Caspase 7

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Einleitung

Von der Verdauung von Nahrungsbestandteilen bis hin zu hochregulierten Kaskadenreaktionen: Sämtliche physiologischen Reaktionen erfordern die Beteiligung von Proteasen. Die Apoptose ist der standardmäßige programmierte Zelltod während der Embryonalentwicklung und ist zudem essenziell für die Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. Caspasen, eine evolutionär konservierte Familie aspartatspezifischer Cysteinproteasen, bilden die zentralen Elemente des Apoptosemechanismus. Diese Proteasen liegen sämtlich als latente Zymogene vor, denen eine N‑terminale Prodomäne variabler Länge vor der katalytischen Domäne vorgeschaltet ist. Caspasen signalisieren üblicherweise in einer zweistufigen Kaskade (Abbildung 1): „Initiatorcaspasen“ mit großen Prodomänen (z. B. Caspase‑1, ‑8 und ‑9) werden in einen großen Proteinkomplex rekrutiert, woraufhin eine Autoaktivierung erfolgt. Aktivierte Initiatorcaspasen entfernen anschließend die kurzen inhibitorischen Prodomänen ihrer „Effektorcaspasen“ (executioner caspases), wodurch diese in die Lage versetzt werden, eine Vielzahl zellulärer Substrate zu spalten. Zusammen mit Caspase‑3 und ‑6 gehört Caspase‑7 zur Untergruppe der Effektorcaspasen. Sie wurde ursprünglich von drei unterschiedlichen Arbeitsgruppen als ICE‑LAP3, Mch3 und CMH‑1 kloniert und später in Caspase‑7 umbenannt. Lange Zeit galt diese Protease als funktionell redundant zu Caspase‑3; zahlreiche biochemische Studien sowie aktuelle Untersuchungen an Caspase‑7‑defizienten Mäusen zeigen jedoch, dass sie auch eine eigenständige und wichtige Rolle in Apoptose und Inflammation spielt und als potenzielles neues Target für die Therapie von Krebs- und Entzündungserkrankungen in Betracht kommt.

Abbildung 1. Überblick über Mechanismen der Caspasenaktivierung (Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010)

Struktur von Caspase‑7

Da sowohl die Kristallstruktur von Procaspase‑7 als auch die Kristallstrukturen des aktiven Enzyms in freier Form und in Inhibitor-gebundener Form aufgeklärt wurden, ist die dreidimensionale Struktur des Aktivierungsmechanismus von Caspase‑7 detailliert beschrieben. Procaspase‑7 ist ein Protein aus 303 Aminosäuren, das im Zytosol als vorassemblierter Homodimer vorliegt. Strukturell besteht der Homodimer aus einem zentralen 12‑strängigen β‑Faltblatt und 10 α‑Helices, die dieses umgeben.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des Procaspase‑7‑ und des aktiven Caspase‑7‑Homodimers (Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010)

Diese Struktur einer „offenen α/β‑Fass‑Faltung“ besteht aus zwei identisch angeordneten enzymatischen Einheiten, von denen jede ein aktives Zentrum enthält. Jede enzymatische Einheit setzt sich aus einer großen und einer kleinen katalytischen Untereinheit von 20 kDa bzw. 11 kDa zusammen, die im Caspase‑7‑Zymogen durch eine Linkersequenz verbunden sind. Die Linkerregion verhindert die geordnete Ausbildung des aktiven Zentrums; ihre Entfernung durch Initiatorcaspasen ist daher Voraussetzung für die Aktivierung von Caspase‑7. Dies erfolgt durch Spaltung der Peptidbindungen zwischen Asp198 und Ser199 sowie zwischen Asp206 und Ala207. Nach Entfernung des Linkers werden die Schleifen L2, L3 und L4 räumlich reorganisiert, wodurch das aktive Zentrum und die Substratbindetasche ausgebildet werden. Im Gegensatz zur Linkerregion beeinflusst das N‑terminale Propeptid die Aktivierung von Procaspase‑7 in vitro nicht. Dennoch wirkt die Prodomäne in Zellen negativ auf die Enzymaktivität von Caspase‑7, auch wenn der zugrunde liegende Mechanismus bislang nicht geklärt ist.

Abbildung 3. Dreidimensionale Struktur von Procaspase‑7 (Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010)

Biologische Funktion von Caspase‑7

Das Todessignal wird über Rezeptorclusterung in das Zytoplasma weitergeleitet, was zur Aktivierung von Caspase‑8 und ‑10 führt. Chemotherapeutika und ultraviolette Strahlung verursachen hingegen DNA‑Schäden und induzieren die Freisetzung von mitochondrialem Cytochrom c in das Zytoplasma. Dieses bindet an das Adapterprotein Apaf‑1 und bildet das Apoptosom. Dieser große Proteinkomplex aktiviert Caspase‑9. Nach Aktivierung prozessieren Caspasen‑8, ‑9 und ‑10 die Effektorcaspasen‑3 und ‑7. Reife Caspasen‑3 und ‑7 sind in der Lage, eine Vielzahl von Substraten zu spalten und führen letztlich zu den charakteristischen morphologischen und biochemischen Kennzeichen der Apoptose, wie etwa der Exposition von Phosphatidylserin. Neben der Aktivierung im Rahmen der Apoptose kann die proteolytische Reifung von Caspase‑7 auch unter inflammatorischen Bedingungen beobachtet werden. Interessanterweise erfordert die Aktivierung von Caspase‑7 in Makrophagen, die mit Lipopolysaccharid und ATP stimuliert wurden oder mit den gramnegativen Pathogenen Legionella pneumophila und Salmonella typhymurium infiziert sind, Caspase‑1‑Komplexe, die als „Inflammasom“ bezeichnet werden. Zudem haben zahlreiche biochemische Studien gezeigt, dass Caspase‑7 ein direktes Substrat von Caspase‑1 ist. Bei Erkrankungen, die durch exzessiven Zelltod und/oder Inflammation bedingt sind, kann es daher vorteilhaft sein, in die Aktivierung von Caspase‑7 einzugreifen. Eine weitere potenzielle Anwendung von Caspase‑7 besteht in der Prävention des Lymphozytentods bei Sepsis. Studien zeigen außerdem, dass Single‑Nukleotid‑Polymorphismen (SNP) im caspase‑7-Gen eng mit insulinabhängigem Diabetes mellitus und rheumatoider Arthritis assoziiert sind.