Caspasa - Caspase
Dominio della caspase | |||||||||
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Identificatori | |||||||||
Simbolo | Peptidasi_C14 | ||||||||
Pfam | PF00656 | ||||||||
Clan Pfam | CL0093 | ||||||||
InterPro | IPR002398 | ||||||||
PROSITO | PS50208 | ||||||||
MEROPS | C14 | ||||||||
SCOP2 | 1ice / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
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Caspasi ( c ysteine- asp artiche prote Ases , c ysteine asp arte ases o c ysteine-dipendente asp artate-diretto prote Asi ) sono una famiglia di enzimi proteasi giocano ruoli essenziali nella morte cellulare programmata . Sono chiamate caspasi a causa della loro specifica attività cisteina proteasi : una cisteina nel suo sito attivo attacca nucleofila e scinde una proteina bersaglio solo dopo un residuo di acido aspartico . A partire dal 2009, ci sono 12 caspasi confermate nell'uomo e 10 nei topi, che svolgono una varietà di funzioni cellulari.
Il ruolo di questi enzimi nella morte cellulare programmata è stato identificato per la prima volta nel 1993, con le loro funzioni nell'apoptosi ben caratterizzate. Questa è una forma di morte cellulare programmata, che si verifica ampiamente durante lo sviluppo e per tutta la vita per mantenere l' omeostasi cellulare . L'attivazione delle caspasi assicura che i componenti cellulari siano degradati in maniera controllata, effettuando la morte cellulare con un effetto minimo sui tessuti circostanti .
Le caspasi hanno altri ruoli identificati nella morte cellulare programmata come la piroptosi e la necroptosi . Queste forme di morte cellulare sono importanti per proteggere un organismo da segnali di stress e attacchi patogeni. Le caspasi hanno anche un ruolo nell'infiammazione, per cui processa direttamente le citochine pro-infiammatorie come pro- IL1β . Queste sono molecole di segnalazione che consentono il reclutamento di cellule immunitarie in una cellula o in un tessuto infetto. Ci sono altri ruoli identificati delle caspasi come la proliferazione cellulare, la soppressione del tumore , la differenziazione cellulare, lo sviluppo neurale e la guida degli assoni e l'invecchiamento.
La carenza di caspasi è stata identificata come causa dello sviluppo del tumore. La crescita del tumore può avvenire per una combinazione di fattori, tra cui una mutazione in un gene del ciclo cellulare che rimuove i limiti alla crescita cellulare, combinata con mutazioni nelle proteine apoptopiche come le caspasi che risponderebbero inducendo la morte cellulare nelle cellule che crescono in modo anomalo. Al contrario, l'eccessiva attivazione di alcune caspasi come la caspasi -3 può portare a un'eccessiva morte cellulare programmata. Questo è visto in diverse malattie neurodegenerative in cui le cellule neurali vengono perse, come il morbo di Alzheimer . Anche le caspasi coinvolte nell'elaborazione dei segnali infiammatori sono implicate nella malattia. L'attivazione insufficiente di queste caspasi può aumentare la suscettibilità di un organismo all'infezione, poiché potrebbe non essere attivata una risposta immunitaria appropriata. Il ruolo integrale svolto dalle caspasi nella morte cellulare e nelle malattie ha portato alla ricerca sull'uso delle caspasi come bersaglio di farmaci. Ad esempio, la caspasi-1 infiammatoria è stata implicata nel causare malattie autoimmuni ; farmaci che bloccano l'attivazione di Caspase-1 sono stati utilizzati per migliorare la salute dei pazienti. Inoltre, gli scienziati hanno utilizzato le caspasi come terapia contro il cancro per uccidere le cellule indesiderate nei tumori.
Classificazione funzionale delle caspasi
La maggior parte delle caspasi ha un ruolo nella morte cellulare programmata. Questi sono riassunti nella tabella sottostante. Gli enzimi sono sottoclassificati in tre tipi: iniziatore, carnefice e infiammatorio.
Morte cellulare programmata | Tipo di Caspase | Enzima | Organismo |
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apoptosi | Iniziatore | Caspase 2 | umano e topo |
Caspase 8 | umano e topo | ||
Caspase 9 | umano e topo | ||
Caspase 10 | solo umano | ||
Boia | Caspase 3 | umano e topo | |
Caspase 6 | umano e topo | ||
Caspase 7 | umano e topo | ||
piroptosi | infiammatorio | Caspase 1 | umano e topo |
Caspasa 4 | umano | ||
Caspase 5 | umano | ||
Caspase 11 | topo | ||
Caspase 12 | topo e alcuni umani | ||
Caspase 13 | solo bestiame | ||
Altri ruoli | Altro | Caspase 14 | umano e topo |
Si noti che oltre all'apoptosi, la caspasi-8 è necessaria anche per l'inibizione di un'altra forma di morte cellulare programmata chiamata necroptosi. La caspasi-14 svolge un ruolo nella differenziazione dei cheratinociti delle cellule epiteliali e può formare una barriera epidermica che protegge dalla disidratazione e dai raggi UVB.
Attivazione delle caspasi
Le caspasi sono sintetizzate come zimogeni inattivi (pro-caspasi) che vengono attivati solo a seguito di uno stimolo appropriato. Questo livello di controllo post-traduzionale consente una regolazione rapida e rigorosa dell'enzima.
L'attivazione comporta la dimerizzazione e spesso l'oligomerizzazione delle pro-caspasi, seguita dalla scissione in una subunità piccola e in una subunità grande. La subunità grande e piccola si associano tra loro per formare una caspasi eterodimera attiva. L'enzima attivo esiste spesso come eterotetramero nell'ambiente biologico, dove un dimero pro-caspasi viene scisso insieme per formare un eterotetramero.
dimerizzazione
L'attivazione delle caspasi iniziatori e delle caspasi infiammatorie è iniziata dalla dimerizzazione, che è facilitata dal legame alle proteine adattatrici tramite motivi di interazione proteina-proteina che sono collettivamente indicati come pieghe della morte . Le pieghe della morte si trovano in un dominio strutturale delle caspasi noto come pro-dominio, che è più grande in quelle caspasi che contengono pieghe della morte rispetto a quelle che non le contengono. Il pro-dominio delle caspasi iniziatrici intrinseche e delle caspasi infiammatorie contiene una singola piega di morte nota come dominio di reclutamento delle caspasi (CARD), mentre il pro-dominio delle caspasi iniziatrici estrinseche contiene due pieghe di morte note come domini effettori di morte (DED).
I complessi multiproteici si formano spesso durante l'attivazione della caspasi. Alcuni complessi multiproteici attivanti includono:
- Il complesso di segnalazione che induce la morte (DISC) durante l'apoptosi estrinseca
- L' apoptosoma durante l'apoptosi intrinseca
- L' inflammasoma durante la piroptosi
Scollatura
Una volta opportunamente dimerizzate, le Caspasi si scindono nelle regioni interdominiali del linker, formando una subunità grande e una piccola. Questa scissione consente alle anse del sito attivo di assumere una conformazione favorevole all'attività enzimatica.
La scissione delle caspasi dell'iniziatore e dell'esecutore avviene con metodi diversi descritti nella tabella seguente.
- Le caspasi dell'iniziatore si scindono in modo autoproteolitico mentre le caspasi dell'esecutore vengono scisse dalle caspasi dell'iniziatore. Questa gerarchia consente una reazione a catena di amplificazione o cascata per la degradazione dei componenti cellulari, durante la morte cellulare controllata.
Iniziatore Caspase
Caspase-8 |
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Boia
Caspase Caspase-3 |
Alcuni ruoli di caspasi
apoptosi
L'apoptosi è una forma di morte cellulare programmata in cui la cellula subisce cambiamenti morfologici, per ridurre al minimo il suo effetto sulle cellule circostanti per evitare di indurre una risposta immunitaria. La cellula si restringe e si condensa: il citoscheletro collasserà, l'involucro nucleare si disassembla e il DNA si frammenta. Ciò si traduce nella cellula che forma corpi auto-chiusi chiamati "blebs", per evitare il rilascio di componenti cellulari nel mezzo extracellulare . Inoltre, il contenuto di fosfolipidi della membrana cellulare è alterato, il che rende la cellula morente più suscettibile all'attacco e alla rimozione dei fagociti.
Le caspasi apoptopiche sono sottocategorie come:
- Iniziatore Caspasi ( Caspasi 2 , Caspasi 8 , Caspasi 9 , Caspasi 10 )
- Boia Caspasi ( Caspase 3 , Caspase 6 e Caspase 7 )
Una volta che le caspasi iniziatrici vengono attivate, producono una reazione a catena, attivando diverse altre caspasi esecutrici. Le caspasi carnefici degradano oltre 600 componenti cellulari per indurre i cambiamenti morfologici per l'apoptosi.
Esempi di cascata di caspasi durante l'apoptosi:
- Via apoptopica intrinseca: durante i periodi di stress cellulare, il citocromo c mitocondriale viene rilasciato nel citosol. Questa molecola lega una proteina adattatrice ( APAF -1), che recluta l'iniziatore Caspase-9 (tramite interazioni CARD-CARD). Questo porta alla formazione di un complesso multiproteico che attiva la Caspasi chiamato apoptosoma . Una volta attivate, le caspasi iniziatori come Caspasi 9 scinderanno e attiveranno altre caspasi esecutrici. Questo porta alla degradazione dei componenti cellulari per l'apoptosi.
- Via apoptopica estrinseca: la cascata delle caspasi è attivata anche da ligandi extracellulari, attraverso i recettori di morte della superficie cellulare. Ciò avviene mediante la formazione di un complesso multiproteico di segnalazione che induce la morte (DISC) che recluta e attiva una pro-caspasi. Ad esempio, il Fas Ligand si lega al recettore FasR sulla superficie extracellulare del recettore; questo attiva i domini di morte sulla coda citoplasmatica del recettore. La proteina adattatrice FADD recluterà (mediante un'interazione Dominio Morte-Dominio Morte) pro-Caspasi 8 attraverso il dominio DED. Questo FasR, FADD e pro-Caspase 8 formano il Death Inducing Signaling Complex (DISC) in cui viene attivato Caspase-8. Ciò potrebbe portare all'attivazione a valle della via intrinseca inducendo stress mitocondriale o all'attivazione diretta delle caspasi del boia (Caspasi 3, Caspasi 6 e Caspasi 7) per degradare i componenti cellulari come mostrato nel diagramma adiacente.
piroptosi
La piroptosi è una forma di morte cellulare programmata che induce intrinsecamente una risposta immunitaria. È morfologicamente distinto da altri tipi di morte cellulare: le cellule si gonfiano, si rompono e rilasciano contenuti cellulari pro-infiammatori. Questo viene fatto in risposta a una serie di stimoli tra cui infezioni microbiche e attacchi di cuore (infarti del miocardio). Caspase-1, Caspase-4 e Caspase-5 nell'uomo e Caspase-1 e Caspase-11 nei topi svolgono ruoli importanti nell'indurre la morte cellulare per piroptosi. Ciò limita la vita e il tempo di proliferazione dei patogeni intracellulari ed extracellulari.
Piroptosi da caspasi-1
L'attivazione della caspasi-1 è mediata da un repertorio di proteine, consentendo il rilevamento di una serie di ligandi patogeni. Alcuni mediatori dell'attivazione della Caspasi-1 sono: NOD-like Leucina Rich Repeats (NLR), AIM2-Like Receptors (ALR), Pyrin e IFI16 .
Queste proteine consentono l'attivazione della caspasi-1 formando un complesso attivante multiproteico chiamato Inflammasomi. Ad esempio, un NOD Like Leucina Rich Repeat NLRP3 rileverà un efflusso di ioni potassio dalla cellula. Questo squilibrio ionico cellulare porta all'oligomerizzazione delle molecole NLRP3 per formare un complesso multiproteico chiamato Inflammasoma NLRP3. La pro-caspasi-1 viene portata in stretta vicinanza con altre molecole di pro-caspasi per dimerizzarsi e subire la scissione autoproteolitica.
Alcuni segnali patogeni che portano alla piroptosi da Caspasi-1 sono elencati di seguito:
- Il DNA nel citosol ospite si lega ai recettori AIM2-like inducendo la piroptosi
- L'apparato del sistema di secrezione di tipo III dai batteri legano il NOD Come leucine Rich Ripete i recettori chiamati NAIP (1 nell'uomo e 4 nei topi)
Piroptosi da Caspase-4 e Caspase-5 nell'uomo e Caspase-11 nei topi
Queste caspasi hanno la capacità di indurre la piroptosi diretta quando le molecole di lipopolisaccaride (LPS) (che si trovano nella parete cellulare dei batteri gram negativi) si trovano nel citoplasma della cellula ospite. Ad esempio, Caspase 4 agisce come un recettore ed è attivato proteoliticamente, senza la necessità di un complesso inflammasoma o di attivazione della Caspasi-1.
Un substrato cruciale a valle per le caspasi pirotopiche è Gasdermin D (GSDMD)
Ruolo nell'infiammazione
L'infiammazione è un tentativo protettivo da parte di un organismo di ripristinare uno stato omeostatico, in seguito all'interruzione di uno stimolo dannoso, come un danno tissutale o un'infezione batterica.
Caspasi-1, Caspasi-4, Caspasi-5 e Caspasi-11 sono considerati "caspasi infiammatorie".
- La caspasi-1 è fondamentale nell'attivazione delle citochine pro-infiammatorie ; questi agiscono come segnali per le cellule immunitarie e rendono l'ambiente favorevole al reclutamento delle cellule immunitarie nel sito del danno. La Caspasi-1 svolge quindi un ruolo fondamentale nel sistema immunitario innato . L'enzima è responsabile dell'elaborazione di citochine come pro-ILβ e pro-IL18, oltre a secernerle.
- Caspasi-4 e -5 nell'uomo e Caspasi-11 nei topi hanno un ruolo unico come recettore, per cui si lega all'LPS, una molecola abbondante nei batteri gram negativi. Ciò può portare all'elaborazione e alla secrezione di citochine IL-1β e IL-18 attivando Caspasi-1; questo effetto a valle è lo stesso descritto sopra. Porta anche alla secrezione di un'altra citochina infiammatoria che non viene elaborata. Questo è chiamato pro-IL1α. C'è anche evidenza di una caspasi infiammatoria, la caspasi-11 che aiuta la secrezione di citochine; questo viene fatto inattivando un canale di membrana che blocca la secrezione di IL-1β
- Le caspasi possono anche indurre una risposta infiammatoria a livello trascrizionale. Ci sono prove in cui promuove la trascrizione del fattore nucleare-κB ( NF-κB ), un fattore di trascrizione che aiuta nella trascrizione di citochine infiammatorie come IFN , TNF , IL-6 e IL-8 . Ad esempio, Caspase-1 attiva Caspase-7, che a sua volta scinde il poliribosio (ADP) - questo attiva la trascrizione dei geni controllati da NF-κB.
Scoperta delle caspasi
H. Robert Horvitz inizialmente stabilì l'importanza delle caspasi nell'apoptosi e scoprì che il gene ced-3 è necessario per la morte cellulare avvenuta durante lo sviluppo del nematode C. elegans . Horvitz e il suo collega Junying Yuan hanno scoperto nel 1993 che la proteina codificata dal gene ced-3 è la cisteina proteasi con proprietà simili all'enzima di conversione dell'interleuchina-1-beta dei mammiferi (ICE) (ora noto come caspasi 1). A quel tempo, l'ICE era l'unica caspasi conosciuta. Successivamente sono state identificate altre caspasi di mammiferi, oltre alle caspasi in organismi come il moscerino della frutta Drosophila melanogaster .
I ricercatori hanno deciso la nomenclatura della caspasi nel 1996. In molti casi, una particolare caspasi era stata identificata contemporaneamente da più di un laboratorio; ciascuno darebbe quindi alla proteina un nome diverso. Ad esempio, la caspasi 3 era variamente conosciuta come CPP32, apopain e Yama. Le caspasi, quindi, sono state numerate nell'ordine in cui sono state identificate. L'ICE è stato quindi ribattezzato caspasi 1. L'ICE è stata la prima caspasi di mammifero ad essere caratterizzata per la sua somiglianza con il gene della morte del nematode ced-3, ma sembra che il ruolo principale di questo enzima sia quello di mediare l'infiammazione piuttosto che la morte cellulare .
Evoluzione
Negli animali l'apoptosi è indotta dalle caspasi e nei funghi e nelle piante, l'apoptosi è indotta da arginina e caspasi specifiche della lisina come proteasi chiamate metacaspasi. Le ricerche sull'omologia hanno rivelato una stretta omologia tra le caspasi e le proteine simili alle caspasi di Reticulomyxa (un organismo unicellulare). Lo studio filogenetico indica che la divergenza delle sequenze di caspasi e metacaspasi si è verificata prima della divergenza degli eucarioti.
Guarda anche
Appunti
Riferimenti
link esterno
- Motivo lineare eucariotico risorsa classe motivo CLV_C14_Caspase3-7
- Video sull'apoptosi Dimostra un modello di una cascata di caspasi come avviene in vivo.
- I meccanismi dell'apoptosi Pagine di biologia di Kimball. Spiegazione semplice dei meccanismi di apoptosi innescati da segnali interni (bcl-2), lungo la via delle caspasi-9, caspasi-3 e caspasi-7; e da segnali esterni (FAS e TNF), lungo la via della caspasi 8. Consultato il 25 marzo 2007.
- Apoptosi e Caspasi 7 , animazione PMAP
- Caspasi presso la Biblioteca Nazionale di Medicina degli Stati Uniti Medical Subject Headings (MeSH)
- Attenzione ai tumori (dal blog di Beaker)