Caspase 9

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Einführung

Es gibt zwei am besten beschriebenen apoptotischen Wege bei Säugetieren, den rezeptorinduzierten Weg und den mitochondrialen Stress-induzierten Weg, die auch als extrinsische und intrinsische Wege bezeichnet werden. Diese beiden apoptotischen Wege nutzen die Caspase-Kaskade. Die apoptotischen Wege realisieren die Auflösung der Zellstruktur durch Exekutor-Proteasen, die als Caspasen bekannt sind und normalerweise in Initiator- und Effektor-Caspasen unterteilt werden, je nach ihrer Position in der apoptotischen Signaltransduktion. Procaspasen werden zunächst als ein einzelner inaktiver Zymogen in einer Kette synthetisiert, der den Zelltod bei Aktivierung fördert. Procaspase-9 existiert als Monomer und dient als Initiator-Caspase des intrinsischen apoptotischen Weges. Sie hat eine lange Prodomäne, die ein Caspase-Aktivierungsdomänen (CARD) Motiv enthält, durch das Caspase-9 aktiviert wird und dann Zellen in apoptotische Körper zerlegt. Aufgrund ihrer lebenswichtigen Funktion kann sie das Todessignal in das erste proteolytische Ereignis umwandeln und direkt die Aktivierung der tödlichen Exekutor-Protease vermitteln. Ihre Manipulation von upstream Ereignissen, insbesondere die Kontrolle von Caspase-9, macht sie zu einem vielversprechenden therapeutischen Ziel für proliferative und degenerative Erkrankungen.  

Struktur und Aktivierung von Caspase-9

Das CARD-Motiv am N-Terminus der langen Prodomäne in Caspase-9 kann selektiv an das CARD in Apaf-1 binden. Darauf folgt eine Verbindungs-Schleife, die die Prodomäne mit der katalytischen Domäne verbindet, die aus großen und kleinen Untereinheiten besteht (Abbildung 1B). Die lange Verbindungs-Schleife zwischen den Untereinheiten soll beweglich sein und Zugang zur aktiven Stelle erhalten, ohne aufgrund ihrer Länge und Funktion, große und kleine Untereinheiten zu verbinden, gespalten zu werden. Die Dimerisierung von Caspase-9 führt zu einer schnellen autokatalytischen Spaltung, die Caspase-9 (p35/p12) produziert.

Es wurden zwei Hypothesen zur Aktivierung von Caspase-9 vorgeschlagen. Eine ist das "induzierte Konformationsmodell", das besagt, dass das Apaf-1-Apoptoom die Konformation von Caspase-9 durch Bindung verändert, was für die Aktivierung von Caspase-9 notwendig ist. Die Kristallstruktur des 1:1-Komplexes zwischen den CARD-Domänen von Caspase-9 und Apaf-1 zeigt die komplementäre Schnittstelle, die für die Aktivierung von Caspase-9 entscheidend ist. Die andere Hypothese ist das "induzierte Nähe-Modell", das annimmt, dass das Apoptoom eine Plattform für die Dimerisierung von Caspase-9 bereitstellt. Caspase 9 muss seine Bindung an das Apoptoom aufrechterhalten, um seine katalytische Aktivität zu behalten. Neueste Studien haben gezeigt, dass Procaspase-9 eine höhere Affinität zum Apoptoom hat im Vergleich zu ihrer gespaltenen Form. Darüber hinaus ist der Zweck der Autoprozessierung von Procaspase-9 nicht, Caspase-9 zu aktivieren, sondern einen molekularen Timer zu starten, um die Dauer der Apoptoom-Aktivität zu stimulieren. Obwohl diese neuen Erkenntnisse bis zu einem gewissen Grad widersprüchlich und umstritten sind, fördern sie die Entwicklung unseres Verständnisses des Mechanismus, der die Aktivierung und die Aktivität von Caspase-9 steuert.

Abbildung 1. Die vorhergesagte Aminosäurestruktur der menschlichen Caspase-9 (Li, P.; et al. 2000)

Induzierbares Caspase-9-Suizidgen und seine Anwendung

Die induzierbare Caspase 9 (iCasp9) bietet einen Mechanismus zur Eliminierung von CAR-T-Zellen ohne ordnungsgemäße Aktivierung und hat sich in klinischen Studien als neuartiges Suizidgen erwiesen. Das optimierte iCasp9-Molekül basiert auf der Arzneimittelbindungsdomäne FK506-F36V, die über einen kurzen Ser-Gly-Gly-Gly-Ser-Linker mit ΔCaspase9 (einer Caspase-9 ohne ihr physiologisches CARD) verbunden ist. AP1903 oder AP20187 fungiert als chemischer Induktor der Dimerisierung (CID), bindet an iCasp9 und aktiviert die Dimerisierung von ΔCaspase9, sodass die nachgeschaltete Caspase-Kaskade aktiviert wird, was zu Apoptose führt. Der iCasp9-Sicherheitsschalter wurde klinisch in haploidentischer hämatopoetischer Stammzelltransplantation (haplo-HSCT) validiert. In der präklinischen Studie dieses Systems wurde das Modell der schweren kombinierten Immundefizienz (SCID) Maus-Mensch-Xenotransplantation untersucht, bei dem die Dosis von CID mehr als 99 % der zirkulierenden menschlichen GFP + T-Zellen innerhalb von drei Tagen abtötete. Eine Studie liefert starke Unterstützung dafür, dass dieser iCasp9-basierte bedingte Sicherheitsschalter T-Zellen in einem Mausmodell schnell entfernen und laufende autoimmune Angriffe verhindern kann. In einer klinischen Studienuntersuchung wurden fünf Empfänger mit rezidivierter akuter Leukämie, die eine Stammzelltransplantation durchlaufen hatten, mit Infusionen von iCasp9-exprimierenden Spender-T-Zellen behandelt. Bei vier Patienten mit Transplantat-gegen-Wirt-Krankheit (GVHD) beseitigte der iCasp9-Suizid-Schalter mehr als 90 % der konstruierten T-Zellen und trat nicht erneut eine halbe Stunde nach der Verabreichung einer einzelnen Dosis CID auf. Langfristige Nachuntersuchungen (3,5 Jahre) zeigten, dass die Infusion von iC9-T-Zellen und die Verabreichung von CID dem Patienten effektiv halfen, das Immunsystem nach der haplo-HSCT wieder aufzubauen und den Patienten vor pathogenen Infektionen zu schützen. Insgesamt hat die iCasp9-Suizidgen-Technologie signifikante Vorteile bei der Verbesserung der Sicherheit der CAR-T-Zell-Technologie gezeigt und deren klinische Anwendung erweitert.    

Abbildung 2. Die Apoptose von transfizierten Zellen, die durch aktiviertes iCasp9 verursacht wird (Li, P.; et al. 2000)