Caspase 6

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Einleitung

Caspasen sind eine Klasse von Cysteinproteasen, die Substrate C-terminal nach einem Aspartatrest spalten, und stellen die zentralen Mediatoren von Apoptose und Inflammation dar. Caspasen lassen sich anhand von Sequenzhomologien und Funktion in drei Kategorien einteilen: (a) inflammatorische Caspasen, (b) apoptotische Initiatorcaspasen und (c) apoptotische Effektor-/Exekutorcaspasen. Alle Caspasen werden in Zellen als katalytisch inaktive Zymogene synthetisiert und müssen während der Apoptose durch proteolytische Prozessierung aktiviert werden. Apoptotische Initiatorcaspasen prozessieren und aktivieren apoptotische Effektor-/Exekutorcaspasen. Caspase-6, Caspase-3 und Caspase-7 werden als apoptotische Effektor-/Exekutorcaspasen klassifiziert. Das Mch2-Gen kodiert beim Menschen Caspase-6; Caspase-6 wird während der Apoptose häufig durch Caspase-3 aktiviert und nicht primär durch Initiatorcaspasen. Allerdings wird Caspase-6 auch bei inaktiver Caspase-3 als aktiviert beobachtet, und eine Autoaktivierung von Caspase-6 kann in vivo und in vitro auftreten. Im Verlauf der Apoptose lokalisiert Caspase-6 in den Zellkern, spaltet Lamin-Proteine sowie das Nuclear Mitotic Apparatus Protein (NuMA) und induziert eine Kernfragmentierung. Im Unterschied zu Caspase-3 und Caspase-7 führt die Aktivität von Caspase-6 jedoch nicht in jedem Fall zur Apoptose. In Neuronen bei Alzheimer-Krankheit (AD) lokalisiert die Caspase-6-Aktivität im Zytoplasma und in Neuriten und zeigt nicht die klassischen Merkmale der Apoptose. Caspase-6 wird im Gehirn und in peripheren Geweben breit exprimiert. Neben der Beteiligung an der Apoptose ist Caspase-6 auch maßgeblich an der Axon-Pruning während der Entwicklung und im adulten Gehirn, an pathologischer Axondegeneration sowie an Entstehung und Progression verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen wie Huntington-Krankheit (HD) und AD beteiligt.

Autoaktivierungsmechanismus von Caspase-6 und Funktion der Prodomäne

Caspase-6 liegt als dimeres Zymogen vor und besteht aus einer kurzen Prodomäne, einer großen Untereinheit (p20), einer kleinen Untereinheit (p10) sowie einem Inter-Subunit-Linker. Die drei Spaltstellen von Caspase-6 sind die Sequenz TEDD²³ nach der Prodomäne sowie die Sequenzen DVVD¹⁷⁹ und TEVD¹⁹³ im Inter-Subunit-Linker (Abbildung 1).

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

Die Aktivierung der Effektor-/Exekutorcaspasen erfordert eine Spaltung im Inter-Subunit-Linker, um den N-Terminus der kleinen Untereinheit p10 freizusetzen. Anschließend rotiert dieses Ende um etwa 180°, wodurch es zusammen mit den vier Schleifen der benachbarten katalytischen Einheit ein Loop-Bündel bildet. Die Spaltung an einer oder an beiden Inter-Subunit-Spaltstellen ist ausreichend, um Caspase-6 zu aktivieren, während die Prodomäne die Autoaktivierung von Caspase-6 in vivo, nicht jedoch in vitro hemmt. Caspase-6 kann sich autoaktivieren oder durch Caspase-3 aktiviert werden; der Autoaktivierungsweg unterscheidet sich jedoch von dem von Caspase-3. Während der Autoaktivierung verliert Caspase-6 zunächst ihre Prodomäne (Spaltung bei TETD²³), wird anschließend bei TEVD¹⁹³ und schließlich bei DVVD¹⁷⁹ gespalten. Im Gegensatz dazu aktiviert Caspase-3 Caspase-6, indem sie zunächst bei DVVD¹⁷⁹ spaltet und danach bei TETD23 und TEVD¹⁹³. Die Zymogenstruktur von Caspase-6 zeigt, dass die Inter-Subunit-Spaltstelle TEVD¹⁹³ an das aktive Zentrum derselben katalytischen Einheit bindet (Abbildung 2). Die Bindungskonformation dieser Spaltstelle ist spezifisch für Caspase-6, da sie über einen langen Inter-Subunit-Linker verfügt, während der Linker von Caspase-3 und Caspase-7 zu kurz ist, um die zwischen den Untereinheiten liegenden Spaltstellen im eigenen aktiven Zentrum zu positionieren.

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

Aktivierungs- und Regulationsmodell von Caspase-6

Bislang wurden mehrere Caspase-6-Strukturen in unterschiedlichen Zuständen bzw. in Komplexen mit verschiedenen Inhibitoren publiziert. Auf Basis der Analyse dieser Strukturen und begleitender biochemischer Untersuchungen wurden die Aktivierungs- und Regulationswege von Caspase-6 zusammengefasst (Abbildung 3). Dieser Pfad umfasst sieben unterschiedliche Formen von Caspase-6, von denen sechs mittels Kristallographie beobachtet wurden. Das siebte Strukturmodell repräsentiert ein postuliertes transientes Intermediat; es zeigt den TEVD¹⁹³-Bindungszustand nach einer kleinen Konformationsänderung und ist für eine intramolekulare Selbstspaltung vorbereitet. Das Caspase-6-Zymogen kann durch Autoaktivierung oder durch Caspase-3-vermittelte Aktivierung aktiviert werden: Bei niedriger Caspase-6-Konzentration hemmt die Prodomäne die Selbstspaltung, und die Expression von Caspase-6 wird direkt durch p53 hochreguliert. Steigt die Caspase-6-Konzentration an, wird zunächst die Prodomäne entfernt, woraufhin die Autoaktivierung einsetzt. Die Prodomäne hemmt die Autoaktivierung von Caspase-6. Dieser inhibitorische Effekt ist nur bei niedrigen Caspase-6-Konzentrationen wirksam und hemmt nicht die Caspase-3-vermittelte Aktivierung von Caspase-6. Die Anwesenheit von TEVD¹⁹³ im aktiven Zentrum hemmt die Aktivierung und Aktivität von Caspase-6, indem sie mit dem Substrat konkurriert und eine intermolekulare Spaltung an dieser Stelle verhindert. Eine Phosphorylierung an Ser257 fixiert das Zymogen im TEVD¹⁹³-gebundenen Zustand und verhindert die Selbstspaltung, während eine Dephosphorylierung die Autoaktivierung begünstigt. Autoaktivierte oder durch Caspase-3 aktivierte, nicht phosphorylierte Caspase-6 ist aktiv und kann Substrate spalten. Diese aktive Caspase-6 kann jedoch weiterhin durch Caspase-Inhibitoren zusätzlich reguliert werden.

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