Calpain 1

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Einleitung

Jede Zelle in mehrzelligen Organismen muss zahlreiche grundlegende Funktionen erfüllen, darunter Wachstum, Reproduktion, Migration, Reaktion auf externe Stimuli sowie Überleben oder Zelltod. Neuronen verfügen über alle diese Funktionen mit Ausnahme der Replikation und stehen vor einer zusätzlichen Herausforderung: Sie müssen auf vielfältige interne und externe Signale besonders effizient reagieren und sich daran anpassen. Daher sind die Plastizität von Neuronen und Synapsen – also die Fähigkeit von Neuronen bzw. Synapsen, sich an Umweltveränderungen anzupassen – sowie neuronales Überleben oder neuronaler Zelltod Prozesse, die sich parallel entwickelt haben und dabei die zelluläre Maschinerie grundlegender physiologischer Zellfunktionen nutzen. Calpaine sind eine evolutionär alte Familie neutraler, löslicher und calciumabhängiger Proteasen, die die besondere Eigenschaft besitzen, durch proteolytische Spaltung die Aktivität ihrer Substratproteine zu modifizieren. Auf diese Weise stellen sie einen posttranslationalen Regulationsmechanismus dar, der irreversibel und dauerhaft ist. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die beiden wichtigsten Calpain-Isoformen im Gehirn, Calpain 1 und Calpain 2, gegensätzliche Rollen bei synaptischer Plastizität sowie neuronalem Überleben bzw. Neurodegeneration spielen.

Lokalisation von Calpain in Mitochondrien

Calpain ist ein zytoplasmatisches Enzym; Studien haben jedoch gezeigt, dass Calpain auch in Mitochondrien vorkommt. Calpain 1 wurde in Mitochondrien identifiziert und ist an der Spaltung des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) beteiligt. Der N-Terminus der großen Untereinheit von Calpain 1 enthält eine mitochondriale Leader-Sequenz, und seine kleine Untereinheit kann zusammen mit der entsprechenden großen Untereinheit in die Mitochondrien importiert werden. Die biochemischen Eigenschaften des mitochondrialen Calpain 1 ähneln denen des zytosolischen Calpain 1 mit einer 80-kDa-großen katalytischen Untereinheit und einer 28-kDa-kleinen regulatorischen Untereinheit, Calpain 4. In Lebermitochondrien findet sich Calpain 2 im Intermembranraum (IMS). Die Aktivierung des mitochondrialen Calpain 2 erhöht die Permeabilität der äußeren Membran (OMM), indem es in Lebermitochondrien mit dem spannungsabhängigen Anionenkanal (VDAC) interagiert. Calpain 2 findet sich auch in den Mitochondrien von Hippocampus, Kleinhirn und Kortex. In Herzmitochondrien, die mittels Trypsin gereinigt wurden, war das Vorhandensein von Calpain 2 hingegen kaum nachweisbar. Calpain 10 ist ein weiteres mitochondrial lokalisiertes Calpain, das an calciuminduzierter mitochondrialer Dysfunktion beteiligt ist. In Mitochondrien der Nierenrinde ist Calpain 10 in der äußeren Membran, im Intermembranraum, in der inneren Membran und in der Matrix vorhanden. Calpain 10 ist ebenfalls in Herzmitochondrien nachweisbar. Die Aktivierung von Calpain 10 verstärkt Zellschädigungen durch Störung der mitochondrialen Atmungskette und ist zudem an der Störung der Ryanodinrezeptor-vermittelten Apoptose beteiligt.

Rolle der Calpaine in der synaptischen Plastizität: Implikationen für Lernen und Gedächtnis

Calpaine sind essenziell für die Langzeitpotenzierung (LTP) und die Gedächtnisbildung. Frühe Studien mit breit wirksamen Proteaseinhibitoren lieferten die ersten Hinweise zur Stützung dieser Hypothese. Diese Ergebnisse wurden später durch genetische Manipulation bestätigt, wobei eine spezifische Stilllegung oder Deletion von Calpain 1 bzw. die Inaktivierung zweier Calpain-Isoformen im Gehirn die LTP und bestimmte Lernfunktionen beeinträchtigen kann. Der genaue molekulare Mechanismus der Calpain-Zielstrukturen im Zusammenhang mit der durch Calpain regulierten synaptischen Plastizität ist jedoch bis heute nicht vollständig geklärt. Über eine durch Calpain 2 vermittelte mTOR-Aktivierung und de-novo-Proteinsynthese erholten sich die synaptischen SCOP-Spiegel rasch und stellten das basale Niveau der ERK-Phosphorylierung wieder her. Zahlreiche neuere Studien haben gezeigt, dass dieser Mechanismus verschiedene Formen des Gedächtnisses unterstützen kann, etwa Furchtkonditionierung und Objekterkennung. Daher kann – wie in Abbildung 5 dargestellt – das aktuelle Modell der LTP-Regulation durch Calpaine in zwei unterschiedliche Phasen unterteilt werden. Erstens: Während der LTP-Induktion löst die Aktivierung von Calpain 1 durch Calcium, das über den NMDA-Rezeptor einströmt, den Abbau von Spektrin und anderen Zytoskelettproteinen aus und stimuliert gleichzeitig über den Abbau von SCOP die ERK-Aktivierung. Dies dient der Phosphorylierung mehrerer nachgeschalteter Proteine, einschließlich AMPA-Rezeptoren, und begünstigt dadurch deren synaptische Rekrutierung (Abbildung 1).

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Crosstalks zwischen Proteinsynthese und Zytoskelett-Reorganisation während der synaptischen Plastizität (Briz, V.; Baudry, M. 2016)

In der zweiten Phase werden die Calpain-2-Aktivität stimuliert und die Akt/mTOR-Signalkaskade initiiert, ausgelöst durch die Aktivierung des TrkB-Rezeptors, mit wichtigen Funktionen während der Konsolidierungsphase (Abbildung 2). Das Modell geht daher davon aus, dass die Aktivitäten von Plasticin 1 und 2 während Plastizitätsereignissen räumlich und zeitlich streng reguliert sind, was vermutlich durch die Assoziation mit selektiven Scaffold-Proteinkomplexen erreicht wird.

Abbildung 2. Schematische Zusammenfassung der Rollen von Calpain in der synaptischen Plastizität (Briz, V.; Baudry, M. 2016)