Caspase 7

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Einführung

Von der Nahrungsverdauung bis hin zu hochregulierten Kaskadenreaktionen sind alle physiologischen Reaktionen, die die Teilnahme von Proteasen erfordern. Apoptose ist der standardmäßige programmierte Zelltodmodus während der embryonalen Entwicklung und ist auch entscheidend für die Aufrechterhaltung der Homöostase erwachsener Organismen. Caspasen, eine evolutionär konservierte Familie von aspartatspezifischen Cysteinproteasen, sind die Kernelemente des Apoptosemechanismus. Diese Proteasen existieren alle in Form von latenten Zymogenen, die ein variabel langes N-terminales Pro-Domäne vor der katalytischen Domäne aufweisen. Caspasen signalisieren normalerweise in einer zweistufigen Kaskade (Abbildung 1): „Initiatorcaspasen“ mit großen Pro-Domänen (wie Caspase-1, -8 und -9) werden in den großen Proteinkomplex rekrutiert, dann erfolgt die Autoaktivierung. Aktivierte Initiatorcaspasen setzen dann ihre "Exekutorcaspasen" von ihren kurzen inhibitorischen Pro-Domänen frei, was es ihnen ermöglicht, eine große Anzahl von zellulären Substraten zu spalten. Zusammen mit Caspase-3 und -6 gehört Caspase-7 zur Untergruppe der Exekutorcaspasen. Sie wurde ursprünglich als ICE-LAP3, Mch3 und CMH-1 von drei verschiedenen Gruppen kloniert und später in Caspase-7 umbenannt. Lange Zeit wurde diese Protease als funktionell redundant mit Caspase-3 angesehen, aber viele biochemische Studien und die neuesten Forschungen an caspase-7-defizienten Mäusen haben gezeigt, dass sie auch eine einzigartige und wichtige Rolle in der Apoptose und Entzündung spielt und das Potenzial als neues Ziel für die Behandlung von Krebs und Entzündungen hat.

Abbildung 1. Überblick über die Mechanismen der Caspase-Aktivierung (Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010)

Struktur von Caspase-7

Seit die Kristallstruktur von Procaspase-7 und die Kristallstruktur der freien und inhibitorgebundenen Formen des aktiven Enzyms aufgeklärt wurden, wurde die dreidimensionale Struktur des Aktivierungsmechanismus von Caspase-7 detailliert beschrieben. Procaspase-7 ist ein Protein, das aus 303 Aminosäuren besteht und als vorgefertigtes Homodimer im Zytosol vorliegt. Strukturell besteht das Homodimer aus einem 12-strängigen β-Faltblatt in der Mitte und 10 α-Helices darum herum.

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

Diese Struktur des "offenen α/β-Fass-Falts" besteht aus zwei identisch angeordneten enzymatischen Einheiten, von denen jede eine aktive Stelle enthält. Jede enzymatische Einheit besteht aus einer großen und einer kleinen katalytischen Untereinheit von 20 kDa bzw. 11 kDa, die durch eine Verbindungssequenz im Caspase-7-Zymogen verbunden sind. Der Verbindungsbereich behindert die Ordnung der aktiven Stelle, daher ist das Entfernen durch Initiatorcaspasen eine Voraussetzung für die Aktivierung von Caspase-7, die durch Spaltung der Peptidbindungen zwischen Asp198 und Ser199 sowie zwischen Asp206 und Ala207 erreicht wird. Nachdem der Verbindungsbereich entfernt wurde, erfahren die Schleifen L2, L3 und L4 eine räumliche Umorganisation, um die aktive Stelle und die Substratbindetasche zu bilden. Im Gegensatz zum Verbindungsbereich hat das N-terminale Propeptid keinen Einfluss auf die Aktivierung von Procaspase-7 in vitro. Dennoch hat die Pro-Domäne einen negativen Einfluss auf die Enzymaktivität von Caspase-7 in Zellen, obwohl der Mechanismus unklar ist.

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

Biologische Funktion von Caspase-7

Das Todessignal wird durch die Rezeptorclusterung in das Zytoplasma übertragen, was zur Aktivierung von Caspase-8 und -10 führt. Andererseits verursachen chemotherapeutische Medikamente und ultraviolette Strahlung DNA-Schäden und lösen die Freisetzung von mitochondrialem Cytochrom c in das Zytoplasma aus. Letzteres bindet an das Adaptorprotein Apaf-1, um das Apoptosom zu bilden. Dieser große Proteinkomplex aktiviert Caspase-9. Nach der Aktivierung verarbeiten die Caspasen-8, -9 und -10 die Exekutorcaspasen-3 und -7. Reife Caspasen-3 und -7 haben die Fähigkeit, eine große Anzahl von Substraten zu spalten und führen letztendlich zu der charakteristischen Morphologie und den biochemischen Merkmalen der Apoptose, wie der Exposition von Phosphatidylserin. Neben der Aktivierung während der Apoptose kann die proteolytische Reifung von Caspase-7 auch unter entzündlichen Bedingungen beobachtet werden. Interessanterweise erfordert die Aktivierung von Caspase-7 in mit Lipopolysaccharid und ATP stimulierten oder mit den gramnegativen Krankheitserregern Legionella pneumophila und Salmonella typhymurium infizierten Makrophagen Caspase-1-Komplexe, die als „Inflammasom“ bezeichnet werden. Eine große Anzahl biochemischer Studien hat gezeigt, dass Caspase-7 ein direktes Substrat von Caspase-1 ist. Im Falle von übermäßigem Zelltod und/oder Entzündung, die zu Krankheiten führen, kann es vorteilhaft sein, die Aktivierung von Caspase-7 zu stören. Eine weitere potenzielle Anwendung von Caspase-7 besteht darin, den Zelltod von Lymphozyten bei Sepsis zu verhindern. Studien haben gezeigt, dass Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNP) im caspase-7-Gen auch eng mit insulinabhängigem Diabetes mellitus und rheumatoider Arthritis verbunden sind.