позволяет рекрутировать другие прокаспазы, которые впоследствии димеризуются. Обе молекулы прокаспазы подвергаются расщеплению автокаталитическим путём. Это приводит к удалению продомена и расщеплению линкерной области между большой и малой субъединицами. Происходит образование гетеротетрамера.	PDB изображение каспазы 8 (3KJQ) в "биологической сборке". Два оттенка синего цвета использованы для обозначения двух небольших субъединиц (p10), в то время как два оттенка фиолетового цвета представляют две большие субъединицы (p20).
Экзекуторная каспаза Каспаза Каспазы 3	Экзекуторная каспаза конститутивно существует в виде гомодимеров. Красные разрезы представляют области, где инициаторная каспаза расщепляет эффекторную каспазу. Образующиеся малая (p12) и большая субъединица (p17) каждой каспазы 3 в дальнейшем ассоциируется, что приводит к образованию гетеротетрамера. [17]	PDB изображение каспазы 3 (4QTX) в "биологической сборке". Два оттенка синего цвета использованы для обозначения двух небольших единиц, в то время как два оттенка фиолетового цвета представляют две большие субъединицы.

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^[18].

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^[19], чтобы вызвать морфологические изменения при апоптозе.

Примеры каспазных каскадов, происходящих во время апоптоза:

1. Внутренний (митохондриальный) сигнальный путь апоптоза: во время клеточного стресса митохондриальный цитохром с высвобождается в цитозоль. Эта молекула связывает адапторный 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.
2. 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, вызывающий 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^[20].

Обобщённая схема апоптоза млекопитающих.

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)^[21]. 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.

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^[22]. 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. 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^[22].

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^[23]) связывается с NOD-подобным богатым лейцином повтором, называемым NAIP (NAIP1 у человека и NAIP4 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^[22].

Важнейшим нижестоящим субстратом для пироптопических каспаз является гасдермин D (GSDMD)^[24].

Воспаление представляет собой как защитную реакцию организма в результате негативного воздействия вредного раздражителя, таких как повреждение ткани или бактериальная инфекция и направленную на восстановление равновесного (нормального) гомеостатического состояния^[19].

Каспаза 1, каспаза 4, каспаза 5 и каспаза 11 считаются воспалительными каспазами^[7].

• Каспаза 1 является ключевой в активации провоспалительных цитокинов; они действуют как сигналы для иммунных клеток и создают благоприятную среду для рекрутирования иммунных клеток в месте повреждения. Поэтому каспаза 1 играет фундаментальную роль во врождённой иммунной системе. Фермент отвечает за процессинг цитокинов, таких как pro-ILβ и pro-IL18, а также за их секрецию (выделение)^[22].
• Каспаза 4 и 5 у человека и каспаза 11 у мышей играют уникальную роль в качестве рецептора, благодаря чему они связываются с LPS, молекулой, которой богаты поверхности клеток грамотрицательных бактерий. Связывание может привести к процессингу и секреции цитокинов IL-1β и IL-18 путём активации каспазы 1; этот последующий эффект такой же, как описано выше. Это также приводит к секреции другого воспалительного цитокина, который не подвержен процессингу. Молекула цитокина называется про-IL1α. Также имеются данные о воспалительной каспазе, способствующей секреции цитокинов, осуществляемой каспазой 11; процесс происходит путём инактивации мембранного канала, который блокирует секрецию IL-1β^[22].
• Каспазы могут также вызывать воспалительный ответ на транскрипционном уровне. Существуют доказательства того, что данный воспалительный ответ способствует транскрипции ядерного фактора-κB (NF-κB), транскрипционного фактора, который помогает транскрибировать воспалительные цитокины, такие как IFN, TNF, IL-6 и IL-8. Например, каспаза 1 активирует каспазу 7, которая в свою очередь расщепляет поли(АДФ-рибоза)-полимеразу — это активирует транскрипцию генов, контролируемых NF-κB^[19].

Роберт Хорвиц первоначально установил важность каспаз при апоптозе и обнаружил, что ген ced-3 необходим для гибели клеток, которая произошла во время развития нематоды C. elegans. Хорвиц и его коллега Джуниинг Юань обнаружили в 1993 году, что белок, кодируемый геном ced-3, представляет собой цистеиновую протеазу со свойствами, аналогичными ферменту, интерлейкин-1-бета превращающему у млекопитающих (ICE) (в настоящее время известный как каспаза 1). В то время ICE была единственной известной каспазой^[25]. Впоследствии были идентифицированы каспазы других млекопитающих, в дополнение к каспазам, втречаемых в организмах, как, например у плодовой мухи Drosophila melanogaster.

Исследователи определились с номенклатурой каспаз в 1996 году. Во многих случаях конкретная каспаза была идентифицирована одновременно более чем одной лабораторией; каждая из которых тогда дали белкам различные наименования. Например, каспаза 3 была по-разному известна как CPP32, апопаин и Yama. Поэтому каспазы были пронумерованы в том порядке, в котором они были идентифицированы^[26]. Поэтому ICE был переименован в каспазу 1. ICE был первой каспазой млекопитающих, которая была охарактеризована из-за её сходства с геном гибели нематод ced-3, но, по-видимому, основная роль этого фермента заключается в опосредовании воспаления, нежели в гибели клеток.

У животных апоптоз индуцируется каспазами, а у грибов и растений апоптоз индуцируется аргинин- и лизин-специфической каспазоподобной протеазой, называемой метакаспазой. Поиск гомологии выявил тесную гомологию между каспазами и каспазоподобными белками Reticulomyxa (одноклеточного организма). Филогенетическое исследование показывает, что расхождение последовательностей каспазы и метакаспазы происходило до расхождения эукариот^[27].

• Каспазы: общие сведения.