Κασπάση

Οι κασπάσες είναι πρωτεάσες με πολύ εξειδικευμένη δράση. Διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη διαδικασία της απόπτωσης, η οποία είναι ένας τύπος προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου, ο οποίος πραγματοποιείται μέσω ενός εξειδικευμένου κυτταρικού μηχανισμού. Οι κασπάσες, κόβουν την πολυπεπτιδική αλυσίδα μόνο μετά από ένα κατάλοιπο ασπαρτικού οξέος. Υπάρχουν στο κυτταρόπλασμα υπό μορφή προενζύμων. Οι κασπάσες, στο ενεργό τους κέντρο, φέρουν το αμινοξύ κυστεΐνη . Η πρώτη κασπάση που αναγνωρίσθηκε ήταν το μετατρεπτικό ένζυμο της ιντερλευκίνης-1β (ICE, caspase-1) και αρχικά ταυτοποιήθηκε ως η υπεύθυνη πρωτεάση για την ωρίμανση της προ-ιντερλευκίνης (IL)-1β στην προ-φλεγμονώδη, βιολογικά ενεργή μορφή της.

 Οι κασπάσες που συμμετέχουν στην απόπτωση διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις εναρκτήριες κασπάσες, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται οι κασπάσες-2, -8, -9, και –10, και τις τελεστικές κασπάσες, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται οι κασπάσες-3, -6, και -7 (εικόνα 1). Οι κασπάσες παράγονται στα κύτταρα, ως καταλυτικά ανενεργά προένζυμα, που αποτελούνται από τρεις διακριτές περιοχές: μια αμινοτελική πρόδρομη περιοχή, μια μεγάλη υπομονάδα που περιέχει το ενεργό κέντρο κυστεΐνης μέσα στο συντηρημένο μοτίβο αμινοξέων QACXG, και μια μικρή καρβοξυτελική υπομονάδα.Οι κασπάσες μετετρέπονται σε πλήρως λειτουργικές πρωτεάσες, μετά από δύο γεγονότα κατάτμησης, τα οποία συμβαίνουν μετά από κατάλοιπα ασπαρτικού οξέος. Η μετατροπή αυτή, λαμβάνει χώρα μέσω κατάτμησης, είτε από τον εαυτό τους είτε από άλλες κασπάσες: μετά την κατάτμηση διαχωρίζεται η πρόδρομη περιοχή από τη μεγάλη υπομονάδα, ενώ μια εσωτερική θέση σύνδεσης που περιέχει μία ή δύο θέσεις κατάτμησης διαχωρίζει τη μεγάλη από τη μικρή υπομονάδα. Η πρώτη πρωτεολυτική κατάτμηση διαχωρίζει την αλυσίδα σε μεγάλη και μικρή υπομονάδα, και η δεύτερη κατάτμηση απομακρύνει την αμινοτελική πρόδρομη περιοχή. Τα κατάλοιπα ασπαρτικού οξέος στις περιοχές κατάτμησης είναι απαραίτητο να υπάρχουν, προκειμένου οι κασπάσες να αποκτήσουν την ικανότητα να αυτοενεργοποιούνται ή να ενεργοποιούνται από άλλες κασπάσες, ως τμήμα ενός καταρράκτη ενίσχυσης. Οι διαφορετικές κασπάσες διαθέτουν δύο σημαντικές δομικές διαφορές: Διαφέρουν στα μήκη των πρόδρομων περιοχών, όπως και στην αμινοξική τους αλληλουχία. Μεγάλες πρόδρομες περιοχές των κασπασών, λειτουργούν ως διαμεσολαβητές σημάτων, για προ-φλεγμονώδη ή αποπτωτικά σήματα, και διαθέτουν αλληλουχικά μοτίβα που προάγουν την αλληλεπίδραση με ενεργοποιητικά μόρια [caspase-recruitment domain (CARD) or death effector domain (DED)]. Οι εναρκτήριες κασπάσες (κασπάσες -2, -8, -9 και –10) χαρακτηρίζονται από μια εκτεταμένη αμινοτελική προ-περιοχή (>90 αμινοξέα) σημαντική για τη λειτουργία τους, ενώ οι τελεστικές κασπάσες περιέχουν μικρές πρόδρομες περιοχές των 20-30 αμινοξέων. Στις πρωτεάσες αυτές γίνεται διάκριση, με βάση την ειδικότητα που παρουσιάζουν για τα υποστρώματά τους. Διαθέτουν S2, S3, και S4 θέσεις σύνδεσης της κασπάσης με το υπόστρωμα, οι οποίες όμως ποικίλουν σημαντικά, έχοντας ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μίας ποικιλίας μορφών συγγένειας με το υπόστρωμα στις θέσεις P2, P3, P4, αντίστοιχα, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι απαιτείται οπωσδήποτε ασπαρτικό οξύ στην P1 θέση. Η ειδικότητα αυτή για το υπόστρωμα είναι ακόμη πιο περιοριστική, αφού δεν κατατμούνται όλες οι πρωτεΐνες που διαθέτουν τη βέλτιστη τετραπεπτιδική αλληλουχία P4-P3-P2-P1, γεγονός που οδηγεί στην υποψία, ότι τριτοταγή δομικά στοιχεία μπορεί να επηρεάζουν την αναγνώριση του υποστρώματος. Επιπρόσθετα, πρόσφατες μελέτες, υποδεικνύουν την ύπαρξη κάποιων κασπασών, οι οποίες κατατμούν τα υποστρώματά τους μετά από γλουταμινικό οξύ. Δύο κύρια μονοπάτια, που ενεργοποιούν τις κασπάσες, έχουν εντοπιστεί: το μονοπάτι των «υποδοχέων θανάτου» και το μιτοχονδριακό μονοπάτι .Το πρώτο, ξεκινά όταν συνδεθούν ειδικοί προσδέτες, σε υποδοχείς της κυτταρικής μεμβράνης, που ονομάζονται «υποδοχείς θανάτου» (Death receptors, DRs). Το μιτοχονδριακό μονοπάτι ενεργοποίησης των κασπασών, ενεργοποιείται είτε από το κατατμημένο θραύσμα της πρωτεΐνης Bid, είτε από άλλα σήματα και περιλαμβάνει την απελευθέρωση πολλαπλών πεπτιδίων, από τα μιτοχόνδρια. Ένα από αυτά είναι η πρωτεΐνη μεταφορέας ηλεκτρονίων κυτόχρωμα c. Το κυτόχρωμα c συσσωρεύεται στο κυτταρόπλασμα, όπου δεσμεύεται με την πρωτεΐνη Apaf-1 (apoptotic protease-activating factor-1), προκαλώντας εξαρτώμενη από ATP (ή dATP) αλλαγή της διαμόρφωσης της Apaf-1 που οδηγεί στον ολιγομερισμό της. Η δέσμευση της προκασπάσης-9 στα ολιγομερή της Apaf-1, διαμεσολαβούμενη από ομοτυπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ περιοχών που καλούνται «περιοχές προσέλκυσης κασπασών», έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μεγαλομοριακού συμπλόκου, που ονομάζεται αποπτώσωμα. Η αλληλεπίδραση αυτή μεταξύ Apaf-1 και προκασπάσης-9 αυξάνει σημαντικά την ενζυμική ενεργότητα της προκασπάσης-9. Το 1998 δημοσιεύτηκε ότι 65 διαφορετικές πρωτεΐνες κατατμούνται από πρωτεάσες της οικογένειας των κασπασών.Τα περισσότερα από τα γνωστά ως τότε υποστρώματα μπορούσαν να κατηγοριοποιηθούν σε μικρό αριθμό λειτουργικών ομάδων, συμπεριλαμβάνοντας πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη στήριξη του κυτταροπλάσματος και του πυρήνα, πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη μεταγωγή σήματος και τη ρύθμιση της μεταγραφής, πρωτεΐνες ρυθμιστές του κυτταρικού κύκλου καθώς κι άλλες που εμπλέκονται στην αντιγραφή του DNA και τη διόρθωση βλαβών του. Από τότε, ο αριθμός των υποστρωμάτων των κασπασών έχει σημαντικά αυξηθεί, φθάνοντας το 2003 στην ταυτοποίηση 280 πρωτεϊνών - στόχων των κασπασών.Οι προ- και αντι-αποπτωτικές πρωτεΐνες είναι πιθανόν οι πρώτοι στόχοι των κασπασών μετά από ένα αποπτωτικό ερέθισμα. Καθώς το αποπτωτικό σήμα διαδίδεται, οι κασπάσες ενεργοποιούν άλλα συστατικά της αποπτωτικής μηχανής. Οι κασπάσες επίσης κατατμούν δομικές πρωτεΐνες του πυρήνα και του κυτταροσκελετού. Η πρωτεόλυση των λαμινών, της NuMa, της SAF-A κι άλλων, επάγουν τη διάλυση του πυρήνα. Ομοίως, οι κασπάσες διαρρηγνύουν την ακεραιότητα του κυτταροσκελετού με την πρωτεόλυση των πρωτεϊνών όπως η φοδρίνη, η Gas2, οι κερατίνες, η Rabaptin-5 και η ακτίνη. Η κατάτμηση της β-κατενίνης και της FAK, φαίνεται να διακόπτει τις συνδέσεις μεταξύ των κυττάρων καθώς και την εστιακή προσκόλληση μεταξύ κυττάρων και θεμέλιας ουσίας. Μαζί, οι κατατμήσεις αυτές ενδεχομένως να προκαλούν το «πακετάρισμα» του κυττάρου και τη διευκόλυνση της φαγοκυττάρωσης που ακολουθεί στη συνέχεια.