Caspasa - Caspase

Dominio de caspasa
Caspasa 1.png
Estructura de la caspasa-1 (CASP1), originalmente llamada enzima de conversión beta de interleucina-1 (ICE), la primera caspasa humana en ser identificada.
Identificadores
Símbolo Peptidasa_C14
Pfam PF00656
Clan pfam CL0093
InterPro IPR002398
PROSITE PS50208
MEROPS C14
SCOP2 1 hielo / SCOPe / SUPFAM

Las caspasas ( c ysteine- asp artic PROTE ASES , c ysteine asp arte ases o c ysteine dependiente asp artate dirigida PROTE ASES ) son una familia de enzimas proteasas que juegan papeles esenciales en la muerte celular programada . Se denominan caspasas debido a su actividad específica de cisteína proteasa : una cisteína en su sitio activo ataca nucleofílicamente y escinde una proteína diana solo después de un ácido aspártico.residuo. En 2009, hay 12 caspasas confirmadas en humanos y 10 en ratones, que llevan a cabo una variedad de funciones celulares.

El papel de estas enzimas en la muerte celular programada se identificó por primera vez en 1993, con sus funciones en la apoptosis bien caracterizadas. Esta es una forma de muerte celular programada, que ocurre ampliamente durante el desarrollo y durante toda la vida para mantener la homeostasis celular . La activación de las caspasas asegura que los componentes celulares se degraden de forma controlada, llevando a cabo la muerte celular con un efecto mínimo sobre los tejidos circundantes .

Las caspasas tienen otras funciones identificadas en la muerte celular programada, como la piroptosis y la necroptosis . Estas formas de muerte celular son importantes para proteger a un organismo de las señales de estrés y del ataque patógeno. Las caspasas también tienen un papel en la inflamación, por lo que procesan directamente citocinas proinflamatorias como la pro IL1β . Estas son moléculas de señalización que permiten el reclutamiento de células inmunes a una célula o tejido infectado. Hay otras funciones identificadas de las caspasas, como la proliferación celular, la supresión de tumores , la diferenciación celular, el desarrollo neuronal y la orientación y el envejecimiento de los axones .

La deficiencia de caspasa se ha identificado como una causa del desarrollo de tumores. El crecimiento tumoral puede ocurrir por una combinación de factores, incluida una mutación en un gen del ciclo celular que elimina las restricciones sobre el crecimiento celular, combinada con mutaciones en proteínas apoptópicas como las caspasas que responderían induciendo la muerte celular en células de crecimiento anormal. Por el contrario, la sobreactivación de algunas caspasas como la caspasa -3 puede conducir a una muerte celular programada excesiva. Esto se observa en varias enfermedades neurodegenerativas en las que se pierden células neuronales, como la enfermedad de Alzheimer . Las caspasas implicadas en el procesamiento de señales inflamatorias también están implicadas en la enfermedad. La activación insuficiente de estas caspasas puede aumentar la susceptibilidad de un organismo a la infección, ya que es posible que no se active una respuesta inmune adecuada. El papel integral que desempeñan las caspasas en la muerte celular y la enfermedad ha llevado a la investigación sobre el uso de las caspasas como objetivo farmacológico. Por ejemplo, se ha implicado a la caspasa-1 inflamatoria como causante de enfermedades autoinmunes ; Se han utilizado fármacos que bloquean la activación de la caspasa-1 para mejorar la salud de los pacientes. Además, los científicos han utilizado caspasas como terapia contra el cáncer para matar células no deseadas en tumores.

Clasificación funcional de caspasas

La mayoría de las caspasas juegan un papel en la muerte celular programada. Estos se resumen en la tabla siguiente. Las enzimas se subclasifican en tres tipos: iniciador, verdugo e inflamatorio.

Muerte celular programada Tipo de Caspasa Enzima Organismo
Apoptosis Iniciador Caspasa 2 humano y ratón
Caspasa 8 humano y ratón
Caspasa 9 humano y ratón
Caspasa 10 solo humano
Verdugo Caspasa 3 humano y ratón
Caspasa 6 humano y ratón
Caspasa 7 humano y ratón
Piroptosis Inflamatorio Caspasa 1 humano y ratón
Caspasa 4 humano
Caspasa 5 humano
Caspasa 11 ratón
Caspasa 12 ratón y algunos humanos
Caspasa 13 solo ganado
Otros roles Otro Caspasa 14 humano y ratón

Tenga en cuenta que, además de la apoptosis, también se requiere caspasa-8 para la inhibición de otra forma de muerte celular programada llamada necroptosis. La caspasa-14 juega un papel en la diferenciación de los queratinocitos de las células epiteliales y puede formar una barrera epidérmica que protege contra la deshidratación y la radiación UVB.

Activación de caspasas

Las caspasas se sintetizan como zimógenos inactivos (pro-caspasas) que solo se activan tras un estímulo apropiado. Este nivel de control postraduccional permite una regulación rápida y estricta de la enzima.

La activación implica la dimerización y, a menudo, la oligomerización de las procaspasas, seguida de la escisión en una subunidad pequeña y una subunidad grande. La subunidad grande y pequeña se asocian entre sí para formar una caspasa heterodímera activa. La enzima activa a menudo existe como un heterotetrámero en el entorno biológico, donde un dímero de pro-caspasa se escinde para formar un heterotetrámero.

Dimerización

La activación de las caspasas iniciadoras y las caspasas inflamatorias se inicia mediante la dimerización, que se facilita mediante la unión a proteínas adaptadoras a través de motivos de interacción proteína-proteína que se denominan colectivamente pliegues de la muerte . Los pliegues de la muerte se encuentran en un dominio estructural de las caspasas conocido como pro-dominio, que es más grande en aquellas caspasas que contienen pliegues de muerte que en las que no. El dominio pro de las caspasas iniciadoras intrínsecas y las caspasas inflamatorias contiene un único pliegue de muerte conocido como dominio de reclutamiento de caspasas (CARD), mientras que el dominio pro de las caspasas iniciadoras extrínsecas contiene dos pliegues de muerte conocidos como dominios efectores de muerte (DED).

Los complejos multiproteicos se forman a menudo durante la activación de la caspasa. Algunos complejos activadores de multiproteínas incluyen:

Escote

Una vez apropiadamente dimerizadas, las caspasas se escinden en las regiones enlazadoras entre dominios, formando una subunidad grande y una pequeña. Esta escisión permite que los bucles del sitio activo adopten una conformación favorable para la actividad enzimática.

La escisión de las caspasas del iniciador y del verdugo se produce mediante diferentes métodos descritos en la tabla siguiente.

  • Las caspasas iniciadoras se escinden autoproteolíticamente, mientras que las caspasas ejecutoras son escindidas por las caspasas iniciadoras. Esta jerarquía permite una reacción en cadena o cascada de amplificación para degradar los componentes celulares, durante la muerte celular controlada.
Iniciador Caspasa

Caspasa-8

Las pro-caspasas iniciadoras tienen un prodominio que permite el reclutamiento de otras pro-caspasas, que posteriormente se dimerizan. Ambas moléculas de pro-caspasa experimentan escisión por autocatálisis. Esto conduce a la eliminación del prodominio y la escisión de la región enlazadora entre la subunidad grande y pequeña. Se forma un heterotetrámero
Imagen de PDB de caspasa 8 (3KJQ) en 'ensamblaje biológico'. Dos tonos de azul se utilizan para representar dos pequeñas unidades solares, mientras que dos tonos de púrpura representan dos grandes subunidades.
Verdugo

Caspasa Caspasa-3

La caspasa del verdugo existe constitutivamente como homodímeros. Los cortes rojos representan regiones donde las caspasas del iniciador escinden las caspasas del verdugo. La subunidad pequeña y grande resultante de cada Caspasa-3 se asociará, dando como resultado un heterotetrámero.
Imagen de PDB de Caspasa 3 (4QTX) en 'ensamblaje biológico'. Dos tonos de azul se utilizan para representar dos pequeñas unidades solares, mientras que dos tonos de púrpura representan dos grandes subunidades.

Algunos roles de las caspasas

Apoptosis

Las caspasas iniciadoras se activan por vías apoptópicas intrínsecas y extrínsecas. Esto conduce a la activación de otras caspasas, incluidas las caspasas ejecutoras, que llevan a cabo la apoptosis al escindir componentes celulares.

La apoptosis es una forma de muerte celular programada donde la célula sufre cambios morfológicos, para minimizar su efecto en las células circundantes y evitar inducir una respuesta inmune. La célula se contrae y se condensa: el citoesqueleto colapsará, la envoltura nuclear se desmontará y el ADN se fragmentará. Esto da como resultado que la célula forme cuerpos auto-cerrados llamados "ampollas", para evitar la liberación de componentes celulares en el medio extracelular . Además, el contenido de fosfolípidos de la membrana celular se altera, lo que hace que la célula moribunda sea más susceptible al ataque y eliminación fagocíticos.

Las caspasas apoptópicas se subcategorizan como:

  1. Iniciador Caspasas ( Caspasa 2 , Caspasa 8 , Caspasa 9 , Caspasa 10 )
  2. Verdugo Caspasas ( Caspasa 3 , Caspasa 6 y Caspasa 7 )

Una vez que se activan las caspasas iniciadoras, producen una reacción en cadena, activando varias otras caspasas ejecutoras. Las caspasas de verdugo degradan más de 600 componentes celulares para inducir los cambios morfológicos de la apoptosis.

Ejemplos de cascada de caspasas durante la apoptosis:

  1. Vía apoptópica intrínseca: durante los momentos de estrés celular, el citocromo c mitocondrial se libera en el citosol. Esta molécula se une a una proteína adaptadora ( APAF -1), que recluta al iniciador Caspase-9 (a través de interacciones CARD-CARD). Esto conduce a la formación de un complejo multiproteico que activa la caspasa llamado Apoptosoma . Una vez activadas, las caspasas de iniciador como Caspase 9 se dividirán y activarán otras caspasas de verdugo. Esto conduce a la degradación de los componentes celulares para la apoptosis.
  2. Vía apoptópica extrínseca: la cascada de caspasas también es activada por ligandos extracelulares, a través de los receptores de muerte de la superficie celular. Esto se hace mediante la formación de un Complejo de Señalización Inductora de Muerte (DISC) multiproteico que recluta y activa una pro-caspasa. Por ejemplo, el Fas Ligand se une al receptor FasR en la superficie extracelular del receptor; esto activa los dominios de muerte en la cola citoplásmica del receptor. La proteína adaptadora FADD reclutará (mediante una interacción de dominio de muerte-dominio de muerte) pro-Caspasa 8 a través del dominio DED. Este FasR, FADD y pro-Caspase 8 forman el Complejo de Señalización Inductora de Muerte (DISC) donde se activa Caspase-8. Esto podría conducir a la activación aguas abajo de la vía intrínseca mediante la inducción de estrés mitocondrial, o la activación directa de las caspasas verdugos (Caspasa 3, Caspasa 6 y Caspasa 7) para degradar los componentes celulares como se muestra en el diagrama adyacente.

Piroptosis

La piroptosis es una forma de muerte celular programada que induce inherentemente una respuesta inmunitaria. Es morfológicamente diferente de otros tipos de muerte celular: las células se hinchan, se rompen y liberan contenidos celulares proinflamatorios. Esto se hace en respuesta a una variedad de estímulos que incluyen infecciones microbianas y ataques cardíacos (infartos de miocardio). La caspasa-1, la caspasa-4 y la caspasa-5 en humanos, y la caspasa-1 y la caspasa-11 en ratones juegan un papel importante en la inducción de la muerte celular por piroptosis. Esto limita la vida y el tiempo de proliferación de patógenos intracelulares y extracelulares.

Piroptosis por caspasa-1

La activación de la caspasa-1 está mediada por un repertorio de proteínas, lo que permite la detección de una variedad de ligandos patógenos. Algunos mediadores de la activación de caspasa-1 son: repeticiones ricas en leucina (NLR) similares a NOD , receptores similares a AIM2 (ALR), pirina e IFI16 .

Estas proteínas permiten la activación de la caspasa-1 formando un complejo activador de multiproteínas llamado Inflammasomes. Por ejemplo, un NOD Like Leucine Rich Repeat NLRP3 detectará una salida de iones de potasio de la célula. Este desequilibrio de iones celulares conduce a la oligomerización de moléculas NLRP3 para formar un complejo multiproteico llamado Inflammasoma NLRP3. La pro-caspasa-1 se pone en estrecha proximidad con otra molécula de pro-caspasa para dimerizarse y sufrir escisión autoproteolítica.

Algunas señales patógenas que conducen a Pyroptosis por Caspase-1 se enumeran a continuación:

  • El ADN en el citosol del huésped se une a receptores similares a AIM2 que inducen piroptosis
  • Los aparatos del sistema de secreción de tipo III de las bacterias se unen a los receptores NOD Like Leucine Rich Repeats llamados NAIP (1 en humanos y 4 en ratones)

Piroptosis por Caspasa-4 y Caspasa-5 en humanos y Caspasa-11 en ratones

Estas caspasas tienen la capacidad de inducir piroptosis directa cuando las moléculas de lipopolisacárido (LPS) (que se encuentran en la pared celular de las bacterias gram negativas) se encuentran en el citoplasma de la célula huésped. Por ejemplo, la Caspasa 4 actúa como receptor y se activa proteolíticamente, sin necesidad de un complejo inflamasoma o activación de Caspasa-1.

Un sustrato crucial aguas abajo para las caspasas pirotópicas es Gasdermin D (GSDMD)

Papel en la inflamación

La inflamación es un intento protector de un organismo para restaurar un estado homeostático, después de la interrupción de un estímulo dañino, como daño tisular o infección bacteriana.

Caspasa-1, Caspasa-4, Caspasa-5 y Caspasa-11 se consideran "Caspasas inflamatorias".

  • La caspasa-1 es clave para activar las citocinas proinflamatorias ; estos actúan como señales para las células inmunes y hacen que el entorno sea favorable para el reclutamiento de las células inmunitarias en el lugar del daño. Por tanto, la caspasa-1 juega un papel fundamental en el sistema inmunológico innato . La enzima es responsable de procesar citocinas como pro-ILβ y pro-IL18, además de secretarlas.
  • La caspasa-4 y -5 en humanos y la caspasa-11 en ratones tienen un papel único como receptor, por lo que se une a LPS, una molécula abundante en bacterias gram negativas. Esto puede conducir al procesamiento y secreción de citocinas IL-1β e IL-18 activando Caspasa-1; este efecto aguas abajo es el mismo que se describió anteriormente. También conduce a la secreción de otra citocina inflamatoria que no se procesa. Esto se llama pro-IL1α. También hay evidencia de una caspasa inflamatoria, caspasa-11, que ayuda a la secreción de citocinas; Esto se hace inactivando un canal de membrana que bloquea la secreción de IL-1β.
  • Las caspasas también pueden inducir una respuesta inflamatoria a nivel transcripcional. Existe evidencia de que promueve la transcripción del factor nuclear κB ( NF-κB ), un factor de transcripción que ayuda a transcribir citocinas inflamatorias como IFN , TNF , IL-6 e IL-8 . Por ejemplo, Caspase-1 activa Caspase-7, que a su vez escinde la poli (ADP) ribosa , lo que activa la transcripción de genes controlados por NF-κB.

Descubrimiento de caspasas

H. Robert Horvitz estableció inicialmente la importancia de las caspasas en la apoptosis y descubrió que el gen ced-3 es necesario para la muerte celular que tuvo lugar durante el desarrollo del nematodo C. elegans . Horvitz y su colega Junying Yuan descubrieron en 1993 que la proteína codificada por el gen ced-3 es cisteína proteasa con propiedades similares a la enzima convertidora de interleucina-1-beta (ICE) de mamíferos (ahora conocida como caspasa 1). En ese momento, ICE era la única caspasa conocida. Posteriormente se identificaron otras caspasas de mamíferos, además de las caspasas en organismos como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster .

Los investigadores decidieron sobre la nomenclatura de la caspasa en 1996. En muchos casos, una caspasa en particular había sido identificada simultáneamente por más de un laboratorio; cada uno le daría a la proteína un nombre diferente. Por ejemplo, la caspasa 3 se conocía de diversas formas como CPP32, apopaína y Yama. Las caspasas, por tanto, se numeraron en el orden en que se identificaron. Por lo tanto, ICE pasó a llamarse caspasa 1. ICE fue la primera caspasa de mamífero caracterizada debido a su similitud con el gen de muerte de nematodos ced-3, pero parece que la función principal de esta enzima es mediar la inflamación en lugar de la muerte celular. .

Evolución

En animales, la apoptosis es inducida por caspasas y en hongos y plantas, la apoptosis es inducida por arginina y proteasas de tipo caspasa específicas de lisina llamadas metacaspasas. Las búsquedas de homología revelaron una estrecha homología entre las caspasas y las proteínas similares a las caspasas de Reticulomyxa (un organismo unicelular). El estudio filogenético indica que la divergencia de las secuencias de caspasa y metacaspasa ocurrió antes de la divergencia de eucariotas.

Ver también

Notas

Referencias

enlaces externos