Caspasa

Caspasas (cysteine-aspproteartic proteasas, cysteine aspartases o cproteasas dirigidas por aspartato dependientes de asp) son una familia de enzimas proteasas que juegan un papel esencial en la muerte celular programada. Se denominan caspasas debido a su actividad cisteína proteasa específica: una cisteína en su sitio activo ataca nucleofílicamente y escinde una proteína objetivo solo después de un residuo de ácido aspártico. A partir de 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, provocando 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, la necroptosis y la PANoptosis. Estas formas de muerte celular son importantes para proteger a un organismo de señales de estrés y ataques patógenos. Las caspasas también tienen un papel en la inflamación, por lo que procesan directamente citoquinas proinflamatorias como 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 guía y el envejecimiento de los axones.

La deficiencia de caspasa se ha identificado como una causa del desarrollo del tumor. 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, combinado con mutaciones en proteínas apoptóticas como las caspasas que responderían induciendo la muerte celular en células con un crecimiento anormal. Por el contrario, la sobreactivación de algunas caspasas, como la caspasa-3, puede provocar una muerte celular programada excesiva. Esto se ve en varias enfermedades neurodegenerativas donde se pierden células neuronales, como la enfermedad de Alzheimer. Las caspasas involucradas 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 inmunitaria adecuada. El papel integral que juegan las caspasas en la muerte celular y la enfermedad ha llevado a la investigación sobre el uso de caspasas como diana farmacológica. Por ejemplo, se ha implicado a la caspasa-1 inflamatoria en la causa de enfermedades autoinmunes; Se han utilizado fármacos que bloquean la activación de Caspasa-1 para mejorar la salud de los pacientes. Además, los científicos han utilizado caspasas como terapia contra el cáncer para eliminar células no deseadas en los tumores.

Clasificación funcional de las caspasas

La mayoría de las caspasas desempeñan un papel en la muerte celular programada. Estos se resumen en la siguiente tabla. Las enzimas se subclasifican en tres tipos: iniciadoras, ejecutoras e inflamatorias.

Muerte celular programada	Tipo de Caspase	Enzyme	Organismo
Apoptosis	Iniciador	Caspase 2	humanos y ratón
		Caspase 8	humanos y ratón
		Caspase 9	humanos y ratón
		Caspase 10	humanos
	Executioner	Caspase 3	humanos y ratón
		Caspase 6	humanos y ratón
		Caspase 7	humanos y ratón
Piroptosis	Inflamatorio	Caspase 1	humanos y ratón
		Caspase 4	humanos
		Caspase 5	humanos
		Caspase 11	ratón
		Caspase 12	ratón y algunos humanos
		Caspase 13	ganado
Otras funciones	Otros	Caspase 14	humanos y ratón

Tenga en cuenta que, además de la apoptosis, la caspasa-8 también es necesaria para inhibir otra forma de muerte celular programada llamada necroptosis. Caspasa-14 juega un papel en la diferenciación de queratinocitos de 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 (procaspasas) que solo se activan tras un estímulo adecuado. 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 división en una subunidad pequeña y una subunidad grande. Las subunidades grande y pequeña se asocian entre sí para formar una caspasa heterodimérica activa. La enzima activa a menudo existe como heterotetrámero en el entorno biológico, donde un dímero de procaspasa 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 al unirse 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 ubican en un dominio estructural de las caspasas conocido como prodominio, que es mayor en aquellas caspasas que contienen pliegues de la muerte que en las que no. El prodominio 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 prodominio de las caspasas iniciadoras extrínsecas contiene dos pliegues de muerte conocidos como dominios efectores de muerte (DED).

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

• El complejo de señalización de muerte (DISC) durante la apoptosis extrínseca
• El apoptosome durante la apoptosis intrínseca
• El inflamatorio durante la piroptosis

Escisión

Una vez que se han dimerizado adecuadamente, las caspasas se escinden en las regiones enlazadoras entre dominios, formando una subunidad grande y otra pequeña. Esta escisión permite que los bucles del sitio activo adquieran 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 siguiente tabla.

• El iniciador encadena auto-proteolíticamente ligar mientras que Los caspas de ejecutor son azotados por los caspas del iniciador. Esta jerarquía permite una reacción de cadena amplificadora o cascada para componentes celulares degradantes, durante la muerte celular controlada.

Iniciador Caspase Caspase-8
Executioner Caspase Caspase-3

Algunos roles de las caspasas

Apoptosis

La apoptosis es una forma de muerte celular programada en la que la célula sufre cambios morfológicos para minimizar su efecto sobre las células circundantes y evitar inducir una respuesta inmunitaria. La célula se encoge y se condensa: el citoesqueleto colapsará, la envoltura nuclear se desarmará y el ADN se fragmentará. Esto da como resultado que la célula forme cuerpos encerrados en sí mismos llamados "ampollas", para evitar la liberación de componentes celulares al 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 la eliminación fagocíticos.

Did you mean:

Apoptotic caspases are subcategorized as:

1. Initiator Caspases (Caspase 2, Caspase 8, Caspase 9, Caspase 10)
2. Ejecutor Caspases (Caspase 3, Caspase 6 y Caspase 7)

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

Did you mean: Examples of caspase cascade during apoptosis:

1. Camino apoptópico intrínseco: Durante tiempos de estrés celular, mitocondrial cytochrome c se libera en el citosol. Esta molécula une una proteína de adaptador (APAF-1), que recluta al iniciador Caspase-9 (a través de interacciones CARD-CARD). Esto conduce a la formación de un complejo de la Caspase activando multiproteína llamado el Apoptosome. Una vez activado, los caspas del iniciador, como Caspase 9, cerrarán y activarán otros caspas del verdugo. Esto conduce a la degradación de los componentes celulares para la apoptosis.
2. Vía apoptópica extrínseca: La cascada también está activada por ligandos extracelulares, a través de la superficie celular Receptores de muerte. Esto se hace mediante la formación de un Complejo de Inducción de la Muerte Multiproteína (DISC) que recluta y activa un pro-caspase. Por ejemplo, la Ligada Fas une al receptor FasR en la superficie extracelular del receptor; esto activa los dominios de muerte en la cola citoplasmática del receptor. La proteína de adaptador FADD reclutará (por una interacción de dominio Death-Death) pro-Caspase 8 a través del dominio DED. Este FasR, FADD y pro-Caspase 8 forman el Complejo de Signalling de Death Inducing (DISC) donde Caspase-8 está activado. Esto podría llevar a la activación aguas abajo de la vía intrínseca induciendo el estrés mitocondrial, o la activación directa de las Caspas del Ejecutador (Caspase 3, Caspase 6 y Caspase 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 distinto de otros tipos de muerte celular: las células se hinchan, se rompen y liberan contenido celular proinflamatorio. Esto se hace en respuesta a una variedad de estímulos que incluyen infecciones microbianas y ataques cardíacos (infartos de miocardio). Caspase-1, Caspase-4 y Caspase-5 en humanos, y Caspase-1 y Caspase-11 en ratones juegan un papel importante en la inducción de la muerte celular por piroptosis. Esto limita el tiempo de vida y proliferación de patógenos intracelulares y extracelulares.

Piroptosis por caspasa-1

La activación de 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 al formar un complejo activador multiproteico llamado Inflamasomas. Por ejemplo, un NOD Like Leucine Rich Repeat NLRP3 detectará una salida de iones de potasio de la célula. Este desequilibrio iónico celular conduce a la oligomerización de las moléculas NLRP3 para formar un complejo multiproteico llamado inflamasoma NLRP3. La pro-caspasa-1 se acerca mucho a otra molécula de pro-caspasa para dimerizarse y sufrir una escisión autoproteolítica.

Algunas señales patogénicas que conducen a la piroptosis por Caspasa-1 se enumeran a continuación:

• ADN en el citosol host se une a AIM2-Like Receptors induciendo Piroptosis
• Sistema de secreción tipo III aparato de bacterias NOD Como Leucine Rich Repeti receptores llamados NAIP's (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, Caspasa 4 actúa como un receptor y se activa proteolíticamente, sin necesidad de un complejo inflamasoma o activación de Caspasa-1.

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

Papel en la inflamación

La inflamación es un intento de protección por parte de un organismo para restaurar un estado homeostático, luego de la interrupción de un estímulo dañino, como daño tisular o infección bacteriana.

Did you mean:

Caspase-1, Caspase-4, Caspase-5 and Caspase-11 are considered 'Inflammatory Caspases#39;.

• Caspase-1 es clave para activar las citoquinas pro-inflamatorias; éstas actúan como señales a las células inmunitarias y hacen que el medio ambiente sea favorable para el reclutamiento de células inmunes al sitio de daño. Caspase-1 juega un papel fundamental en el sistema inmunitario innato. La enzima es responsable de procesar citoquinas como pro-ILβ y pro-IL18, así como de secretarlas.
• Caspase-4 y -5 en humanos, y Caspase-11 en ratones tienen un papel único como receptor, por lo que se une a LPS, una molécula abundante en bacterias negativas gramos. Esto puede llevar al procesamiento y secreción de las citoquinas IL-1β e IL-18 activando Caspase-1; este efecto aguas abajo es el mismo que se describe anteriormente. También conduce a la secreción de otra citoquina inflamatoria que no se procesa. Esto se llama pro-IL1α. También hay evidencia de una manguera inflamatoria, la secreción de cytokine de caspase-11 de ayuda; esto se hace inactivando un canal de membrana que bloquea la secreción IL-1β
• Las cascadas también pueden inducir una respuesta inflamatoria a nivel transcripcional. Hay evidencia donde promueve la transcripción de factor nuclear-κB (NF-κB), un factor de transcripción que ayuda a transcribir citoquinas inflamatorias como IFNs, TNF, IL-6 e IL-8. Por ejemplo, Caspase-1 activa Caspase-7, que a su vez cuelga la ribosa de poli (ADP) – esto activa la transcripción de los genes controlados NF-κB.

Descubrimiento de las 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. elegante. Horvitz y su colega Junying Yuan descubrieron en 1993 que la proteína codificada por el gen ced-3 es la 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 caspasas en organismos como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster.

Los investigadores decidieron la nomenclatura de la caspasa en 1996. En muchos casos, una caspasa 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 como CPP32, apopaína y Yama. Las caspasas, por lo tanto, fueron numeradas en el orden en que fueron identificadas. Por lo tanto, se cambió el nombre de ICE a caspasa 1. ICE fue la primera caspasa de mamífero que se caracterizó debido a su similitud con el gen de muerte de nematodos ced-3, pero parece que el papel principal de esta enzima es mediar en 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 caspasas específicas de arginina y lisina como proteasas llamadas metacaspasas. Las búsquedas de homología revelaron una estrecha homología entre las caspasas y las proteínas similares a caspasas de Reticulomyxa (un organismo unicelular). El estudio filogenético indica que la divergencia de las secuencias de caspasa y metacaspasa ocurrió antes que la divergencia de los eucariotas.