Caspase 6

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Einführung

Caspasen sind eine Klasse von Cystein-Proteasen, die dafür verantwortlich sind, Substrate nach einer Aspartat-Rest zu spalten, und sind die Hauptmediatoren der Apoptose und Entzündung. Caspasen können basierend auf ihren Sequenzähnlichkeiten und Funktionen in drei Kategorien unterteilt werden: (a) entzündliche Caspasen, (b) apoptotische Initiatoren und (c) apoptotische Effektoren. Alle Caspasen werden in Zellen als katalytisch inaktive Zymogene produziert und müssen während der Apoptose einer proteolytischen Aktivierung unterzogen werden. Apoptotische Initiatoren verarbeiten und aktivieren apoptotische Effektoren. Caspase-6, Caspase-3 und Caspase-7 werden als apoptotische Effektoren klassifiziert. Das Mch2-Gen beim Menschen kodiert für Caspase-6, und Caspase-6 wird oft von Caspase-3 während der Apoptose aktiviert, anstatt von Initiator-Caspasen. Aber selbst wenn Caspase-3 inaktiv ist, wird beobachtet, dass Caspase-6 aktiviert wird, und die Autoaktivierung von Caspase-6 kann in vivo und in vitro auftreten. Im Prozess der Apoptose lokalisiert sich Caspase-6 im Zellkern, spaltet das Lamin-Protein und das nukleare mitotische Apparatsprotein (NuMA) und induziert die nukleare Fragmentierung. Allerdings induziert die Aktivität von Caspase-6 im Gegensatz zu Caspase-3 und Caspase-7 nicht immer Apoptose. Die Aktivität von Caspase-6 lokalisiert sich im Zytoplasma und in Neuriten von Neuronen mit Alzheimer-Krankheit (AD) und zeigt nicht die klassischen Merkmale der Apoptose. Caspase-6 wird im Gehirn und in peripheren Geweben weit exprimiert. Neben der Teilnahme an der Apoptose ist Caspase-6 auch stark an der Axon-Pruning während der Entwicklung und im erwachsenen Gehirn beteiligt; pathologischer Axondegeneration; und dem Auftreten und Fortschreiten einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen, wie der Huntington-Krankheit (HD) und AD.

Autoaktivierungsmechanismus von Caspase-6 und die Funktion des Prodomäns

Caspase-6 wird als Dimer-Zymogen dargestellt, das aus einem kurzen Prodomän, einer großen Untereinheit (p20), einer kleinen Untereinheit (p10) und einem intersubunit Linker besteht. Die drei Spaltstellen von Caspase-6 sind die Reste TEDD²³ nach dem Prodomän und die Reste DVVD¹⁷⁹ und TEVD¹⁹³ im intersubunit Linker (Abbildung 1).

Abbildung 1. Schematische Darstellung von Caspase-6 (Wang, X.J.; et al. 2015)

Die Aktivierung der Effektor-Caspasen erfordert eine Spaltung am intersubunit Linker, um das N-Terminus der kleinen Untereinheit p10 freizusetzen. Anschließend wird das Ende um 180° gedreht, um ein Schleifenbündel mit den vier Schleifen der benachbarten katalytischen Einheit zu bilden. Die Spaltung an einer oder beiden intersubunit Spaltstellen ist ausreichend, um Caspase-6 zu aktivieren, während das Prodomän die Autoaktivierung von Caspase-6 in vivo hemmt, jedoch nicht in vitro. Caspase-6 kann autoaktiviert oder von Caspase-3 aktiviert werden, aber der Weg der Autoaktivierung unterscheidet sich von dem von Caspase-3. Während des Autoaktivierungsprozesses verliert Caspase-6 zuerst sein Prodomän (gespalten bei TETD²³), wird dann bei TEVD¹⁹³ gespalten und schließlich bei DVVD¹⁷⁹. Im Gegensatz dazu wird Caspase-3 aktiviert, indem zuerst Caspase-6 bei DVVD¹⁷⁹ gespalten wird und dann bei TETD²³ und TEVD¹⁹³. Die Zymogenstruktur von Caspase-6 zeigt, dass die intersubunit Spaltstelle TEVD¹⁹³ an die aktive Stelle der gleichen katalytischen Einheit bindet (Abbildung 2). Die Bindungskonformation dieser Spaltstelle ist einzigartig für Caspase-6, da sie einen langen intersubunit Linker hat, während der Linker von Caspase-3 und Caspase-7 zu kurz ist, um die Spaltstellen zwischen den Untereinheiten in seiner eigenen aktiven Stelle zu platzieren.

Abbildung 2. Struktur des Caspase-6-Zymogens (Wang, X.J.; et al. 2015)

Das Aktivierungs- und Regulationsmodell von Caspase-6

Bislang wurden mehrere Caspase-6-Strukturen in verschiedenen Zuständen oder in Kombination mit verschiedenen Inhibitoren veröffentlicht. Durch die Analyse dieser Strukturen und verwandter biochemischer Studien haben Wissenschaftler die Aktivierungs- und Regulationswege von Caspase-6 zusammengefasst (Abbildung 3). Dieser Weg enthält 7 verschiedene Formen von Caspase-6, von denen sechs durch kristallographische Methoden sichtbar sind. Das siebte Strukturmodell stellt das vorgeschlagene transiente Intermediat dar, es zeigt den TEVD¹⁹³ Bindungszustand nach einer kleinen konformationellen Änderung und ist bereit für die intramolekulare Selbstspaltung. Das Caspase-6-Zymogen kann durch Autoaktivierung oder Caspase-3-vermittelte Aktivierung aktiviert werden: Wenn die Konzentration von Caspase-6 niedrig ist, hemmt das Prodomän die Selbstspaltung, und die Expression von Caspase-6 wird direkt durch p53 hochreguliert. Wenn die Konzentration von Caspase-6 steigt, wird das Prodomän zuerst entfernt, wonach die Autoaktivierung beginnt. Das Prodomän hemmt die Autoaktivierung von Caspase-6. Der hemmende Effekt ist nur bei niedrigen Caspase-6-Konzentrationen wirksam und hemmt nicht die Caspase-3-vermittelte Aktivierung von Caspase-6. Das Vorhandensein von TEVD¹⁹³ in der aktiven Stelle hemmt die Aktivierung und Aktivität von Caspase-6, indem es mit dem Substrat konkurriert und die intermolekulare Spaltung an dieser Stelle verhindert. Die Phosphorylierung bei Ser257 sperrt das Zymogen im TEVD¹⁹³-gebundenen Zustand und verhindert die Selbstspaltung, während die Dephosphorylierung die Autoaktivierung erleichtert. Autoaktivierte oder von Caspase-3-aktivierte, unphosphorylierte Caspase-6 ist aktiv und kann das Substrat spalten. Diese aktive Caspase-6 kann jedoch weiterhin durch Caspase-Inhibitoren weiter reguliert werden.

Abbildung 3. Die Aktivierungs- und Regulationskarte von Caspase-6 (Wang, X.J.; et al. 2015)