Каспазы: общие сведения

Центральной компонентой в механизме осуществлеия апоптоза является протеолитическая система, включающая семейство белков, называемых каспазами. Каспазы (семейство Cys-Asp-протеаз) выполняют центральную роль в запуске апоптоза [ Earnshaw, ea 1999 ]. Эти энзимы участвуют в последовательности явлений, запускаемых в ответ на проапоптические сигналы и кульминирующие в разрезании серии белков, что приводит в итоге к разборке клетки. Понимание деталей процессов регуляции каспаз тесно связано с возможностью рационально манипулировать апоптозом с целью получения терапевтических выгод.

Причастность каспаз к апоптозу стала очевидной с открытием того, что CED-3 , продукт гена необходимый для смерти клеток у нематоды Caenorhabditis elegans похож на энзим млекопитающих ( ICE или каспаза- 1 ), преобразующий интерлейкин-1 бета [ Yuan ea 1993 , Thornberry ea 1992 ].

Хотя каспаза-1 и не играет какой-либо очевидной роли в смерти клеток, она стала первым идентифицированным членом большого семейства протеаз, другие члены которого играют определенные роли в процессах воспаления и апоптоза ( Рис. 1А ).

У млекопитающих семейство каспаз состоит из 14 белков, постоянно синтезируемых практически во всех клетках в виде проферментов, активирующихся при апоптозе. Прокаспазы (32-56 кДа) содержат 4 домена: N-концевой домен, большую (17-21 кДа) и малую (10-13 кДа) субъединицы и короткую связующую область между ними [ Earnshaw, ea 1999 ]. При активации N-кониевой домен и связующий фрагмент между субъединицами отщепляются. В результате формируется гетеродимер [ Liang, ea 1997 ]. Активная каспаза - это тетрамер, состоящий из двух таких гетеродимеров [ Kohler, ea 2002 ].

Изучение последовательной активации каспаз позволило создать концепцию о так называемом каспазном каскаде [ Grossmann, ea 1998 ].

Каспазы весьма похожи в последовательности аминокислот, в структуре и специфичности субстратов [ Nicholson ea 1997 ]. Они все экспрессируются как проэнзимы (от 30 до 50 kD), содержащие три домена: NH2-терминальный домен, большой участок (20 kD) и малый участок (10 kD) ( Рис. 1В и Рис. 1С ). Активация подразумевает протеолитическое взаимодействие между доменами, следствием которого являются объединение большого и малого участков с образованием гетеродимера. Была выяснена кристаллическая структура двух каспаз ( каспазы-1 и каспазы-3 ): в обоих случаях два гетеродимера ассоциируются с образованием тетрамера, имеющего два каталитических участка которые по-видимому действуют независимо [ Walker ea 1994 , Wilson ea 1994 , Rotonda ea 1996 ]. В пределах каждого каталитического домена большая и малая субъединицы тесно связаны и соответствующие участки обоих дают вклад в связывание субстрата и обеспечение катализа. Две особенности проэнзимных структур являются наиболее важными для механизма активации этих энзимов. Во- первых, NH2 домен, который очень разнообразен по входящим в него последовательностям и длине, ответственнен за регуляцию активации (см. ниже). Во-вторых, все домены производятся из проэнзимов путем разрезания по границам раздела доменов, что значит что эти энзимы могут активироваться или автокаталитически или в процессе каскада реакций при помощи энзимов с похожей специфичностью действия. Каспазы стоят в ряду наиболее специфических протеаз, с необычными и абсолютно определенными требованиями расщепления после аспартата. [ The only other eukaryotic protease ea ^^ ]. Распознавание по крайней мере четырех аминокислотных NH2- концов в месте привязки является также необходимым условием эффективного катализа. Желательные условия распознавания тетрапептида сильно различаются у разных каспаз и объясняет разнообразие их биологических функций [ Thornberry ea 1997 ]. Их специфичность является даже еще более жесткой: не все белки, которые содержат оптимальную тетрапептидную последовательность разрезаются, что заставляет думать что третичные структурные элементы могут влиять на распознавание субстратов. Разрезание белков каспазами не только специфично, но и чрезвычайно эффективно (Kcat/Km > 10**6 M S # ). Жесткая специфичность каспаз согласуется с наблюдениями, что апоптоз не сопровождается недискриминированным разрушением белков, скорее избранное подмножество белков разрезается вполне координированным образом, обычно в единственном месте, что приводит к потере или изменению их функции. Каспазы это семейство эволюционно консервативных цистеиновых протеаз, которые специфически расщепляют белки после остатков аспарагиновой кислоты (см. обзоры [ Cohen, ea 1997 , Thornbery, ea 1998 , Куцый ea 1999 ]). На основе структурной гомологии каспазы подразделяются на подсемейства

а) каспазы 1 ( каспаза 1 , каспаза 4 , каспаза 5 ),

б) каспазы 2 ( каспаза 2 ) и

в) каспазы 3 ( каспаза 3 , каспаза 6 , каспаза 7 , каспаза 8 , каспаза 9 , каспаза 10 ) [ Kidd, ea 1998 ]. Цистеиновые протеазы, по-видимому, участвуют в апоптозе у растений [ Solomon, ea 1999 ].

Ссылки:

Все ссылки