Kaspaasid

**Kaspaasid** (ingl k *caspases*, lühend sõnadest ***c'''ysteine-dependent '''asp'''artate-directed prote'''ase'''s'') on [[Ensüüm|ensüümide]] perekond, mis osaleb [[Apoptoos|rakusurma]] ja põletikuliste protsesside reguleerimises.

Tegemist on [[tsüsteiin]][[Proteaasid|proteaasidega]], mis kasutavad Cys-jäägi [[Nukleofiil|nukleofiilset]] [[Tioolid|tioolrühma]] [[Katalüüs|katalüüsi]]<nowiki/>funktsiooni täitmiseks ning [[Hüdrolüüs|hüdrolüüsivad]] sihtvalkudes [[Peptiidside|peptiidsidet]] alati [[Substraat (biokeemia)|substraat]]<nowiki/>valkude koostisse kuuluva [[Aspartaat|Asp]]-jäägi [[C-terminaalne ots|C-terminaalselt]] poolt.


== Ehitus ja aktivatsioon ==
Kaspaasid sünteesitakse [[Rakk|rakkudes]] mitteaktiivsete eelvormidena ehk [[Zümogeen|zümogeenidena]] ([[Prokaspaas|prokaspaasidena]]), mille [[molekulmass]] jääb vahemikku 32–57 kDa. Tüüpiline zümogeen koosneb kolmest eri funktsionaalsusega osast:

* [[N-terminaalne ots|N-terminaalne]] prodomeen – ei esine kõigis kaspaasides, kuid võimaldab vajadusel kaspaasi iseaktiveerumist ning sisaldab lisaks teisi funktsionaalseid üksusi, mis on vajalikud vastastikmõjude moodustamiseks teiste valkudega (näiteks nn CARD-[[Domeen (struktuuribioloogia)|domeen]], ingliskeelsest ***c**aspase **a**ctivation and **r**ecruitment **d**omain'' või DED-domeeni, ingliskeelsest ''death effector domain'');
* suur katalüütiline [[alaühik]] (ligi 17–20 kDa; molekulmassi põhjal tähistatakse seda alaühikut näiteks p20, kus p tuleneb sõnast [[proteiin]]), mis sisaldab katalüüsi jaoks vajalikke [[Tsüsteiin|Cys]]- ja [[Histidiin|His]]-jääki;
* väike alaühik (ligi 10–12 kDa; molekulmassist tulenevalt tähistatakse seda alaühikut näiteks p10).

Suurt ja väikest alaühikut ühendab lühike [[Aminohapped|aminohappeline]] järjestus (nn linker), mida saab omakorda [[Proteolüüs|proteolüütiliselt]] lagundada. Zümogeenid on mitteaktiivsed, kuna nende aktiivtsentri [[konformatsioon]] ei ole piisavalt stabiilne. Aktivatsioon toimub kahe või enama zümogeenimolekuli vastavalt [[Dimeer|di]]- või [[Oligomeer|oligomeerumise]] ja järgneva proteolüütilise lõikamise teel; seejuures võivad oligomeere omavahel moodustada ka erinevad kaspaasid.

== Evolutsiooniline konserveeritus ==

Kaspaasid on [[Evolutsioon|evolutsiooniliselt]] väga säilinud ning sarnase struktuuri ja toimemehhanismiga [[proteaasid|proteaase]] esineb praktiliselt kõigis [[Hulkrakne organism|hulkraksetes]] [[Loomad|loomades]]. Näiteks on [[Varbuss|varbussi]] CED-3 ja [[Harilik äädikakärbes|äädikakärbse]] Dronc ning DrICE funktsionaalselt sarnased imetajate kaspaasidega. Kõigis neis [[Ensüüm|ensüümides]] on säilinud tsüsteiin-aspartaatne aktiivtsenter ning kahest alaühikust (p20/p10) koosnev struktuur.

Kaspaaside olemasolu kõigis loomades viitab, et [[Apoptoos|apoptoosi]] mehhanism on [[Loomad|loomariigi]] evolutsioonis kujunenud väga varakult ning jäänud enamasti muutumatuks. Teaduskirjanduses on välja pakutud, et kaspaaside apoptootiline funktsioon on arenenud sünkroonis vajadusega rakkude [[Diferentseerumine|diferentseerumise]] järele organismide arengus, kuivõrd kaspaasid mängivad olulist rolli ka diferentseerumises. Hiljem on kaspaasidele lisandunud muud funktsioonid nagu osalemine [[Põletik|põletikulistes]] protsessides (kuna kaspaaside vahendatud proteolüütilise lõikamise tulemusena vabastatakse [[tsütokiinid]] IL-1β ja IL-18) ja [[Kude|koe]]<nowiki/>spetsiifilised rollid (nt CASP14, mis kaitseb [[Marrasknahk|epidermise]] rakke vedelikupuuduse ja [[Ultraviolettkiirgus|UV-kiirguse]] eest).

Kaspaasidega mõnevõrra sarnasteks funktsioonide poolest peetakse ka [[Metakaspaasid|metakaspaase]] – seda ensüümide rühma leidub [[Seened|seentes]], [[Taimed|taimedes]], [[Protistid|protistides]] ja [[Bakterid|bakterites]] (ehk organismides, kus tavalisi kaspaase ei esine). Metakaspaasid on samuti tsüsteiinproteaasid, kuid need lõhustavad [[Peptiidside|peptiidsidemeid]] hoopis [[Arginiin|Arg]]-jäägi või [[Lüsiin|Lys]]-jäägi (mitte Asp-jäägi) järel. Kuigi hiljuti on näidatud, et metakaspaaside ja kaspaaside rollid eri organismides mõnevõrra kattuvad, on teadusrühmi, kes kritiseerivad metakaspaaside ja kaspaaside kui ensüümirühmade nimetuste sarnasusi. Seejuures juhitakse tähelepanu asjaolule, et apoptoos on omane vaid loomadele ning kaspaaside keskne ülesanne on siiski apoptoosi vahendamine.

Allpool artiklis käsitletakse konkreetsemalt inimese kaspaase.

== Inimese kaspaasid ==
Inimese genoomis on kodeeritud kaksteistkümne funktsionaalse kaspaasi (''CASP1''-''CASP10'', ''CASP12'' ja ''CASP14'') järjestused. Need ensüümid jagunevad ehituse ja funktsiooni alusel kolme suuremasse rühma:

* **Algatajakaspaasid** (ingl k ''initiator caspases''): CASP2, CASP8, CASP9, CASP10. Iseloomulikuks struktuurseks tunnuseks on pikk N-terminaalne prodomeen, mis sisaldab CARD-domeeni või DED-domeeni (vt eespool). Need [[Domeen (struktuuribioloogia)|domeenid]] võimaldavad kaspaasidel seonduda adaptervalkudega ja omandada aktiivsust suuremate signaalikomplekside kontekstis nagu [[apoptosoom]] (rakusisese raja kaudu indutseeritud [[Apoptoos|apoptoosi]] korral) või DISC (rakuvälise raja kaudu indutseeritud apoptoosi korral). Algatajakaspaasid aktiveerivad efektorkaspaase.
* **Efektorkaspaasid** (ingl k ''executioner caspases''): CASP3, CASP6, CASP7. Eksisteerivad inaktiivsete [[Zümogeen|zümogeenidena]] (prokaspaasidena), mille aktiveerivad algatajakaspaasid. Seejärel viivad efektorkaspaasid läbi apoptoosi lõppfaase, lõhustades proteolüütiliselt kümneid rakusiseseid [[Substraat (biokeemia)|substraate]] (vt allpool).
* **Põletikulised kaspaasid** (ingl k ''inflammatory caspases''): CASP1, CASP4, CASP5, CASP12. Osalevad põletikuliste tsütokiinide (nt interleukiin-1β ja IL-18) aktiveerimises ja püroptoosis (apoptoosist oluliselt rohkem põletikku vallandav rakusurma viis, mille käigus toimub rakumembraani lõhkemine ja molekulide vabanemine rakkudevahelisse alasse).

Rühmaväliseks liigitatakse CASP14, mis tegutseb peamiselt epidermise [[Sarvaine|keratiniseerumise]] protsessides ega ole seotud apoptoosiga.

== Ensümaatiline aktiivsus ja substraadid ==

Kaspaasid on tsüsteiiniproteaasid, mille aktiivtsentris paikneb [[Tsüsteiin|tsüsteiini]]- ja [[Histidiin|histidiini]]<nowiki/>jäägist koosnev [[Katalüüs|katalüütiline]] tandem (näiteks kaspaas-1 puhul on tegemist aminohappejääkidega His237 ja Cys285 – seda nummerdust kasutatakse allpool ka katalüüsimehhanismi kirjeldamisel). Kaspaasid [[Hüdrolüüs|hüdrolüüsivad]] subtraatvalgu polüpeptiidahelat alati pärast [[Aspartaat|aspartaadijääki]]. Kaspaasi sidumistasku asetab lõigatava peptiidsideme (ingl k ''scissile bond'') katalüütiliste aminohappejääkide lähedusse. Gly238 ja Cys285 peptiidahela [[amiidid]] annavad [[Vesinikside|vesiniksidemeid]] lõigatava peptiidsideme [[Karbonüülrühm|karbonüülrühma]] hapnikuga. Selle tulemusel muutub karbonüülrühma süsinik [[Elektrofiil|elektrofiilseks]] ja vastuvõtlikuks [[Nukleofiil|nukleofiilse]] rünnaku suhtes, mida sooritab läheduses paiknev katalüütilise Cys285 [[Tioolid|tioolrühm]]. Enne nukleofiilset rünnakut või selle käigus annab Cys285 tioolrühm oma [[Prooton|prootoni]] His237 külgahela [[Imidasool|imidasoolile]], mille protoneeritud vorm toimib katalüüsi lõppetapis [[Hape|happena]], protoneerides lõigatavale [[Peptiidside|peptiidsidemele]] järgneva [[Aminohapped|aminohappe]] α-[[Aminorühm|amino­rühma]].

Kui lagundatava peptiidsideme suhtes [[N-terminaalne ots|N-terminaali]] pool paiknevad olevad aminohappejäägid tähistada P1, P2 jms (kus number suureneb lagundatavast peptiidsidemest kaugenedes), siis määravad [[Substraat (biokeemia)|substraadi]] äratundmist kaspaaside poolt substraadis aminohappejäägid asendites P4-P1 (ning P1 on alati Asp). Efektorkaspaasid (eriti kaspaas-3 ja kaspaas-7) eelistavad substraatide koosseisus tetra[[Peptiidid|peptiidi]] [[Aspartaat|Asp]]-[[Glutamiinhape|Glu]]-[[Valiin|Val]]-[[Aspartaat|Asp]] (ühetäheliste lühenditena DEVD), mille puhul toimub lõikus pärast viimast aspartaati. DEVD järjestuse põhjal on disainitud ka mitmed teaduslikes uuringutes kasutatavad [[Fluorestsents|fluorestseeruvad]] kaspaasi-[[Sensormolekul|sensorid]], mis konkureerivad [[Rakk|rakkudes]] substraatidega ja käituvad seega [[Inhibiitor|inhibiitoritena]]. Seejuures võivad sensorid olla [[Orgaaniline süntees|sünteetilised]], sisaldades väikese molekulmassiga [[Fluorofoor|fluorofoore]] (selliste ühendite seas on ka [[Pöördumatu reaktsioon|pöördumatuid]] inhibiitoreid), või [[Geenitehnoloogia|geneetiliselt]] kodeeritud, sisaldades [[Fluorestseeruvad valgud|fluorestseeruvaid valke]].

Kuigi DEVD on enim uuritud motiiv kaspaaside substraatides, teostavad kaspaasid organismis sadade erinevate valkude proteolüüsi, mille hulka kuuluvad struktuursed valgud (nt [[Tuumamembraan|tuumaümbrise]] [[Lamiin|lamiinid]], [[Tsütoskelett|tsütoskeleti]] [[Aktiin|aktiinid]]), [[DNA reparatsioon|DNA parandusega]] seotud valgud ja [[Mitokonder|mitokondriaalsed]] valgud. Selle substraadikogumi kooskõlastatud lagundamine annab apoptootilisele rakule iseloomuliku [[Morfoloogia (bioloogia)|morfoloogia]].

== Kaspaaside roll apoptoosis ja teistes rakusurma vormides ==

Kaspaasid on keskse tähtsusega programmeeritud rakusurma ([[Apoptoos|apoptoosi]]) läbiviimisel, kuid neil on roll ka põletikulises rakusurmas ([[Püroptoos|püroptoosis]]) ja mitmetes teistes rakusurma vormides:

* Apoptoos on rangelt kontrollitud rakusurma vorm, mida iseloomustavad raku kokkutõmbumine, [[Kromatiin|kromatiini]] kondenseerumine, [[Rakumembraan|membraani]] väljasopistumine (ingl k ''blebbing'') ja apoptootiliste kehade teke. Apoptoos käivitatakse põhiliselt kahe raja kaudu. Rakuväline ehk [[Retseptor (biokeemia)|retseptor]]<nowiki/>vahendatud rada käivitub valguliste signaalimolekulide (näiteks [[kasvaja nekroosifaktor]] TNF-alfa) seondumisel surmaretseptoritele (nt kasvaja nekroosifaktori retseptorite perekond TNFR). Info rakuvälise sündmuse kohta kandub retseptorite [[Konformatsioon|konformatsiooni]] muutumise kaudu rakku ning toimub DISC-kompleksi teke, mille tulemusena aktiveeruvad kaspaas-8 ja kaspaas-10 ning seejärel efektorkaspaasid. Rakusisese ehk [[Mitokonder|mitokondriaalse]] raja käivitajateks on DNA kahjustus või [[oksüdatiivne stress]], mis vallandavad [[Tsütokroomid|tsütokroomi]] c vabanemist mitokondritest. Vabanenud tsütokroom c moodustab koos teiste valkudega [[Apoptosoom|apoptosoomi]], mis aktiveerib kaspaasi-9 ning seejärel efektorkaspaasid.
* Püroptoos on põletikuline, lüütiline rakusurm, mida vahendavad peamiselt kaspaas-1, kaspaas-4 ja kaspaas-5. Enamasti käivitub püroptoos vastusena [[Patogeen|patogeenidele]] (nt viirustele).
* PANoptoos on hübriidne rakusurma vorm, kus aktiveeruvad samaaegselt apoptootilised, [[Nekroos|nekroptootilised]] ja püroptoossed mehhanismid.

== Kaspaaside seos haigustega ==
Kaspaaside aktivatsioon on rangelt reguleeritud, et vältida juhuslikku rakusurma. Olulisemad regulatsioonitasandid on:

* [[Geeniekspressioon]] – prokaspaaside [[Transkriptsioon (geneetika)|transkriptsiooni]] kontroll (näiteks [[Epigeneetika|epigeneetilisel]] tasandil, [[DNA metülatsioon|DNA metüülimise]] või [[Histoonid|histoonide]] [[Metüleerimine|metüülimise]] kaudu).
* Aktiveerivad signaalirajad – [[Bcl-2]] perekonna valgud (kontrollivad mitokondrite membraani läbilaskvust), pseudokaspaas FLIP ja surmaretseptorid.
* Looduslikud [[Inhibiitor|inhibiitorid]] – inhibeerimine IAP-valkude (ingliskeelsest ***i*'nhibitor of **a**poptosis **p**roteins*) poolt.
* [[Translatsioonijärgne modifikatsioon|Translatsioonijärgsed modifikatsioonid]] – [[Fosforüülumine|fosforüülimine]] ja [[Ubikvitiin|ubikvitinüülimine]] võivad muuta kaspaaside aktiivsust.


Siiski esineb patoloogiate kontekstis häireid kaspaaside taseme või aktiivsusega, kusjuures kaspaaside roll haiguslike protsesside vahendamisel oleneb ka konkreetsest kaspaasist, vaadeldavast koest või kaspaasidega vastastikmõjusid loovate muude valkude eskpressioonitasemest rakus.

=== Kaspaasid ja vähk ===
Apoptoosi vältimine on [[Vähk (haigus)|vähi]] üks peamisi tunnuseid. Paljud [[Vähirakk|kasvajarakud]] ekspresseerivad vähenenud tasemel kaspaase või nende aktivatsioonikomponente (nt APAF1, ingliskeelsest ***a**poptotic **p**rotease **a**ctivating **f**actor 1''). See muudab vähirakud resistentseks signaalidele, mis kutsuvad tervetes rakkudes esile rakusurma; seega käsitletakse kaspaase sageli pigem kasvaja supressorgeenidena. Samas on hiljutised uuringud näidanud, et teatud kaspaaside aktivatsioon võib olla seotud pigem rakkude kuju muutumise ja liikuvuse tagamisega (nt epiteel-mesenhüüm-ülemineku käigus), mis pigem aitavad kaasa vähirakkude levimisele.

### Kaspaasid ja neurodegeneratiivsed haigused
Kaspaaside ülemäärane aktivatsioon, eriti kaspaas-6 ja kaspaas-3 puhul, on seotud Alzheimeri, Parkinsoni ja Huntingtoni tõve patogeneesiga. Näiteks on kaspaasid võimelised osaliselt lagundama beeta-amüloidi eelvalku ABPP, tau-valku või huntingtiini, soodustades toksiliste laguproduktide kuhjumist. Rakusurma-välises kontekstis võib aga kaspaaside kontrollitud aktivatsioon mängida rolli närvisüsteemi plastilisuses (neuronite diferentseerumisel ja sünapside ümberkujundamisel).

### Kaspaasid ja maksahaigused
Maksal on suur regeneratiivne võime, kuid krooniline või ulatuslik maksarakkude apoptoos võib viia põletiku, fibroosi ja lõpuks tsirroosi või elundipuudulikkuseni. Maksa peamiste funktsionaalsete rakkude ehk hepatotsüütide apoptoosi vahendavad suuresti kaspaas-8 (surmaretseptori rada) ja kaspaas-9 (mitokondriaalne rada), mis koonduvad efektorkaspaasidele, eeskätt kaspaasile-3 ja kaspaasile-7.

Viirusliku B-hepatiidi puhul toimub nekroosifaktori TNFα tootmise suurenemine. Hepatotsüüdid, mis puutuvad kokku TNFα-ga, läbivad seega surmaretseptori vahendatud apoptoosi. Alkohol ja mõningad ravimid (nt paratsetamool) muudavad hepatotsüüdid nendele surmasignaalidele tundlikumaks. Mittealkohoolse steatohepatiidi ja rasvmaksa kontekstis põhjustab vabade rasvhapete kuhjumisest tingitud lipotoksiline stress mitokondrite funktsioonide häirumist ja rakusisestest radadest käivitatud apoptoosi. Samuti tekib rakusisestest radadest käivitatud apoptoos isheemia-reperfusioonikahjustuse korral (nt siirdamise või kirurgilise sekkumise järel), kuna reperfusioon põhjustab pärast ajutist isheemiat oksüdatiivset stressi ja mitokondriaalset kahjustust. Kui maksas paiknevad Kupfferi rakud ja stellaatrakud fagotsüteerivad surevatest hepatotsüütidest pärinevaid apoptootilisi kehi, aktiveeruvad fibrogeneetilised signaalirajad (nt TGF-β). Seega ei ole apoptoos pelgalt haiguse tagajärg, vaid ka maksafibroosi progresseerumise põhjuslik tegur, mis võimendab kahjustusi näiteks tsirroosi korral.

Kaspaaside aktiivsuse pärssimine nendes olukordades vähendab hepatotsüütide kadu ja parandab näiteks ka siiratud maksa ellujäämist loomkatsetes. Seepärast arendatakse kaspaasi inhibiitoreid, mis blokeeriksid kaspaaside vahendatud apoptoosi. Siiski kaasnevad selle strateegiaga teatud riskid:

* Apoptoos võib olla ka kaitsev mehhanism, mis eemaldab kahjustatud või viirusega nakatunud rakke, mistõttu selle krooniline pärssimine võib soodustada kasvaja teket või viirusnakkuse püsimist.
* Pikaajaline süsteemne kaspaaside blokeerimine võib nõrgendada immuunvastust või häirida normaalset raku uuenemist.
* Lisaks on osa maksas toimivatest apoptoosi radadest seotud nekroptoosiga – seetõttu võib kaspaaside pärssimine nihutada rakusurma tasakaalu nekrootiliste (põletikuliste) mehhanismide suunas.

## Kaspaaside inhibiitorid ja nende kasutusalad
Kaspaaside inhibiitorid on olulised nii eksperimentaalsete töövahenditena rakusurma fundamentaalteaduslikes uuringutes kui ka ravimikandidaatidena haigustes, millega kaasneb liigne apoptoos või põletik.

Kaspaaside aktiivtsentriga seonduvad peptiidipõhised inhibiitorid on siiani kõige laialdasemalt kasutatavad kaspaaside inhibiitorid laboratoorsetes alusuuringutes. Need jäljendavad kaspaaside looduslikke substraate: aminohapete tunnusjärjestusele (nt aspartaati sisaldavad tetrapeptiidid DEVD, LEHD, VEID) järgneb sageli elektrofiilne reaktiivne rühm, mis kovalentselt modifitseerib aktiivtsentri tsüsteiini (seega on tegemist pöördumatute inhibiitoritega). Levinumad elektrofiilsed rühmad on fluorometüülketoon (tähistatakse sageli FMK), klorometüülketoon (CMK) ja atsüüloksümetüülketoon (AOMK); viimane rühm on näidanud suurimat selektiivsust just kaspaaside tsüsteiini suhtes (kuna tsüsteiinproteaase on teisigi). Peptiidipõhiste inhibiitorite N-terminaal on sageli modifitseeritud (nt bensüüloksükarbonüüli või kinoliini fragmendiga), mis lisatava fragmendi hüdrofoobsuse tõttu võib parandada ühendite võimet läbida rakkude plasmamembraani. Seda tüüpi inhibiitorid ei erista samas erinevaid kaspaase ning inhibeerivad kõiki perekonnaliikmeid – seetõttu nimetatakse neid ka pan-inhibiitoriteks. Näiteks Q-VD-OPh on pöördumatu peptiidipõhine kaspaaside pan-inhibiitor, mida on kasutatud madalate mikromolaarsete kontsentratsioonide juures loommudelites.

Ületamaks peptiidipõhiste inhibiitorite problemaatilist võimet läbida rakumembraani, vähest selektiivsust kõrgetel kontsentratsioonidel ja madalat bioloogilist stabiilsust, on kaspaaside inhibiitorite kliinilisteks rakendusteks püütud lühendada molekulides aminohappelisi järjestusi ning asendada aminohapped analoogsete struktuuridega, mis on füsioloogilises keskkonnas püsivamad. Näiteks laia toimespektriga kaspaasiinhibiitor emricasan on läbinud II faasi kliinilise uuringu maksahaiguste (mittealkohoolne steatohepatiit, C-hepatiit, maksafibroos) raviks. Belnacasan on aga eelravim, mille metaboliseeritud vorm on selektiivne kaspaasi-1 ja kaspaasi-4 inhibiitor; ühend on läbinud II faasi kliinilised uuringud epilepsia, psoriaasi ja teiste põletikuliste haiguste raviks.

Kaspaaside inhibiitoritena on testitud ka mittepeptiidseid aineid, millest mõningad seonduvad ensüümide aktiivtsentriga ja mõningad hoopis aladesse, mida kaspaas võiks kasutada vastastikmõjude moodustamiseks teiste kaspaasidega (nn allosteerilised inhibiitorid). Siiski ei ole 2025. aasta novembri seisuga ükski kaspaasiinhibiitor saanud ravimina heakskiitu.

## Vaata ka
* Apoptoosi indutseeriv faktor

## Viited