CASPASE: STRUCTUUR, TYPEN EN FUNCTIES - BIOLOGIE - 2025

De caspasen zijn effector proteïnen route van geprogrammeerde celdood of apoptose. Ze behoren tot een familie van sterk geconserveerde cysteïne-afhankelijke en aspartaatspecifieke proteasen, waarvan hun naam afkomstig is.

Ze gebruiken een cysteïneresidu op hun actieve plaats als een katalytisch nucleofiel om eiwitsubstraten met asparaginezuurresiduen in hun structuren te splitsen en deze functie is cruciaal voor de uitvoering van het apoptotische programma.

Structuur van caspase-3 (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-personeel van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Apoptose is een buitengewoon belangrijke gebeurtenis bij meercellige organismen, aangezien het een belangrijke rol speelt bij het handhaven van homeostase en weefselintegriteit.

De rol van caspasen bij apoptose draagt ​​bij aan de kritische processen van homeostase en herstel, evenals de splitsing van structurele componenten die resulteren in de ordelijke en systematische ontmanteling van de stervende cel.

Deze enzymen werden voor het eerst beschreven in C. elegans en vervolgens werden verwante genen gevonden bij zoogdieren, waar hun functies werden vastgesteld via verschillende genetische en biochemische benaderingen.

Structuur

Elke actieve caspase is afgeleid van de verwerking en zelfassociatie van twee precursor zymogene pro-caspasen. Deze voorlopers zijn tripartiete moleculen met "slapende" katalytische activiteit en een molecuulgewicht variërend van 32 tot 55 kDa.

De drie regio's staan ​​bekend als p20 (groot intern centraal domein van 17-21 kDa en met de actieve plaats van de katalytische subeenheid), p10 (C-terminaal domein van 10-13 kDa ook bekend als kleine katalytische subeenheid) en DD-domein. (doodsdomein, 3-24 kDa, gelegen aan het N-uiteinde).

In sommige pro-caspases worden de p20- en p10-domeinen gescheiden door een kleine reeks spaties. De prodomeinen van dood of DD aan het N-terminale uiteinde hebben 80-100 residuen die de structurele motieven vormen van de superfamilie die betrokken zijn bij de transductie van apoptotische signalen.

Het DD-domein is op zijn beurt verdeeld in twee subdomeinen: het effectordooddomein (DED) en het caspase-rekruteringsdomein (CARD), die bestaan ​​uit 6-7 antiparallelle α-amfipatische helices die een wisselwerking hebben met andere eiwitten door elektrostatische of hydrofobe interacties.

Caspasen bevatten veel geconserveerde residuen die verantwoordelijk zijn voor de algemene opbouw van structuur en hun interactie met liganden tijdens assemblage en verwerking van zymogenen, evenals met andere regulerende eiwitten.

Pro-caspases 8 en 10 hebben twee DED-domeinen die achter elkaar zijn gerangschikt binnen hun pro-domein. Pro-caspases 1, 2, 4, 5, 9, 11 en 12 hebben een CARD-domein. Beide domeinen zijn verantwoordelijk voor de rekrutering van de caspasen van de initiator naar de complexen die de dood of ontsteking veroorzaken.

Activering

Elke pro-caspase wordt geactiveerd door te reageren op specifieke signalen en door selectieve proteolytische verwerking op specifieke asparaginezuurresiduen. De verwerking eindigt met de vorming van homodimere proteasen die het apoptotische proces initiëren.

De initiator-caspasen worden geactiveerd door dimerisatie, terwijl de effector-caspasen worden geactiveerd door splitsing van de interdomeinen. Er zijn twee routes voor het activeren van caspases; het extrinsieke en het intrinsieke.

De extrinsieke route of door de doodreceptor gemedieerde route impliceert de deelname van het doodsignaleringscomplex als een activatorcomplex voor pro-caspases-8 en 10.

De intrinsieke route of de mitochondriaal-gemedieerde route maakt gebruik van het apoptosoom als een activatorcomplex voor pro-caspase-9.

Soorten

Zoogdieren hebben ongeveer 15 verschillende caspasen, afkomstig uit dezelfde genetische familie. Deze superfamilie omvat andere subfamilies die zijn gecategoriseerd afhankelijk van de positie van de pro-domeinen en hun functies.

Bij zoogdieren zijn meestal 3 subklassen van caspasen bekend:

1-Inflammatoire of groep I caspasen: caspasen met grote pro-domeinen (Caspase-1, caspase-4, caspase-5, caspase-12, caspase-13 en caspase-14) die een fundamentele rol spelen bij de rijping van cytokines en in de ontstekingsreactie.

2-apoptose-initiërende of groep II-caspasen: ze hebben een lang pro-domein (meer dan 90 aminozuren) met ofwel een DED-domein (caspase-8 en caspase-10) of een caspase-rekruteringsdomein (caspase-2 en caspase-9)

3-Effector-caspasen of groep III: ze hebben korte pro-domeinen (20-30 aminozuren).

Kenmerken

De meeste functies van individuele caspasen zijn opgehelderd door middel van experimenten met het uitschakelen van genen of het verkrijgen van mutanten, waarbij voor elk specifieke functies zijn vastgesteld.

Apoptotische functies

Ondanks het bestaan ​​van caspase-onafhankelijke apoptotische routes, zijn deze enzymen cruciaal voor veel van de geprogrammeerde celdoodgebeurtenissen, die nodig zijn voor de juiste ontwikkeling van een groot deel van de systemen van meercellige organismen.

Bij apoptotische processen zijn de initiërende caspasen caspasen -2, -8, -9 en -10, terwijl onder de effectorcaspasen caspasen -3, -6 en -7 zijn.

Zijn specifieke intracellulaire doelwitten omvatten nucleaire lamina en cytoskeletale eiwitten, waarvan de splitsing celdood bevordert.

Niet-apoptotische functies

Caspasen spelen niet alleen een apoptotische rol in de cel, aangezien de activering van sommige van deze enzymen is aangetoond in afwezigheid van celdoodprocessen. Zijn niet-apoptotische rol omvat proteolytische en niet-proteolytische functies.

Ze nemen deel aan de proteolytische verwerking van enzymen om ontmanteling van cellen te voorkomen; zijn doelwitten omvatten eiwitten zoals cytokinen, kinasen, transcriptiefactoren en polymerasen.

Deze functies zijn mogelijk dankzij de posttranslationele verwerking van pro-caspasen of hun proteolytische doelen, de ruimtelijke scheiding van enzymen tussen celcompartimenten of regulering door andere stroomopwaartse effector-eiwitten.

Immuunfunctie

Sommige caspasen zijn betrokken bij de verwerking van belangrijke factoren in het immuunsysteem, zoals het geval van caspase-1, dat pro-interleukine-1β verwerkt om volwassen IL-1β te vormen, wat een belangrijke mediator is voor de ontstekingsreactie.

Caspase-1 is ook verantwoordelijk voor de verwerking van andere interleukines zoals IL-18 en IL-33, die betrokken zijn bij de ontstekingsreactie en de aangeboren immuunreactie.

Bij celproliferatie

Caspasen zijn in veel opzichten betrokken bij celproliferatie, vooral in lymfocyten en andere cellen van het immuunsysteem, waarbij caspase-8 een van de belangrijkste betrokken enzymen is.

Caspase-3 lijkt ook functies te hebben bij de regulering van de celcyclus, aangezien het in staat is om de cycline-afhankelijke kinase (CDK) -remmer p27 te verwerken, die bijdraagt ​​aan de progressie van celcyclusinductie.

Andere functies

Sommige caspasen nemen deel aan de voortgang van celdifferentiatie, vooral van cellen die een post-mitotische toestand ingaan, wat soms wordt beschouwd als een proces van onvolledige apoptose.

Caspase-3 is cruciaal voor de juiste differentiatie van spiercellen, en andere caspasen zijn ook betrokken bij de differentiatie van myeloïden, monocyten en erytrocyten.

Referenties

1. Chowdhury, I., Tharakan, B., & Bhat, GK (2008). Caspases - Een update. Vergelijkende biochemie en fysiologie, deel B, 151, 10–27.
2. Degterev, A., Boyce, M., & Yuan, J. (2003). Een decennium van caspases. Oncogene, 22, 8543-8567.
3. Earnshaw, WC, Martins, LM, & Kaufmann, SH (1999). Caspasen van zoogdieren: structuur, activering, substraten en functies tijdens apoptose. Annual Review of Biochemistry, 68, 383-424.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Moleculaire celbiologie (5e ed.). Freeman, WH & Company.
5. Nicholson, D., & Thornberry, N. (1997). Caspases: dodelijke proteasen. TIBS-beoordelingen, 22, 299-306.
6. Stennicke, HR en Salvesen, GS (1998). Eigenschappen van de caspasen. Biochimica et Biophysica Acta, 1387, 17-31.