Caspase - Caspase

Domínio Caspase
Caspase 1.png
Estrutura da caspase-1 (CASP1), originalmente chamada de enzima de conversão beta da interleucina-1 (ICE), a primeira caspase humana a ser identificada.
Identificadores
Símbolo Peptidase_C14
Pfam PF00656
Clã Pfam CL0093
InterPro IPR002398
PRÓSITO PS50208
MEROPS C14
SCOP2 1ice / SCOPe / SUPFAM

As caspases ( c ysteine- asp artic Prote ases , c ysteine asp art ases ou c -dependente ysteine asp -directed artate Prote ases ) são uma família de enzimas de protease que jogam um papel essencial na morte celular programada . Eles são chamados de caspases devido à sua atividade específica de protease de cisteína - uma cisteína em seu sítio ativo ataca nucleofilicamente e cliva uma proteína-alvo somente após um ácido aspárticoresíduo. Em 2009, havia 12 caspases confirmadas em humanos e 10 em camundongos, realizando uma variedade de funções celulares.

O papel dessas enzimas na morte celular programada foi identificado pela primeira vez em 1993, com suas funções na apoptose bem caracterizadas. Esta é uma forma de morte celular programada, ocorrendo amplamente durante o desenvolvimento e ao longo da vida para manter a homeostase celular . A ativação das caspases garante que os componentes celulares sejam degradados de forma controlada, levando à morte celular com efeito mínimo nos tecidos circundantes .

As caspases têm outros papéis identificados na morte celular programada, como piroptose e necroptose . Essas formas de morte celular são importantes para proteger um organismo de sinais de estresse e ataque patogênico. As caspases também desempenham um papel na inflamação, processando diretamente citocinas pró-inflamatórias , como pró- IL1β . Estas são moléculas sinalizadoras que permitem o recrutamento de células imunológicas para uma célula ou tecido infectado. Existem outros papéis identificados das caspases, como proliferação celular, supressão tumoral , diferenciação celular, desenvolvimento neural e orientação e envelhecimento dos axônios .

A deficiência de caspase foi identificada como causa do desenvolvimento de tumor. O crescimento do tumor pode ocorrer por uma combinação de fatores, incluindo uma mutação em um gene do ciclo celular que remove as restrições ao crescimento celular, combinado com mutações em proteínas apoptópicas, como caspases, que responderiam induzindo a morte celular em células em crescimento anormal. Por outro lado, a superativação de algumas caspases, como a caspase -3, pode levar à morte celular excessiva programada. Isso é visto em várias doenças neurodegenerativas em que células neurais são perdidas, como a doença de Alzheimer . As caspases envolvidas no processamento de sinais inflamatórios também estão implicadas na doença. A ativação insuficiente dessas caspases pode aumentar a suscetibilidade de um organismo à infecção, pois uma resposta imune apropriada pode não ser ativada. O papel integral das caspases na morte celular e na doença levou à pesquisa sobre o uso de caspases como alvo de drogas. Por exemplo, a caspase-1 inflamatória foi implicada em causar doenças autoimunes ; drogas que bloqueiam a ativação da caspase-1 têm sido usadas para melhorar a saúde dos pacientes. Além disso, os cientistas usaram caspases como terapia do câncer para matar células indesejadas em tumores.

Classificação funcional das caspases

A maioria das caspases desempenha um papel na morte celular programada. Eles estão resumidos na tabela abaixo. As enzimas são classificadas em três tipos: iniciador, executor e inflamatório.

Morte Celular Programada Tipo de Caspase Enzima Organismo
Apoptose Iniciador Caspase 2 humano e rato
Caspase 8 humano e rato
Caspase 9 humano e rato
Caspase 10 somente humano
Carrasco Caspase 3 humano e rato
Caspase 6 humano e rato
Caspase 7 humano e rato
Piroptose Inflamatório Caspase 1 humano e rato
Caspase 4 humano
Caspase 5 humano
Caspase 11 mouse
Caspase 12 rato e alguns humanos
Caspase 13 gado apenas
Outras funções De outros Caspase 14 humano e rato

Observe que, além da apoptose, a caspase-8 também é necessária para a inibição de outra forma de morte celular programada chamada necroptose. A caspase-14 desempenha um papel na diferenciação dos queratinócitos das células epiteliais e pode formar uma barreira epidérmica que protege contra a desidratação e a radiação UVB.

Ativação de caspases

As caspases são sintetizadas como zimogênios inativos (pró-caspases) que só são ativadas após um estímulo apropriado. Este nível de controle pós-tradução permite uma regulação rápida e rigorosa da enzima.

A ativação envolve dimerização e frequentemente oligomerização de pró-caspases, seguida por clivagem em uma pequena subunidade e uma grande subunidade. As subunidades grande e pequena se associam para formar uma caspase de heterodímero ativa. A enzima ativa freqüentemente existe como um heterotetrâmero no ambiente biológico, onde um dímero pró-caspase é clivado para formar um heterotetrâmero.

Dimerização

A ativação de caspases iniciadoras e caspases inflamatórias é iniciada por dimerização, que é facilitada pela ligação a proteínas adaptadoras por meio de motivos de interação proteína-proteína que são coletivamente referidos como dobras mortais . As dobras mortais estão localizadas em um domínio estrutural das caspases conhecido como pró-domínio, que é maior nas caspases que contêm dobras mortais do que nas que não contêm. O pró-domínio das caspases iniciadoras intrínsecas e as caspases inflamatórias contém uma única dobra de morte conhecida como domínio de recrutamento de caspase (CARD), enquanto o pró-domínio das caspases iniciadoras extrínsecas contém duas dobras de morte conhecidas como domínios efetores de morte (DED).

Os complexos multiproteicos freqüentemente se formam durante a ativação da caspase. Alguns complexos de multiproteína de ativação incluem:

Decote

Uma vez apropriadamente dimerizadas, as Caspases clivam em regiões de ligação interdomínio, formando uma subunidade grande e pequena. Essa clivagem permite que as alças do sítio ativo assumam uma conformação favorável à atividade enzimática.

A clivagem das caspases do iniciador e do executor ocorre por diferentes métodos descritos na tabela abaixo.

  • As caspases iniciadoras clivam auto-proteoliticamente, enquanto as caspases executoras são clivadas pelas caspases iniciadoras. Esta hierarquia permite uma reação em cadeia amplificadora ou cascata para degradar componentes celulares, durante a morte celular controlada.
Caspase Iniciador

Caspase-8

As pró-caspases do iniciador têm um prodomínio que permite o recrutamento de outras pró-caspases, que subsequentemente se dimerizam. Ambas as moléculas pró-caspase sofrem clivagem por autocatálise. Isso leva à remoção do prodomínio e clivagem da região de ligação entre a subunidade grande e pequena. Um heterotetrâmero é formado
Imagem PDB da caspase 8 (3KJQ) em 'montagem biológica'. Dois tons de azul costumavam representar dois pequenos sunits, enquanto dois tons de roxo representam duas grandes subunidades
Carrasco

Caspase Caspase-3

A caspase do executor existe constitutivamente como homodímeros. Os cortes vermelhos representam regiões onde as caspases do iniciador clivam as caspases do carrasco. As subunidades pequena e grande resultantes de cada Caspase-3 irão se associar, resultando em um heterotetrâmero.
Imagem PDB de Caspase 3 (4QTX) em 'montagem biológica'. Dois tons de azul costumavam representar dois pequenos sunits, enquanto dois tons de roxo representam duas grandes subunidades

Alguns papéis das caspases

Apoptose

As caspases iniciadoras são ativadas por vias apoptópicas intrínsecas e extrínsecas. Isso leva à ativação de outras caspases, incluindo caspases executoras que realizam apoptose por clivagem de componentes celulares.

A apoptose é uma forma de morte celular programada em que a célula sofre alterações morfológicas, para minimizar seu efeito nas células vizinhas e evitar a indução de uma resposta imune. A célula encolhe e condensa - o citoesqueleto entra em colapso, o envelope nuclear se desmonta e os fragmentos de DNA sobem. Isso resulta na célula formando corpos auto-fechados chamados 'bolhas', para evitar a liberação de componentes celulares no meio extracelular . Além disso, o conteúdo de fosfolipídios da membrana celular é alterado, o que torna a célula moribunda mais suscetível ao ataque fagocitário e à remoção.

As caspases apópticas são subcategorizadas como:

  1. Caspases iniciadoras ( Caspase 2 , Caspase 8 , Caspase 9 , Caspase 10 )
  2. Caspases Executoras ( Caspase 3 , Caspase 6 e Caspase 7 )

Uma vez que as caspases iniciadoras são ativadas, elas produzem uma reação em cadeia, ativando várias outras caspases executoras. Caspases executoras degradam mais de 600 componentes celulares para induzir as mudanças morfológicas para apoptose.

Exemplos de cascata de caspases durante a apoptose:

  1. Via apoptópica intrínseca: durante períodos de estresse celular, o citocromo c mitocondrial é liberado no citosol. Esta molécula se liga a uma proteína adaptadora ( APAF -1), que recruta o iniciador Caspase-9 (via interações CARD-CARD). Isso leva à formação de um complexo multiproteico de ativação de caspases denominado apoptossomo . Uma vez ativadas, as caspases iniciadoras, como a Caspase 9, clivam e ativam outras caspases executoras. Isso leva à degradação dos componentes celulares para apoptose.
  2. Via extrínseca apoptópica: A cascata da caspase também é ativada por ligantes extracelulares, via receptores de morte da superfície celular. Isso é feito pela formação de um Complexo de Sinalização Indutor de Morte (DISC) multiproteína que recruta e ativa uma pró-caspase. Por exemplo, o Ligante Fas liga-se ao receptor FasR na superfície extracelular do receptor; isso ativa os domínios de morte na cauda citoplasmática do receptor. A proteína adaptadora FADD recrutará (por uma interação domínio de morte-domínio de morte) pró-caspase 8 através do domínio DED. Este FasR, FADD e pró-Caspase 8 formam o Complexo de Sinalização Indutor de Morte (DISC), onde a Caspase-8 é ativada. Isso pode levar à ativação a jusante da via intrínseca induzindo o estresse mitocondrial ou a ativação direta das Caspases Executoras (Caspase 3, Caspase 6 e Caspase 7) para degradar os componentes celulares, conforme mostrado no diagrama adjacente.

Piroptose

A piroptose é uma forma de morte celular programada que induz inerentemente uma resposta imunológica. É morfologicamente distinto de outros tipos de morte celular - as células incham, se rompem e liberam conteúdos celulares pró-inflamatórios. Isso é feito em resposta a uma série de estímulos, incluindo infecções microbianas, bem como ataques cardíacos (enfartes do miocárdio). Caspase-1, Caspase-4 e Caspase-5 em humanos, e Caspase-1 e Caspase-11 em camundongos desempenham papéis importantes na indução da morte celular por piroptose. Isso limita a vida e o tempo de proliferação de patógenos intracelulares e extracelulares.

Piroptose por caspase-1

A ativação da caspase-1 é mediada por um repertório de proteínas, permitindo a detecção de uma variedade de ligantes patogênicos. Alguns mediadores de Caspase-1 activação são: NOD-Leucina como rich Repeats (NLRs), AIM2 -Como Receptores (ALRS), pirina e IFI16 .

Essas proteínas permitem a ativação da caspase-1 formando um complexo de ativação multiproteína denominado inflamassomas. Por exemplo, um NOD como Leucine Rich Repeat NLRP3 detectará um efluxo de íons de potássio da célula. Este desequilíbrio de íons celulares leva à oligomerização de moléculas de NLRP3 para formar um complexo multiproteico denominado Infamamassoma de NLRP3. A pró-caspase-1 é colocada em estreita proximidade com outra molécula pró-caspase, a fim de dimerizar e sofrer clivagem auto-proteolítica.

Alguns sinais patogênicos que levam à piroptose pela caspase-1 estão listados abaixo:

  • O DNA no citosol do hospedeiro se liga a receptores semelhantes a AIM2, induzindo piroptose
  • Aparelhos do sistema de secreção do tipo III de bactérias ligam-se a receptores NOD como repetições ricas em leucina, chamados NAIPs (1 em humanos e 4 em camundongos)

Piroptose por Caspase-4 e Caspase-5 em humanos e Caspase-11 em camundongos

Essas caspases têm a capacidade de induzir piroptose direta quando moléculas de lipopolissacarídeo (LPS) (encontradas na parede celular de bactérias gram negativas) são encontradas no citoplasma da célula hospedeira. Por exemplo, a Caspase 4 atua como um receptor e é ativada proteoliticamente, sem a necessidade de um complexo inflamassoma ou ativação da Caspase-1.

Um substrato a jusante crucial para caspases pirópticas é Gasdermin D (GSDMD)

Papel na inflamação

A inflamação é uma tentativa protetora de um organismo para restaurar um estado homeostático, após a interrupção de um estímulo prejudicial, como dano ao tecido ou infecção bacteriana.

Caspase-1, Caspase-4, Caspase-5 e Caspase-11 são consideradas 'Caspases Inflamatórias'.

  • A caspase-1 é a chave na ativação de citocinas pró-inflamatórias ; estes atuam como sinais para as células imunes e tornam o ambiente favorável para o recrutamento de células imunes para o local do dano. A caspase-1, portanto, desempenha um papel fundamental no sistema imunológico inato . A enzima é responsável pelo processamento de citocinas como pró-ILβ e pró-IL18, além de secretá-las.
  • A caspase-4 e -5 em humanos e a caspase-11 em camundongos têm um papel único como receptor, por meio do qual se liga ao LPS, uma molécula abundante em bactérias gram-negativas. Isso pode levar ao processamento e secreção de citocinas IL-1β e IL-18 pela ativação da Caspase-1; este efeito a jusante é o mesmo descrito acima. Também leva à secreção de outra citocina inflamatória que não é processada. Isso é chamado de pró-IL1α. Também há evidências de uma caspase inflamatória, a caspase-11 auxiliando na secreção de citocinas; isso é feito pela inativação de um canal de membrana que bloqueia a secreção de IL-1β
  • As caspases também podem induzir uma resposta inflamatória em nível transcricional. Existem evidências de que promove a transcrição do fator nuclear-κB ( NF-κB ), fator de transcrição que auxilia na transcrição de citocinas inflamatórias como IFNs , TNF , IL-6 e IL-8 . Por exemplo, Caspase-1 ativa Caspase-7, que por sua vez cliva a poli (ADP) ribose - isso ativa a transcrição de genes controlados por NF-κB.

Descoberta de caspases

H. Robert Horvitz estabeleceu inicialmente a importância das caspases na apoptose e descobriu que o gene ced-3 é necessário para a morte celular que ocorreu durante o desenvolvimento do nematóide C. elegans . Horvitz e seu colega Junying Yuan descobriram em 1993 que a proteína codificada pelo gene ced-3 é a protease de cisteína com propriedades semelhantes à enzima conversora de interleucina-1-beta de mamíferos (ICE) (agora conhecida como caspase 1). Na época, o ICE era a única caspase conhecida. Outras caspases de mamíferos foram posteriormente identificadas, além de caspases em organismos como a mosca da fruta Drosophila melanogaster .

Os pesquisadores decidiram sobre a nomenclatura da caspase em 1996. Em muitos casos, uma caspase específica foi identificada simultaneamente por mais de um laboratório; cada um daria à proteína um nome diferente. Por exemplo, a caspase 3 era conhecida como CPP32, apopain e Yama. As caspases, portanto, foram numeradas na ordem em que foram identificadas. ICE foi, portanto, renomeado como caspase 1. ICE foi a primeira caspase de mamífero a ser caracterizada por causa de sua semelhança com o gene de morte de nematóide ced-3, mas parece que o papel principal desta enzima é mediar a inflamação ao invés da morte celular .

Evolução

Em animais a apoptose é induzida por caspases e em fungos e plantas, a apoptose é induzida por arginina e caspases específicas de lisina como proteases chamadas metacaspases. As pesquisas de homologia revelaram uma homologia próxima entre as caspases e as proteínas semelhantes às caspases de Reticulomyxa (um organismo unicelular). O estudo filogenético indica que a divergência das sequências de caspases e metacaspases ocorreu antes da divergência dos eucariotos.

Veja também

Notas

Referências

links externos